5G移動通信系統發展綜述

楊文東，魏 琛，錢玉峰

（1.陸軍工程大學通信工程學院，南京 210007；2.解放軍第31131部隊，南京 210042）

1 引言

隨著通信技術和計算機技術的迅猛發展，各種新型應用（如虛擬現實、增強現實、人工智能、3D媒體、超高清視頻等）不斷涌現，使得無線網絡所承載的數據量陡增。與此同時，移動網絡已成為現代生活的必需，購物、娛樂、社交等等無一不需要移動網絡。而現有移動通信系統（4G）難以滿足這樣的需求，亟需研發新一代移動通信系統（5G）。5G 最顯著的一個特征是空前的業務量、巨大的單位面積頻譜效率（數百b/s/Hz/km2）、超高的單設備吞吐量（Gb/s量級）。據估計，到2021年每個月智能手機所產生的業務量將達到50拍它（1015）字節，而這是2016年全年的業務量[1]。

為了滿足這樣的要求，全球范圍內關于未來移動通信系統的研究和開發如火如荼。2013年以來，包括歐盟5GPP/METIS、中國IMT-2020（5G）推進組、韓國5G論壇、日本ARIB在內的各個國家層面的5G研究機構和計劃先后成立。2015年，國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）正式將5G命名為IMT-2020。圖1給出了5G潛在的應用場景、關鍵能力及其與4G的對比[2]，從中我們注意到，5G不僅能支持當前系統所能支持的多種應用場景，還能支持很多新的應用場景，包括：增強型移動寬帶（Enhanced Mobile BroadBand，eMBB）；大規模機器類通信（Massive Machine Type Communications，mMTC）；超可靠低延時通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）。 人們期望5G能提供如下8 個關鍵性能指標（Key Per formance Indicators，KPIs）[3]：超過10Gb/s的峰值數據速率、100Mb/s的用戶體驗數據速率、3倍的頻譜效率、10Mb/s/km2的單位面積業務能力、100倍的網絡能量效率、1ms的空中延時、支持500km/h的移動速度、106/km2的連接密度（上文中的倍數提法是相對于4G系統而言的）。

2 標準化情況

標準化工作是5G發展過程中一個最為重要的環節，其組織形式是由國際電信聯盟牽頭，工業界、各個研究組織和運營商共同協作制定，最后提交至國際電信聯盟，經國際電信聯盟遴選確定后成為5G的國際標準。

2012年，國際電信聯盟就開始了5G的標準化工作，其5G標準計劃，大致可以分為3個階段：第一階段進行預標準化的研究，即通過用戶需求的分析，獲得未來網絡技術的重點發展方向和基本架構；第二階段是針對關鍵技術的研究以及相應的可行性評估，主要是分析特定場景下的網絡運行情況是否達到預期效果；第三階段是候選關鍵技術的遴選、驗證和標準化工作。計劃預計在2020年底完成標準的制定。

第三代合作伙伴計劃（The 3rd Gener at ion Par tner Project，3GPP）作為最重要的5G標準制定機構，也在2016 年年初啟動了5G的標準化工作。2016年6月，3GPP技術規范組（TSG＃72）就Release 15的詳細工作計劃達成一致，該計劃包括一系列中間任務和檢查重點，以指導工作組正在進行的研究，同時明確了相關規范將于2018年6月確定。在討論相關工作計劃時，TSG#72強調了無線和協議兩方面設計前向兼容性的重要性，因為這將直接影響到分步功能的導入和實現，對后續5G版本的發展和應用至關重要。在2017年3月召開的3GPP RAN第75次全體大會上，首個5G終端標準測試項目üü 5G新空口測試方法正式立項，同時大會還通過了5G加速的提案，這標志著5G標準化取得了實質性的進展，標準化時間節點也前移了半年。在這份提案里，3GPP將5G NR（新空口）非獨立組網（選項3）特性提前至2017年12月完成，相比原計劃提前半年，加速了5G新空口（NR）的標準化進程。此次3GPP正式通過的5G加速的提案以及即將完成的5G新空口標準，加速了相關產業的發展，使設備制造商、芯片商和終端廠商能夠更早地開始開發，運營商能夠更快地向客戶提供標準化的5G服務。

2017年下半年，3GPP開始將其工作重心轉移到Release 15的制定上，包括對新標準的制定和LTE-Advanced Pro的進一步完善；預計2018年9月完成Release 15的制定，2020年完成5G標準的制定工作。

3 若干關鍵技術

為了實現5G所設想的宏大目標，人們提出了毫米波通信、大規模MIMO、超密集網絡、全雙工通信、D2D通信等一系列關鍵技術，下面我們對這些技術逐一進行簡要的介紹。

3.1 毫米波通信

圖2 毫米波波段的頻率利用情況

如圖2所示，毫米波波段具有大量的可用頻率，而增加帶寬是提高系統容量的一種最為直接的方法，因此，毫米波通信被視作實現10Gb/s峰值數據速率最為關鍵的技術。具體而言，香農容量公式表明系統容量與信道帶寬呈線性關系，因此，增加帶寬自然就可以提高系統容量?？梢宰兊孟喈斂捎^，還能簡化信號處理，實現 信道硬化（Channel Hardening），從而可以消除小尺度衰落。此外，大規模MIMO由于具備較大的波束賦形增益，還能降低能量消耗。大規模MIMO對于分米波波段非常有利，對于毫米波波段則更為必要，因為毫米波波段的自由空間傳播損耗非常嚴重，即便在100米的傳輸距離上也需要較高的陣列增益來獲得足夠的信噪比。

然而，大規模MIMO所采用的大量天線單元也帶來了不少問題：一是大量的射頻鏈路增加了實現成本和能量消耗；二是確定每個收發天線對之間的信道狀態信息需要消耗大量的頻譜資源。解決這兩個問題的一種較為可行的方案是采用如圖3（A全復雜度結構；B低復雜度結構；C虛擬扇區化結構）所示的混合波束賦形[6]，即在射頻采用模擬波束賦形，同時在基帶采用數字波束賦形，而基帶和射頻之間通過較少的上/下變頻器相連。

對毫米波的研究可以追溯到100多年前，而其在無線通信中的應用始于20世紀80年代[4]。近年來，由于6GHz以下頻帶中的頻譜資源日益緊張，而毫米波波段的頻譜資源卻比較豐富，人們對毫米波通信進行了大量研究，并且取得了不少研究成果。例如，工作于60GHz的IEEE 802.11ad技術已經實現。與此同時，更具挑戰性的關于毫米波移動通信的研究開發也在進行中。三星在2013年最先實現了28GHz頻率上1Gb/s的數據傳輸。谷歌也在毫米波通信上投入了很大的研發精力。威瑞森（Verizon）也已經向美國聯邦通信委員會提交了申請，以進行28GHz和39GHz頻率上的毫米波通信試驗。諾基亞聯合美國國家儀器公司（NI）在2015年4月利用他們的概念樣機實現了73GHz頻率上15Gb/s的數據傳輸。為了進一步推動毫米波移動通信的發展，歐盟啟動了MiWEBA、MiWaves、mmMAGIC等研究計劃。為了籌備2020年的奧運會，日本的都科摩（DOCOMO）和愛立信測試了室外15GHz頻率上4.5Gb/s和室內70GHz頻率上2Gb/s的數據傳輸。在毫米波通信的研發上，中國也不遑多讓。中國科技部資助了多項毫米波移動通信方面的863項目；中國已能生產42-48GHz和60GHz頻段上的射頻芯片；華為和中國移動在2017年的世界移動通信大會（Mobile World Congress）上展示了Ka波段（26.5-40GHz）上20Gb/s的移動接入。

雖然毫米波通信有其顯著的優點，并且業界在毫米波通信方面已經取得了不少可喜的研究成果，但毫米波通信因為其與生俱來的路徑損耗、穿透損耗、功率消耗、窄波束寬度和旁瓣等問題，離真正的大規模商用仍有不少距離，還需要進行大量深入細致的研究。

3.2 大規模MIMO

收發兩端同時采用多天線的MIMO技術從提出之初就被認為是提高頻譜效率的一種有效手段。在多用戶MIMO系統中，系統的頻譜效率可以通過兩種方式來提高：一個基站可以在相同的時頻域內同時與多個用戶設備進行通信；基站與每個用戶設備之間都可以同時發送多個數據流。在多用戶MIMO 系統中，一個小區內數據流的總數受限于基站的天線數與所有用戶設備天線數之和的較小者。

在人們研究多用戶MIMO十余年之后，有學者提出了大規模MIMO的概念[5]。在大規模MIMO 系統中，基站可以配置數十甚至數百根天線，這不僅使得小區內數據流的數量

圖3 三種混合波束賦形結構框圖

3.3 超密集網絡

為了支持越來越多的用戶和設備，一種自然而然的做法就是盡可能多地進行頻率復用，亦即提高基站的密度，采用小蜂窩（Small Cells，SCs）的組網方式。實際上，從2G、3G一直到4G，我們一直在做縮小蜂窩的工作。但考慮到未來更為苛刻的用戶需求，我們還需要進一步提高基站的密度，尤其是在市中心地區和室內環境。但是大規模的部署小蜂窩帶來的一個必然問題就是其經濟上的可行性。目前的小蜂窩方案主要依賴于分布式天線系統、非授權頻段以及用戶布設小基站等技術來降低布設成本。當然，我們也可以采用移動中繼或者游牧基站等方式。種種因素顯示如圖4所示的超密集網絡是大勢所趨，而這種趨勢對于未來的網絡運營影響深遠。小區半徑變小使得單位面積上同時服務的用戶數減少，因而資源可以被較少的用戶共享。此外，用戶到接入點之間距離變短也使得出現陰影衰落的概率降低。這一因素在具有較大帶寬的高端頻譜電波傳播中將產生重大的作用，高端頻譜的自由空間傳播損耗很大，這反而使得相鄰小區和用戶之間的干擾降低了，因而超密集網絡最適合于采用高端頻譜。另一方面，單一小區內用戶數的減少會使得業務更多地以突發的形式呈現。因為時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）技術對動態業務的支持更好，5G系統中預計將會大規模采用?？紤]到如上兩個因素，未來5G系統中的資源分配將面臨較大的挑戰。另外，如何設計傳輸和接收方案以應對網絡中的動態干擾也是一個重要的挑戰[7]。超密集網絡的另一個挑戰在于其網絡架構的異構性。可以預見的是5G系統不僅會引入新的接入技術，并且還會沿用3GPP的系統以及IEEE的一些技術，如此復雜的網絡架構會給移動性管理帶來很大的挑戰，但機遇往往與挑戰并存，未來的設備因而也可以按需選擇特定的技術。如何高效地檢測并利用這一異構環境將是超密集網絡最為重要的挑戰之一。

圖4 超密集網絡系統模型

3.4 全雙工通信

為了滿足日益增長的傳輸速率要求，頻譜效率需要得到進一步的提升，然而，無線通信通常采用半雙工通信，這就導致了頻譜資源的浪費。全雙工通信能夠實現同一頻帶上的同時收發，因而可以提高頻譜效率。圖5描述了半雙工和全雙工的工作模式。

圖5 半雙工和全雙工工作模式

全雙工通信最大的優勢就是其近乎兩倍于半雙工通信的信道容量。近年來，人們開展了一系列關于全雙工通信理論和實現方面的研究，以定量分析全雙工通信的性能優勢[8]。這些研究表明雖然全雙工通信會增加系統實現的復雜度，但其無論是在吞吐量方面還是中斷概率方面均優于半雙工通信。此外，全雙工通信最新的研究進展使得其吞吐量和分集度也都得到了進一步的增加。如果能夠容忍復雜信號處理所帶來的硬件和軟件復雜度問題，全雙工通信的誤比特率也能得到降低。并且，如果全雙工設備具有足夠大的緩存容量，系統的丟包率也可以降低。當然，凡事有利必有弊，全雙工通信由于設備接收信號和發送信號的功率懸殊，會受到嚴重的自干擾影響。如果自干擾嚴重到一定程度，全雙工通信的容量甚至會不如半雙工通信。學術界和工業界一致認為對于全雙工通信而言，進行有效的自干擾抑制和抵消是非常必要的。除了上述的物理層問題，實現全雙工通信也需要在MAC層進行更進一步的研究。實驗表明，全雙工方案的性能并不總是優于半雙工方案，因此能在全雙工和半雙工之間切換，以自適應利用無線資源來最大化頻譜效率的混合方案也許更為有效。

3.5 D2D通信

在過去的十年中，有兩個因素使得移動數據需求的密度發生了顯著的變化。一方面，智能手機的大量增加使得對移動多媒體業務的需求迅猛增長。另一方面，隨著城市化進程的深入，越來越多的人到城市生活，這就大大增加了移動用戶的密度并縮短了設備之間的距離，從而產生了新的通信機會。近年來，與蜂窩網絡同頻共存的D2D通信受到了廣泛關注[9]。如圖6所示，D2D通信讓設備不用接入無線基礎設施就可以直接通信。當然，這需要設備的密度足夠大，并且允許時延可容忍的數據在設備之間進行多跳傳輸。D2D通信的潛在優勢包括提高吞吐量、節約設備能耗、擴大覆蓋和基站負荷卸載[10]。從移動運營商的角度來看，D2D通信在經濟方面的吸引力是巨大的，因為這意味著運營商無需在網絡硬件升級或者新的基站部署上投入就可以獲得顯著的容量和覆蓋增益。

圖6 D2D通信系統模型

然而，我們應該注意到，蜂窩網絡并非第一個引入D2D通信的技術，事實上，產生動機大致相同的類似技術，例如IEEE802.11中的AD Hoc模式已經存在了幾十年了，但從未成為主流。技術和非技術的因素，從運營商的支持到安全性的考慮，等等，都或多或少地阻礙了其大規模應用。因此，我們有兩個重要的問題需要回答：一是將D2D引入蜂窩網絡一定能獲得成功嗎？實際上蜂窩通信已經以基礎設施為中心的模式成功運行數十年了，在這種模式中，用戶發送數據給基站，基站再發送數據給用戶，而非用戶之間直接通信。我們是否應該放棄現有的可靠且經過檢驗的工作模式，轉而尋求有一定性能改善，但面臨較大技術挑戰的D2D模式還需要進行深入研究。二是小蜂窩技術不是也可以獲得跟D2D通信同樣的效果嗎？而且小蜂窩技術還保留了運營商熟悉的以基礎設施為中心的模式。這是不是意味著我們可以直接采用小蜂窩技術，而放棄D2D？更為有趣的是，我們需要在小蜂窩和D2D之間二選一還是讓二者共存？如果共存，我們需要付出怎樣的復雜度和開銷代價？

4 結束語

當前，全球范圍內對5G的研發工作正如火如荼地進行，為了實現5G所設想的宏大目標，人們提出了毫米波通信、大規模MIMO等一系列關鍵技術，但這些技術是不是能真正地在5G系統中成功運用都還有待進一步的研究。

[1] Ericsson AB.Traffic exploration tool，interactive online tool.[Online].Available：https：//www.ericsson.com/TET/trafficView/loadBasicEditor.ericsson.

[2] M.Xiao et al.， Millimeter wave communications for future mobile networks，IEEE Journal on Selected Areas in Communications，vol.35，no.9，pp.1909-1935，Sep.2017.

[3] J.G.Andrews et al.，What will 5G be? IEEE Journal on Selected Areas in Communications，vol.32，no.6，pp.1065-1082，Jun.2014.

[4] R.E.Ziemer， An overview of millimeter wave communications， in Proceedings of European Microwave Conference，pp.3–8，1984.

[5] T.L.Marzetta，Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas， IEEE Transactions on Wireless Communications，vol.9，no.11，pp.3590-3600，Nov.2010.

[6] X.Zhang，A.Molisch，and S.-Y.Kung， Variable-phase-shift-based RF-baseband Codesign for MIMO antenna selection， IEEE Transactions on Signal Processing，vol.53，no.11，pp.4091-4103，Nov.2005.

[7] B.Soret et al.， Interference coordination for dense wireless networks， IEEE Communications Magazine，vol.53，no.1，pp.102-109，Jan.2015.

[8] T.Riihonen，S.Werner，and R.Wichman， Optimized gain control for singlefrequency relaying with loop interference， IEEE Transactions on Wireless Communications，vol.8，no.6，pp.2801-2806，June 2009.

[9] L.Wei et al.，Enable device-to-device communications underlaying cellular networks：challenges and research aspects， IEEE Communications Magazine，vol.52，no.6，pp.90-96，June 2014.

[10] Z.Zhou et al.，Energy efficiency and spectral efficiency tradeoff in deviceto-device communications， IEEE Wireless Communications Letters，vol.3，no.5，pp.485-488，July 2014.