第5代移动通信技术及发展趋势

董爱先，王学军

(解放军91635部队，北京102249)

0 引言

随着信息和网络技术的快速发展，无线移动通信网络的数据流量正以每年接近100%的速度增长，预计未来10年，无线网络的数据流量将增加1 000倍，联网设备将高达500亿台(部)，新兴智能业务将层出不穷，迫切需要更加高速、更加高效、更加智能化的新一代无线移动通信技术来支撑。因此，在全球第4代移动通信(4G)网络的部署方兴未艾之时，第5代移动通信技术(5G，fifth－generation)的研发已拉开大幕［1］，成为整个学术界和信息产业界最热门的课题之一，掀起全球移动通信领域新一轮的技术竞争。5G是继4G之后，为了满足智能终端的快速普及和移动互联网的高速发展而正在研发的新一代移动通信技术，是面向2020年以后人类信息社会需求的第5代移动通信网络。

1 5G概念及应用场景

由于5G技术过于新颖，学术界和产业界还没有对其进行定义;相关诸如国际电信联盟(ITU)等国际通信标准机构及全球3GPP、WiMAX等移动通信论坛也没有给出正式的技术定义，使得5G技术至今还没有一个清晰的概念。

目前，国内外专家学者沿用传统的对移动通信技术的划代方式，对5G进行初步定义。常见的说法是，5G就是传输速率达到10 Gb/s的下一代移动通信技术［2］，美国著名的《时代》杂志，在报道5G时也沿用这种说法。

欧盟关于5G技术研发的“构建2020年信息社会的无线移动通信领域关键技术”(METIS)项目总体负责人，兼爱立信全球研究院大师级研究员Afif Osseriran指出［2］，5G是通过现有无线技术演进和开发补充性的新技术来构建长期的网络社会;通过集成多种无线接入技术提供极限体验来满足用户不同的需求，是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术集成后的解决方案总称，是一个真正意义上的融合网络。5G是以用户体验为中心，而不是传统的以技术为中心的新型智能化自主网络。欧盟METIS项目描绘的5G目标是［2］，使数据流量增长1 000倍;用户数据速率提升100倍，速率提升至10 Gb/s以上;入网设备数量增加100倍;低功率设备的电池续航时间增加10倍;端到端时延缩短5倍。在频率分配上，从2～6 GHz的频段中选取2G频谱供5G使用，同时选择超高频段的频谱用于室内覆盖的场景;所有功能以低成本和可持续发展的方式完成。5G关键目的是用来构建网络社会，除了要满足超高速的传输需求外，还需要满足超高容量、超可靠性、随时随地接入等要求。

韩国信息技术融合研究所认为，未来5G技术需同时达到“无线传输容量大、低功率化、万物互联”等三大条件，并以此作为韩国5G技术发展的主要目标。

我国863计划5G专家组组长尤肖虎认为，5G应该具有超高的频谱利用率和超低的功耗，将与3G、4G无线移动通信技术密切融合，构成新一代无所不在的移动信息网络，满足未来10年移动互联网流量增加1 000倍的发展需求。

华为公司技术专家表示，5G是在4G技术的基础上，在吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面进一步提升通信系统的性能。

综合上述各方对5G的描述，笔者认为，5G应是一个继第4代移动通信技术之后、面向2020年以后人类信息社会需求的新一代移动通信系统，是一个通过技术演进和创新，综合集成多业务多技术的融合网络，能满足未来各种业务快速发展的需求，极大地提升用户体验。

目前，国际电信联盟 (ITU)下属的无线电通信部门正在起草关于2020年移动通信的愿景和技术两个文件，将对5G技术形成一个基本的全球共识。业界预测，5G标准化的正式进程将在2015～2016年间在ITU－RWRC－15上正式启动。

根据METIS的研究，5G技术的未来应用场景主要有［3］:一是超高速传输，为未来移动宽带用户提供超高速数据网络接入;二是超大规模的用户，为人口高密度地区或场合提供高质量移动宽带服务;三是永远在线，随时随地最佳应用，确保用户在移动状态仍享有高品质服务;四是超可靠的实时连接，确保新应用和用户在时延和可靠性方面符合安全标准;五是无处不在的物物通信，确保高效处理多样化的大规模设备通信，包括机器类设备和传感器联接等。在具体应用方面主要有［4］:机器间通信，如车联网，对车辆自动定位、导航，甚至有自动驾驶功能;人机交互类型，如自动生物识别、带传感器的远程医疗;人与人交互类型，如高速多媒体通信，终端有投影功能，能显示3D图像。

2 5G技术特征

对于5G的未来愿景和应用，学术界和产业界都进行了相关描述，从这些描述中可以总结出人们对未来5G的技术需求，相对于传统的移动通信网络，5G应具有如下的基本特征［5］。

2.1 数据流量增长1 000倍

业界预测10年后，全球移动数据流量将达到2010年的1 000倍。因此，5G的单位面积的吞吐量能力，特别是忙时吞吐量能力也要求提升1000倍，至少达到100 Gb/s/km2以上。

2.2 联网设备数目扩大100倍

随着物联网和智能终端的快速发展，预计2020年后，联网的设备数目将达到500～1000亿部(个)。未来的5G网络单位覆盖面积内支持的设备数目将大大增加，相对于目前的4G网络将增长100倍，一些特殊应用，单位面积内通过5G联网的设备数目将达到100万/km2。

2.3 峰值速率至少10 Gb/s

面向2020年的5G网络，相对于4G网络的峰值速率，其峰值速率需要提升 10倍，即达到10 Gb/s，特殊场景下，用户的单链路速率要求达到10 Gb/s。

2.4 用户可获得速率达到10 M b/s，特殊用户需求达到100 M b/s

未来5G网络，在绝大多数的条件下，任何用户一般都能够获得10 Mb/s以上的速率，对于诸如急救车内高清医疗图像传输服务等特殊需求用户和业务，获得速率将高达100 Mb/s。

2.5 时延短和可靠性高

2020年的5G网络，要满足用户随时随地的在线体验服务，并满足诸如应急通信、工业信息系统等更多高价值场景需求。因此，要求进一步降低用户时延和控制时延，相对于4G网络要缩短5～10倍。对于关系人类生命、重大财产安全的业务，端到端服务可靠性需提升到99.999%以上。

2.6 频谱利用率高

由于5G网络的用户规模大、业务量大、流量高，对频率的需求量大，要通过演进及频率倍增或压缩等创新技术的应用，提升频率利用率。相对于4G网络，5G的平均频谱效率需要5～10倍的提升，解决大流量带来的频谱资源短缺问题。

2.7 网络耗能低

绿色低碳、节省能源是未来通信技术的发展趋势，未来的5G网络，要利用端到端的节能设计，使网络综合能耗效率提高1 000倍，满足1 000倍流量要求，但能耗与现有网络相当的水平。

3 5G关键技术

目前，关于5G的关键技术仍处于研究和发展阶段，但业界和学术界认为，5G的关键技术应该包括如下几个方面［6］:一是5G无线网络构架与关键技术。5G的核心技术是异构网的融合，相较于之前的3G、4G移动通信技术，需要考虑的是多技术的融合与多业务的应用。因此，5G的网络构架更加复杂，需要对支持高速移动互联的新型网络架构、高密度新型分布式协作与自组织组网、异构系统无线资源联合调配技术等进行研究。二是5G无线传输关键技术。5G融合了传统的移动通信技术，速率要求达到10 Gb/s以上。因此，要想在现有4G技术基础上提高速率，必须研发新型的无线传输技术，尤其是需要突破大规模业务所涉及的技术瓶颈，包括大规模协作配置情况下的无线传输、阵列天线、低功率可配置射频等新型关键技术。另外，也要关注新型信号处理技术，如:更先进的干扰消除信号处理技术;新型多载波技术;协同无线通信技术，例如:小基站(Small Cell)的优化技术等。三是5G移动通信系统总体技术。5G网络的数据流量大，有关5G业务应用技术、商业发展模式、用户体验模式、网络演进技术、空间接口技术、面向5G频谱应用的信号传播技术、测量与建模等技术也都是重要研究方向。另外，新型多天线技术，例如:有源天线阵列、三维波束赋形、大规模天线等。新的频谱使用方式，例如:TDD/FDD的融合使用;实现频谱共享的认知无线电技术等。高频段的使用，例如:6 GHz以上高频段通信技术等，也要多加关注。四是5G移动通信测试验证技术。通信技术进步和发展离不开通信测试技术进步，5G网络相对于4G而言，是一个新兴的技术，对其进行测试的参数、精度、方式等也都发生了变化。因此，要研究5G移动通信网络的评估与测试技术，建立仿真测试评估平台和传输技术仿真测试评估平台。下面对业界目前十分关注的5G关键技术进行简要介绍［5，7］。

3.1 高频段传输技术

目前的移动通信系统工作频段主要在3 GHz以下，随着用户的增加，使得频谱资源十分拥挤，而在高频段，如毫米波频率范围为26.5～300 GHz，带宽高达273.5 GHz，超过从直流到微波全部带宽的10倍。与微波相比毫米波元器件的尺寸要小得多，毫米波系统更容易小型化，可以实现极高速短距离通信，支持5G容量和传输速率等方面的需求。韩国在28 GHz频段，利用64根天线，采用自适应波束赋形技术，在2公里的距离内实现了1 Gb/s的峰值下载速率。

3.2 新型多天线传输技术

多天线技术经历了从无源到有源，从二维(2D)到三维(3D)，从高阶多输入多输出(MIMO)到大规模阵列的发展，能将频谱利用率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术重要的研究方向之一。引入有源天线阵列，基站可支持128个协作天线。将2D天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3DMIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，加上毫米波技术优势，将进一步改善无线信号的覆盖性能。目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、用户空分多址(SDMA)、码本及反馈机制等技术问题进行研究，实现绿色节能和提升覆盖能力。

3.3 同时同频全双工技术

同时同频全双工技术被认为一项有效提高频谱效率的技术，该技术是在同一个物理信道上实现两个方向信号的传输，即通过在通信双工节点的接收机处消除自身发射机信号的干扰，在发射机信号同时，接收来自另一节点的同频信号。对比传统的时分双工(TDD)和频分双工(FDD)而言，同时同频全双工可以将频谱效率提高一倍。同时，全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制，使得频谱资源的使用更加灵活。因此，该技术可有效解决5G对频谱的需求。然而，全双工技术需要具备极高的干扰消除能力，这对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时，还存在着邻小区同频干扰问题。

3.4 设备间直接通信技术(D2D)

传统的移动通信系统组网方式，是以基站为中心实现小区覆盖，中继站及基站不能移动，网络结构的灵活度有限制。未来5G网络，数据流量大，用户规模大，传统的以基站为中心的业务组网方式，无法满足业务需求。D2D直接通信技术能够在没有基站的中转下，实现通信设备之间的直接通信，拓展了网络连接和接入方式。D2D技术是短距离直接通信，信道质量高，具有较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗;通过广泛分布的终端设备，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用;支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。目前，D2D正在发展更强的中继技术、多天线技术和联合编码技术等，提高通信效率和质量，将是5G采用的关键技术之一。

3.5 密集网络技术

5G是一个多元化、宽带化、综合化、智能化的网络，数据流量将是4G的1 000倍。要实现这个目标有两种技术:一是在宏基站处部署大规模天线来获取更高的室外空间增益，二是部署更多的密集网络来满足室内和室外的数据需求。针对未来5G网络的数据业务将主要分布在室内和热点地区，并且，在相对等的条件下，密集网络提升的信噪比增益不低于大规模天线带来的信噪比增益的特点，人们将超密集网络做为提高数据流量的关键技术进行研究。超密集网络缩短发送端和接收端的物理距离，从而提升终端用户的性能，改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并能对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。未来，面向高频段大宽带，将采用更加密集的网络方案，部署高达100个以上小小区/扇区。

3.6 新型网络架构技术

为了满足未来大规模、高容量的业务需求，未来的5G网络架构将具有扁平化、低时延、低成本、易维护特点。目前的业界主要集中在C－RAN和云架构的研究。

C－RAN是根据现有网络条件和技术进步的趋势，提出的新型无线接入网构架，是基于集中化处理(Centralized Processing)，协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算构架(Real－time Cloud Infrastructure)的绿色无线接入网构架(Clean system)。其本质是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。C－RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出，能满足未来5G网络的需求。

另外，基于云计算大规模协作的无线网络架构也是5G网络的架构选项［7］。云架构无线接入网络利用光纤分配网络连接云机房的基带处理单元(BBU)和室外的远端射频头(RRH)，可以通过BBU“云”方式减少基站机房数量，减少设备特别是空调的能耗;减少小区覆盖以及大规模天线协作，大幅提高射频功率效率;网络动态资源协同调度避免负载时段潮汐效应造成的大量发射功率浪费;集中化大规模协作，变小区间干扰为增益，大幅度提高频谱效率;软件定义无线电技术灵活支持多标准，降低运营成本。

3.7 智能化技术

5G的中心网络将是一个大型服务器组成的云计算平台，通过具有数据交换功能的路由器及交换机网络与基站相连，宏基站具有云计算和大数据存储功能，特别大或时效性强的数据将提交云计算中心网络处理，基站或终端的形态、数量多，不同的业务采用不同的频段 ，天线和连接方式多样。因此，需要具有智能配置、智能识别、自动模式切换的功能，实现智能自主组网，未来，智能化技术将是5G网络的关键技术之一。

4 5G技术面临的问题

全面满足2020年及以后信息社会对无线移动通信系统的需求，5G网络的发展面临着频率、运营和技术上的挑战。目前，在技术上还需要解决如下的问题:技术与系统融合、频谱效率和容量提升、物联网和业务灵活性、降低网络能耗、终端设备、产业生态这6 个方面［3］。

4.1 技术与系统融合问题

随着芯片技术的更新换代和智能终端的快速发展，无线移动通信业务和技术不断拓展和相互融合。未来的5G网络将是一个集成多业务、多技术的融合网络，是一个多层次覆盖的通信系统。要将多种接入技术、多种业务网络以及多层次覆盖的系统进行综合集成、有机融合，高效利用等，就目前技术而言，还有许多需要解决的问题。

4.2 频谱效率和容量问题

要实现5G网络数据流量大、用户规模大、数据速率高、永远在线的需求目标，必须研发扩展频率、提高容量和空间效率、提升系统覆盖层次和站点密度等各种通信技术。例如，超密集网络技术、多天线技术和多址技术、多输入多输出(MIMO)空间传输技术等新型通信技术，将成为未来5G技术的重要研究方向。新型传输技术的启用和组网方式的创新，将增加设备的复杂度和研发成本，对网络建设和运营维护带来重大挑战。

4.3 物联网和业务灵活性问题

物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，实现万物互联将是物联网的发展目标，未来5G技术将与物联网相互渗透，为人类提供更加广泛的智能服务。但物联网的应用还面临着系统容量、服务质量(QoS)、传输瓶颈、安全隐患等挑战。5G的用户应用更加广泛，业务范围和业务灵活性也将极大提升。在信息速率上，5G既要满足几十个小时甚至更长时间才突发一些小数据包的抄表业务，也要满足3D全息实时会议宽带业务。在延迟上，既要满足对延迟不敏感的下载，也要满足延迟5 ms以下的即时控制业务。就应用上，既要满足静止和低速需求，也要满足高铁、航空器等的高速和超高速应用。因此，要想制定统一的通信协议，满足业务灵活性，还面临诸多挑战。

4.4 网络能耗与成本降低问题

5G目标是提供1 000倍数据流量，并且运营成本和用户成本不能增加，这就意味网络总体能耗和整体成本基本不能提升。因此，5G网络的端到端比特能耗效率就要提升1 000倍，并且降低单位比特开销1 000倍，这对网络架构、空间传输、内容分发、交换路由、网络管理和优化等技术带来挑战。

4.5 终端设备问题

5G是一个多技术的集成网络，融合了目前2G、3G、4G的技术，并将启用和开发多种新兴技术。5G终端设备将支持5～10个甚至更多不同的无线通信技术，并且要支持1 Gb/s以上空间速率，待机时间达到现有的4～5倍。因此，要实现低成本多模终端的研发，对终端设备的芯片和工艺、射频技术以及器件、电池寿命等技术研发带来了挑战。

4.6 产业生态问题

传统的3G、4G通信系统是以网络运营商和技术为主体，未来5G网络是以用户体验和业务应用为主体，当前的网络架构、管控理念并不适用未来5G的产业生态结构和潜在的新兴运营模式。因此，需要发展诸如软件定义网络(SDN)新技术来满足未来业务应用需求，解决产业生态结构问题。

5 5G发展趋势

当前，全球关于5G的技术研究，还处于早期阶段，将来还要经过技术研究、标准化、外场试验等阶段，并最终实现商用部署。不过，尽管对于5G概念和技术仍在探讨，但对于5G标准融合的大方向，现在学术界和产业界基本形成了共识。在2G、3G时代，不同的通信协议标准之间存在较大的差异。而在4G时代，TD－LTE和LTE－FDD在核心网方面已拥有95%的相似性，在无线传输方面也有90%的相似性。面向2020年的5G时代，在频谱的使用上将更加高效和灵活，核心技术和系统架构将进一步融合，全球共用一套通信标准将成为5G技术的发展趋势。

6 结语

总之，5G是面向2020年信息社会需求的新一代移动通信系统，学术界和产业界正在对其概念和技术进行广泛探讨，尽管尚未形成统一的标准，但随着信息和网络技术的快速发展，5G的关键技术将取得实质性的突破，具有更广阔的应用前景，全面提升全球信息化程度和经济发展。

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