5G关键技术及其对4G的影响研究

卢晓文（中国普天信息产业股份有限公司，北京100080）

1 概述

随着无线通信技术的高速发展，无线应用越来越丰富，带动了无线数据业务迅速增长。据预测，未来10年间，数据业务将以每年1.6～2倍的速率增长，这将给无线接入网带来巨大的挑战。为了适应业务增长的需要，移动通信技术也加速了升级换代，5G 技术的研究已经提上日程。

未来的移动互联网中，超高清、3D 和浸入式视频的流行将会驱动数据速率需求大幅提升。无论是在体育场、露天集会、演唱会等高话务场景，还是在高铁、车载、地铁等高速移动环境下，人们都希望获得一致的业务体验。同时，物联网正在快速发展，物联网业务类型丰富多样，业务特征也差异巨大。在不同的物联网应用中，不仅需要支持海量设备连接和大量小数据包频发；也需要保证传输速率或者毫秒级的时延和接近100%的可靠性。同时物联网要求移动通信网络进一步增强覆盖能力。除此之外，5G 需要提供更高和更多层次的安全机制，并能够支持更低功耗，以实现更加绿色环保的移动通信网络，并大幅提升终端电池续航时间。

为了达到这些目标，5G 定义了不同于4G 的新的性能指标。本文以5G的性能指标要求为基础，研究了达到该指标要求的关键技术的应用，并针对5G混合网络的特点，提出如何在4G 网络建设中综合考虑5G 技术应用的方案，从而更好地适应未来5G网络，实现4G到5G的平滑升级，降低网络升级的成本和改造难度。

2 5G 性能指标

移动互联网和物联网的业务需求以及对于安全机制及设备性能的要求，使得4G技术远远不能满足新形势下基于业务、用户需求以及应用场景的要求。特别是在用户体验速率、连接数目、流量密度、时延等方面。因此5G 需要定义不同于4G 的新的性能指标，包括增强现实、虚拟现实、超高清视频、云存储、车联网、智能家居、OTT 消息等在内的5G 典型业务，以及预计的用户分布、各类业务占比及速率、时延等要求。5G关键性能指标主要包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和用户峰值速率等。具体的性能指标见表1。

表1 5G性能指标要求

综上所述，5G 将满足2020 年及未来超千倍的移动数据增长需求，为用户提供光纤般的接入速率、“零”时延的使用体验、千亿设备的连接能力、超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的优质服务，业务及用户感知得到很好的优化。

3 5G 关键技术

5G为了满足其定义的指标要求，需要加快相关关键技术的研究和应用。

3.1 高级M IM O 技术

MIMO是应对无线数据业务爆发式增长挑战的关键技术，目前4G仅仅支持最大8端口MIMO技术，还有较大的潜力进一步地大幅提升系统容量。

MIMO 的演进主要围绕着以下几个目标：更大的波束赋形/预编码增益；更多的空间复用层数（MU/SU）及更小的层间干扰；更全面的覆盖；更小的站点间干扰。Massive MIMO 和3D MIMO 是MIMO 演进的最主要的2种候选技术。Massive MIMO的主要特征是天线数目的大量增加，3D MIMO将波束赋型从原来的水平维度扩展到了垂直维度，对这一维度的信道信息加以有效利用，可以有效地抑制小区间同频用户的干扰，从而提升边缘用户的性能乃至整个小区的平均吞吐量。虽然这2 种研究侧重点不一样，但在实际的场景中往往会结合使用，在3GPP 中称之为全维度MIMO（FDMIMO）。

仿真结果表明，相对于4G系统中2天线的基站系统，采用32 个天线端口的FD-MIMO 系统可以取得2～3.6倍的小区平均速率增益和1.5～5倍的小区边缘速率增益。

3.2 高级多址技术

移动通信从1G 发展到4G，多址方式都是正交或者准正交的方式。多址方式也是向着提高频谱效率的方向发展。特别是非正交多址（NOMA）方式，用户的数据在同样的时频资源上并行发送，利用串行干扰消除（SIC）技术分别将用户的数据解调出来。除了传统的基于SIC 的NOMA 技术之外，还有其他的改进型的NOMA 技术。如模式划分多址技术（PDMA）、稀疏码多址技术（SCMA）等。以PDMA多址技术为例，其允许不同用户在功率域、空域、码域的重叠以提高频谱效率。不同用户的区分通过用户的模式进行区分。在不同的功率域、空域、码域利用不同的用户特征模式来识别不同的用户。

3.3 同时同频全双工技术

同时同频全双工技术就是在相同的频谱上，近端设备或远端设备同时发射、同时接收电磁波信号，利用干扰消除技术消除来自于发送天线的干扰信号，实现同时同频全双工通信。与当前传统的TDD 和FDD 传输模式相比，可用的频谱资源增加1倍。

实现同时同频全双工，需要依靠多级干扰自消除技术，而且对器件的要求很高。

3.4 高级多载波技术

OFDM 已经是主流无线通信如LTE 和Wi-Fi 所采用的信号形式，它可以采用简单自然的方式克服频率选择性衰落；通过简单的频域均衡方法即可与MIMO结合，但是频率偏移校正和同步对OFDM 至关重要。同时，OFDM 由于具有较高的峰均比（PAPR），限制了其在上行的应用。

5G 提出了不同应用场景使用不同波形的技术即通用多载波频分复用技术（GMFDM），另外还有一些备选的多载波技术，如基于滤波器组的多载波（FBMC——Filter-Bank Multi-Carrier）、通用的滤波多载波（UFMC——Universal Filtered Multi-Carrier）等。这些多载波技术，对物理频谱的利用效率更高，从而更适用于频谱共享的应用场景，并且对于时间同步的依赖性（主要用于保证各个子载波之间相互正交，以减小子载波间干扰）要比传统OFDM技术低，从而可以大大地改善上行信道传输的性能。正因为不再需要进行严格的时间同步，可减小甚至消除这部分的处理时延，进而减小整个上行链路的接入时延。

3.5 高级调制编码技术

目前基于比特交织编码调制（BICM）的MIMOOFDM 技术已经成为4G 的核心技术之一。为了更高效地利用有限的通信资源来实现高吞吐率、高频谱效率和高服务质量的无线传输，5G时代需要更高频谱效率的调制编码技术。

5G备选的调制编码技术主要利用FSK和QAM相结合设计信号，使得星座点成倍增加，同时可以改变干扰的统计分布以达到对干扰进行设计的目的。以其中的一种波分编码传输技术（OVTDM）为例，其基本思想是通过使用1 组不同的波形来表达不同的信息，它是利用符号的数据加权移位重叠产生编码约束关系，使编码输出自然呈现与信道匹配的复高斯分布，不需要调制映射。目前的仿真结果表明，采用OVTDM 可大幅提高频谱效率并降低对信噪比的要求，具有分集增益，而且对HPA 的线性度要求很低，甚至可以工作在饱和状态。

4 5G 技术对4G 网络建设的影响

5G 网络是一个多网络、多频段、多制式的混合网络，特别是网络侧将实现网络虚拟化功能。一方面4G与5G必然会长期共存，另一方面4G可能会是5G网络的重要子集，实现宏网络覆盖的功能。因此，为了能够更好地适应未来5G 网络，实现4G 到5G 的平滑升级，降低网络升级的成本和改造难度，在4G建设中有必要适当考虑未来5G的技术要求。

4.1 C-R A N技术的应用

对于5G的网络架构设想包括2个方面：接入网采用异构接入混合组网方式和转发面扁平化；业务数据流从接入侧就近转发。该架构突出了控制的集中化和无线接入网的集中化。因此，传统的BBU+RRU，各个站点相对独立的接入核心网的方式已经不能适应未来5G 的发展。未来升级5G 会面临较高的升级改造成本。

为实现集中化的控制，一方面是接入网的集中化，一方面是资源管理的集中化。当前4G网络建设部署，应重点考虑C-RAN（见图1）的建设。并加强C-RAN通信接口的标准化和开放化。

图1 C-RAN架构分布式无线网络组网结构图

4.2 密集站点布局

5G网络为了提高用户体验速率和流量密度，网络密度会非常高。站点建设方式可能不限于运营商建设，社会其他组织、甚至个人都可以参与到网络建设中来。因此在目前的4G 网络建设时有必要为这些新的需求预留足够的资源和接口。目前已经成立国家铁塔公司，以租代建、共建共享等新的建站模式正在逐步推动，为站点密集建设的实现提供了良好的契机和发展方向。

4.3 多频段混合组网

5G网络的目标是建设一个多频段的网络，不同的频段完成不同的功能。4G 网络也可能成为其中的一个子集，完成宏网络的功能。4G网络并不需要提供超高速率，因此其定位目标并不需要满足5G 的需求，可能只是提供控制功能。类似于以往2G的分层网络，采用4G 网络实现广覆盖，5G 网络实现热点及高话务区域等覆盖。目前各家运营商都已经开始尝试混合组网。中国电信、中国联通已经实现了FDD+TDD 混合组网的方式，实现FDD 为主、TDD 完成热点覆盖的混合组网，中国移动也提出申请FDD牌照。4G混合组网方案的实施都将为5G 网络的建设和运营积累宝贵的经验，并在保护4G 投资、降低升级成本等方面提供有力的支持。

5 结束语

本文在研究5G性能指标要求的基础上，比较了目前5G的各种关键技术，并针对5G混合网络的特点，提出了如何在4G网络建设中综合考虑5G技术应用的方案，为以后4G 网络建设中如何更好地适应技术发展、较好地保护投资和降低网络升级成本提供了一个新的方向。

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