5G通信關鍵技術分析及標準化展望

劉成平

本文在概述5G通信系統體系架構的基礎上，對MIMO、SDN、ICN、D2D通信等關鍵技術進行了分析探討，最后總結了5G通信技術發展趨勢及未來研究動向。結果表明，5G通信系統是長期演進的第四代移動通信系統全面商用基礎上的必然發展趨勢，也是順應移動數據需求爆炸式增長的必然要求。

5G體系架構由核心網、接入網和網絡布設場景等模塊構成，5G技術在3G和4G技術聚焦于移動寬帶應用場景并提供更高數據處理速率和強化的系統容量的基礎上，還能夠提供視頻形式等非常規數據處理速率和業務驅動容量。對于RAN等核心網絡而言，端到端系統的調整將構成5G演化的一個階段，5G無線接入既涉及無線電接口技術，又能為人與設備提供無線接入的解決路徑。

（一）MIMO技術

該技術通過在發射機、接收機端同時設置多個天線，增加比基站同時服務于相同時頻塊所對應用戶天線數量更多的基站天線數量，以提升無線鏈路頻譜傳輸效率。與此同時，各個用戶信號所對應的預編碼處理將同時減少至共軛波束簡單賦形。通過時分雙工的方式解決發射機獲取信道信號的問題，上下行頻段保持相同。用戶通過在上行發送正交導頻的方式以估計上行信道，用于下行共軛波束賦形。考慮到受導頻傳輸資源的限制，上行導頻傳輸并非始終處于正交狀態，必然增大信道估計誤差，引發導頻污染?；緜忍炀€有效布設對無線天線技術提出了較高要求，信道具有十分顯著的互易性特征，但是發送和接收路徑卻不具備這種特征，必須加強天線校準。而MIMO技術需要同時服務于多用戶以達到高頻譜效率，故其不會引起單個用戶峰值速率的顯著增大。

（二）SDN和ICN技術

SDN屬于分離數據平面和控制平面后直接進行控制平面編程的新型網絡架構，該架構能有效解決數據中心彈性計算和高動態網絡存儲方面的高要求。SDN架構在數據中心網絡中具有明顯優勢，而對于數據中心以外的虛擬專用網絡的創建，要求提升光鏈路動態配置性能。5G通信系統中的SDN能完全超出無線網絡政策框架傳輸資源方面的制約，借助服務連接轉發平面功能應用于SDN分組核心網，并同時具備無線控制功能。

在SDN網絡架構上所出現的NFV技術進一步使其網絡功能虛擬化，并能運行于共享使用現成數據中心計算機基礎設施的虛擬機管理程序中，NFV技術目前已經在4G通信系統中得到了廣泛應用，在5G通信系統中必將具有廣闊的應用前景，5G通信系統借助NFV技術基礎以及核心網中虛擬化的無線網絡功能設計，保證應用數據處理質量和效率。

ICN技術基于網絡行為模式應當是請求信息和獲取信息的假設，使當前的網絡從位置中心體系架構演進至信息中心架構。ICN技術依托未來互聯網技術的演進優勢，尤其是對全新通信模式的接納，使得系統控制的重點轉向信息發布，而非端點間數據包傳輸。這就要求互聯網必須重新審視應用模型的要求，突出可擴展的內容分發、安全性和移動性。為促進網絡、存儲和計算過程的有機融合，必須將SDN和ICN技術架構的優勢綜合起來，達到對網絡資源的快速計算和存儲，增強整個信息處理過程的可控制性。

（三）上下文感知

結合理論和實踐，信息的上下文感知對網絡約束的適應及運營商測量框架等方面有較高要求，而網絡無法提供對于眾多設備均適用的資源，也無法高效感知上下文信息。與此同時，向網絡和設備賦予上下文感知功能后能大大提升用戶體驗，并能拋開互聯網檢索信息后通過網絡向用戶提供及時、高度相關的信息。網絡和設備主要通過歷史使用模式、位置、用戶偏好等上下文感知能力提升用戶體驗，這種能力能保證通過網絡向用戶提供及時性和相關性均最優的信息，并能有效省去互聯網檢索的環節，盡可能過濾掉無關信息。上下文感知過程中所需要的信息主要通過網絡數據庫、網絡監視器、分析平臺、設備、網絡元件等實施收集，在這一過程中體現出安全可靠、成本、功耗等優良的服務屬性，進而將訪問服務屬性映射至5G通信系統。

上下文感知服務由主動上下文感知、被動上下文感知及個性化等方面構成。其中的主動上下文感知具備上下文自動適應功能，并能自動觸發向用于提供具體服務的功能；被動上下文感知則能自動捕捉到用戶所提出、賦予或觸發的上下文信息；個性化主要為用戶提供符合個人偏好的上下文數據。目前，所存在的上下文感知分層架構雖然具有不同的應用領域，但是結構框架大同小異，均主要負責上下文信息的解釋，特定環境及對象上下文信息的收集，向應用程序提供接口。

（四）D2D通信

4G通信系統中D2D功能較為有限，主要用于通信安全及臨近檢測方面，而作為5G通信技術方面的應用，必須充分考慮多跳通信技術或組成技術高度集成回程/接入技術等方面的D2D通信。通過更加通用的D2D通信技術實現整個無線接入，當周圍的設備之間進行終端用戶數據傳輸的過程中，通過使用D2D通信能實現整體系統間更加高效的傳輸。通過該通信架構的應用能使超出設備中繼等常規設施的覆蓋范圍顯著擴大，并借助高速化的通信合作設備向多設備同時提供聯合傳輸/接收手段，開辟更為有效的通信溝通渠道。應用實踐證明，D2D通信架構屬于新型短距離蜂窩控制通信技術，其可為蜂窩控制下復用系統頻譜資源端至端通信提供終端保障，并比傳統的蜂窩網絡終端通信必須通過基站進行處理與轉發等過程具有更高的信息吞吐量，同時還能使瞬時數據傳輸速率、系統頻譜效率等顯著提升，終端發射功率明顯下降?？紤]到端對端的直接通信系統必須基于蜂窩系統頻譜資源復用，故D2D架構和蜂窩通信鏈路之間必將出現沖突和同頻率干擾，應當從D2D用戶功率及無線資源管理等角度進行防蜂窩網絡干擾技術的探索。

D2D通信分為帶內和帶外兩種形式。其中帶內D2D通信主要出現在同時被蜂窩鏈路和D2D使用的授權頻譜中，根據相關研究，未經授權的頻譜干擾具備較大的管理難度，并對服務質量配置有較大制約。帶內D2D又分為重疊和襯底兩種通信形式，襯底形式下無線資源同時被蜂窩鏈路與D2D通信共享，而在重疊形式下蜂窩鏈路專用資源通過D2D形式得出。帶外D2D通信形式屬于未被授權的頻譜，其應用的動機主要在于通過額外接口將蜂窩鏈路和D2D之間干擾徹底消除。

國際電信聯盟于2012年便開始啟動5G標準化，按照3G和4G的命名規則，該組織將5G命名為IMT-2020，通過對市場潛在需求及頻譜技術未來發展動向的分析，進行5G通信系統整體架構規劃及預期通信能力的預估。明確5G技術發展趨勢及帶寬、用戶體驗、終端、頻譜效率等方面的網絡關注重點，以明確5G技術所應具備的能力，并在此基礎上進行5G技術的驗證及標準化處理。當前國際電信聯盟已經通過發布相關報告明確定義出5G通信愿景及關鍵能力，將該通信技術的應用場景定位在移動寬帶性能增強、機器間大規模通信、低時延高可靠通信等方面。國際電信聯盟所定義的5G通信技術核心能力指標包括流量密度、連接數、延時、能效、移動性、頻譜效率及用戶體驗速率、峰值速率等方面。在此基礎上，國際標準化組織也提出5G演進計劃，眾多國家相關組織紛紛參與5G通信標準化進程，對5G通信技術性能指標、場景、應用目標及挑戰等展開系統性研究。全球運營商NGMN、WWRF等均已完成5G關鍵技術及市場需求白皮書，通過闡述5G通信技術要點以在運營商中形成標準化的技術應用模式。

綜上所述，5G通信技術初步標準化已經在2020年完成，針對低時延高可靠通信、機器間大規模通信、移動寬帶增強等應用場景，5G通信系統可實現10Tbps/km2的流量密度、1ms的超低時延、1Mbps/km2的海量數據連接、100倍的能耗降低幅度。為支撐以上5G通信系統核心能力的實現，必須進行相應網絡及無線接入技術的進一步深入研究與探索，真正實現5G通信系統網絡容量提升，能耗降低，通信和計算技術的有效融合。

作者單位：山西信息規劃設計院有限公司