5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展

周普成，鄭 超

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京210019）

0 引 言

黨的十九大報告提出了加強信息基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重大部署要求。國家“十三五”規(guī)劃綱要中明確提出“積極推進第五代移動通信（5G）和超寬帶關(guān)鍵技術(shù)，啟動5G商用”。為落實黨和國家的重要戰(zhàn)略，全球最大的LTE FDD運營商和全球最大的寬帶運營商將積極與產(chǎn)業(yè)鏈各方開展廣泛合作，致力于打造面向“中國制造2025”、“一帶一路”、“互聯(lián)網(wǎng)＋”等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的通信服務(wù)新供給，創(chuàng)新商業(yè)模式和業(yè)態(tài)，有力促進產(chǎn)業(yè)融合創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的繁榮發(fā)展，共建網(wǎng)絡(luò)強國。

1 5G的簡介

第五代移動通信技術(shù)（5G）作為新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)，將以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、提供相當(dāng)于現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)10倍的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和強大的連接能力，開啟物聯(lián)網(wǎng)、智能交互的新時代。

5G將全面推動傳統(tǒng)領(lǐng)域數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化升級，成為下一個萬億規(guī)模的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟增長新動力，創(chuàng)造大量就業(yè)機會。據(jù)IHS預(yù)測，到2035年，全球5G價值鏈將創(chuàng)造3．5萬億美元產(chǎn)出，2 200萬個工作崗位，支持全球GDP長期可持續(xù)增長。據(jù)中國信息通信研究院測算，到2030年，5G價值鏈將產(chǎn)出6．3萬億元，貢獻就業(yè)機會800萬個。全球各國均把5G作為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，強化產(chǎn)業(yè)布局，塑造競爭新優(yōu)勢。

2 5G的技術(shù)路線及特點

面對5G場景和技術(shù)需求，需要選擇合適的無線網(wǎng)絡(luò)演進策略和技術(shù)路線，以指導(dǎo)5G標準化及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。綜合考慮需求、技術(shù)發(fā)展趨勢以及網(wǎng)絡(luò)平滑演進等因素。

（1）無線網(wǎng)絡(luò)演進策略

頻率：綜合考慮覆蓋性能、建設(shè)成本、頻段組合干擾規(guī)避和產(chǎn)業(yè)鏈成熟度等因素，采用3．4－3．5 GHz頻段作為本工程5G承載頻率。

組網(wǎng)方式：優(yōu)先采用獨立組網(wǎng)。考慮到非獨立組網(wǎng)架構(gòu)需要4G和5G基站緊耦合，并且非獨立組網(wǎng)場景中LTE現(xiàn)網(wǎng)頻段與NR頻段的部分組合在終端側(cè)存在較嚴重的干擾問題，優(yōu)先采用獨立組網(wǎng)架構(gòu)，為了避免頻繁互操作，獨立組網(wǎng)盡量連續(xù)覆蓋。

大規(guī)模天線：采用64端口、192振子。

（2）5G空口技術(shù)框架

5G空口技術(shù)框架可針對具體場景、性能需求、可用頻段、設(shè)備能力和成本等情況，按需選取最優(yōu)技術(shù)組合并優(yōu)化參數(shù)配置，形成相應(yīng)的空口技術(shù)方案，實現(xiàn)對場景及業(yè)務(wù)的“量體裁衣”，并能夠有效應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的新場景和新業(yè)務(wù)需求，從而實現(xiàn)“前向兼容”。

（3）5G低頻新空口低功耗低時延場景設(shè)計考慮

在低功耗大連接場景中，由于NB－IoT業(yè)務(wù)具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、強突發(fā)性的特點，雖然總體數(shù)量較大，但對信道帶寬的需求量較低，本場景更適合采用低頻段零散、碎片頻譜或部分OFDM子載波。

在低時延高可靠場景，為滿足時延指標要求，一方面要大幅度降低空口傳輸時延，另一方面要盡可能減少轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，降低網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)時延。為了滿足高可靠性指標要求，需要增加單位時間內(nèi)的重傳次數(shù)，同時還應(yīng)有效提升單鏈路的傳輸可靠性。為有效降低空口時延，在幀結(jié)構(gòu)方面，需要采用更短的幀長，可與連續(xù)廣域覆蓋的幀結(jié)構(gòu)保持兼容。

3 5G移動通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

5G移動通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)多達數(shù)十項，在這里簡要闡述具有代表性的幾項技術(shù)：

（1）Massive MIMO技術(shù)

其主要是通過上百根天線的空分復(fù)用優(yōu)勢，成倍提升系統(tǒng)容量，是5G容量提升的核心技術(shù)，也是唯一能夠成倍提升頻譜效率的技術(shù)；也是解決現(xiàn)網(wǎng)多場景大容量需求的有效技術(shù)，是Pre5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，中國移動將此技術(shù)稱之為3D－MIMO。

Massive MIMO所采用的3D－MIMO技術(shù)，在水平面和垂直面均可實現(xiàn)波束賦形，可以對高層樓宇進行廣度和深度的室內(nèi)覆蓋。多個用戶級波束在空間上三維賦型，可避免相互之間的干擾，大大提升系統(tǒng)級容量；支持水平面和垂直面的三維信號分析，也能對高層樓宇進行廣度和深度的室內(nèi)覆蓋。其采用的有源天線陣列技術(shù)，結(jié)合高精度的估算方法，能夠精確地將超窄波束能量定向投放到用戶位置，顯著地提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。特別是在水平波束賦型難以有效覆蓋的復(fù)雜無線環(huán)境下增益尤為明顯。

Massive MIMO主要應(yīng)用優(yōu)勢在于：a．實現(xiàn)業(yè)務(wù)深度覆蓋小區(qū)容量多倍提升；b．提升多倍小區(qū)容量單站實現(xiàn)多倍容量收益；c．更多接收天線提升上行頻譜效率（64通道／128陣子，4行＊8列＊雙極化）。64通道的Massive MIMO比傳統(tǒng)4／8通道宏站有更好的覆蓋能力，能過適應(yīng)各種場景下的覆蓋需求。

Massive MIMO可適用于多種應(yīng)用場景，包括：高樓覆蓋（專注解決高層室內(nèi)覆蓋難，宏站覆蓋差等問題）；熱點覆蓋（專注解決站址難尋、單站容量不足等問題）；最后一公里（專注解決固網(wǎng)運營商光纖資源無法到戶問題）；大型場館（專注解決干擾，業(yè)務(wù)流量大、用戶多等問題）；

因此，Massive MIMO在提升整網(wǎng)容量，用戶感知，上行性能等方面具有明顯的優(yōu)勢。

（2）同時同頻全雙工技術(shù)

同頻同時全雙工CCFD無線通信設(shè)備使用相同的時間、相同的頻率，同時發(fā)射和接收無線信號，使得無線通信鏈路的頻譜效率提高了一倍。能夠在相同的物理信道上對兩個方向的信號進行傳輸，因而也被稱為是高效的頻譜效率技術(shù)。

（3）非正交多址接入技術(shù)

非正交多址技術(shù)（NOMA）的基本思想是在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，在接收端通過串行干擾消除（SIC）接收機實現(xiàn)正確解調(diào)。雖然采用SIC技術(shù)的接收機復(fù)雜度有一定的提高，但是可以更好地提高頻譜效率。

（4）UDN（Ultra Dense Network）超密集組網(wǎng)技術(shù)

5G移動通信系統(tǒng)較4G系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)容量方面有著較大幅度的提升，理論值可達到4G網(wǎng)絡(luò)的1 000倍，而實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵手段為：密集部署節(jié)點，減少小區(qū)半徑、更大的小區(qū)分裂增益等。

（5）更加扁平化的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)基于SDN、NFV、云計算及C－RAN等先進技術(shù)，實現(xiàn)更加靈活、智能、高效并且以用戶為中心的新型網(wǎng)絡(luò)。

4 5G移動通信技術(shù)的應(yīng)用趨勢

（1）物聯(lián)網(wǎng)：“萬物互聯(lián)”是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與5G網(wǎng)絡(luò)的即將商用有著緊密的聯(lián)系。其通過識別技術(shù)、智能感應(yīng)等通信感知技術(shù)，應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)的之中。

物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，涉及車聯(lián)網(wǎng)、交通、環(huán)境、家居、消防、能源、市政工程、景觀照明管控、樓宇照明管控、廣場照明管控、健康、監(jiān)測等多個領(lǐng)域。

（2）智能交互：無人駕駛汽車間的數(shù)據(jù)交換、人工智能的交互，都需要運用到5G技術(shù)所特有的高效和大數(shù)據(jù)吞吐量。由于只有1 ms的延遲時間，無人駕駛、遠端醫(yī)療這些對時延、網(wǎng)速有較高要求的技術(shù)也將成為可能。各類穿戴設(shè)備、手機、家用電器、門鎖、監(jiān)控等都能夠連接上網(wǎng)絡(luò)。

（3）接入云技術(shù)的運用：5G接入云功能需求包括新型無線接入技術(shù)、靈活資源協(xié)同管理、跨制式系統(tǒng)深度融合、無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化、邊緣計算與無線能力開放等。為了實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)場景和業(yè)務(wù)應(yīng)用提出的高性能指標，需要考慮引入新型無線接入技術(shù)，具體包括大規(guī)模天線陣列、新型多址技術(shù)、全頻譜接入等，5G接入云對所述新型無線接入技術(shù)進行有效管控和支撐。基于接入集中控制模塊，5G網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建一種快速、靈活、高效的基站間協(xié)同機制，實現(xiàn)小區(qū)間資源調(diào)度與協(xié)同管理，并實現(xiàn)對不同無線接入系統(tǒng)的融合與協(xié)同，提升移動網(wǎng)絡(luò)資源利用率，提升用戶的業(yè)務(wù)感知。5G將是以用戶為中心的全面的信息生態(tài)系統(tǒng)，通信技術(shù)與IT技術(shù)的深度結(jié)合，無線網(wǎng)絡(luò)將逐步實現(xiàn)虛擬化和云化，將IT計算與服務(wù)能力部署于移動接入網(wǎng)絡(luò)邊緣，進而提供高效的、多樣化的移動用戶服務(wù)體驗。

5 國內(nèi)外5G發(fā)展情況

（1）國外5G發(fā)展情況

各國政府與運營商正在加速推進5G進程。

2016年7月，美國聯(lián)邦通信委員會劃定5G頻段，頒布《用于移動業(yè)務(wù)的24 GHz以上頻段》的公告，確定38．6 GHz～40 GHz、37 GHz～38．6 GHz、27．5 GHz～28．35 GHz、64 GHz～71 GHz這四個頻段為5G頻段，同時為未來的5G頻段做出儲備。

美國運營商Verizon于2016年7月發(fā)布了主要針對固定寬帶無線接入應(yīng)用場景的5G企業(yè)標準，對正在開展研究的5G國際標準產(chǎn)生了一定的影響。AT＆T宣布于2016年開始面向家用寬帶服務(wù)的5G測試，并計劃2018年開始部署。

2016年9月，歐盟公布的5G行動計劃提出：2018年開始預(yù)商用測試；2020年底前，每個成員國確定至少一個提供5G服務(wù)的城市；2025年各成員國在主要陸地交通道路實現(xiàn)5G覆蓋。此外，歐盟將行業(yè)應(yīng)用作為推動5G的重要抓手，提出5G應(yīng)具備為教育、醫(yī)療、汽車、農(nóng)業(yè)等行業(yè)提供專網(wǎng)組網(wǎng)服務(wù)的能力，可高效率、低成本地提供各類新興業(yè)態(tài)服務(wù)。

歐洲運營商方面，Vodafone宣布將于2019年下半年正式推出5G商用服務(wù)；Orange宣布將在2020年進行5G部署。德國電信推出了5G創(chuàng)新實驗室計劃，并公布將使用600 MHz無線頻段及更高頻段的頻譜，在2020年底之前建成覆蓋全國的5G網(wǎng)絡(luò)。

在亞洲，日本已宣布將在2020年東京夏季奧運會前實現(xiàn)5G商用，2023年實現(xiàn)5G全國覆蓋。運營商方面，DOCOMO正組織在多個頻段上驗證5G關(guān)鍵技術(shù)，并計劃首先在2020年基于高頻27．5～29．5 GHz提供5G的eMBB業(yè)務(wù)；KDDI計劃將于2020年在部分地區(qū)啟動5G服務(wù)。

（2）我國政府和通信企業(yè)全面推進5G研發(fā)創(chuàng)新，力爭5G主導(dǎo)地位

早在2013年2月，由發(fā)改委、科技部、工信部主導(dǎo)，成立了IMT－2020（5G）推進組以全面推進5G研發(fā)、國際合作和融合創(chuàng)新發(fā)展。2017年，IMT－2020（5G）推進組順利推進了二階段5G技術(shù)研發(fā)試驗，現(xiàn)正計劃2018年啟動第三階段試驗。華為、中興、大唐和諾基亞、貝爾等通信設(shè)備企業(yè)以及電信運營商積極開展5G技術(shù)及產(chǎn)品測試，力爭2020年實現(xiàn)商用。

6 結(jié)束語

隨著新經(jīng)濟的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟已廣泛應(yīng)用，移動通信網(wǎng)將會與行業(yè)融合更加密切，各種新型的行業(yè)需求也將不斷地涌現(xiàn)。傳統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的商業(yè)模式過于單一。以低時延高可靠、大規(guī)模機器類通信業(yè)務(wù)為代表的、面向垂直行業(yè)客戶的新型需求，需要提供定制化的創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用。探索各種新的商業(yè)模式，打造良性生態(tài)系統(tǒng)。

面向大眾客戶的傳統(tǒng)移動通信業(yè)務(wù)市場正趨于飽和，以高清視頻、AR／VR為代表的5G特色業(yè)務(wù)和行業(yè)應(yīng)用成為移動甚至通信行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。特別對于后者，創(chuàng)新共贏的商業(yè)模式，健康的生態(tài)圈打造，是實現(xiàn)目標的關(guān)鍵。