5G标准进展及关键技术

吕邦国，杨健，于涛（吉林吉大通信设计院股份有限公司，长春 130012）

5G标准进展及关键技术

吕邦国，杨健，于涛
（吉林吉大通信设计院股份有限公司，长春 130012）

本文简要说明了5G标准的全球活动以及目前5G的愿景和需求，针对5G的需求从提高系统频谱效率、提高系统带宽和增加站址密度3个方面入手，详细的介绍了各条脉络的发展历程和目前的备选技术，并分析了技术的适用场景和使用时的注意点。

5G标准；高频段频谱；异构网

1　5G全球活动

世界各国都在积极的研发5G技术，其中比较重要的5G标准组织有METIS（欧盟）、5GPPP（欧盟）、5G Forum（韩国）、NGMN（英国）和IMT-2020（中国）。而中国也没有落下研究5G技术的脚步。早在2013年2月，中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部就联合推动成立了IMT-2020推进组，成员包括中国主要高校、研究机构、运营商和制造商，集中力量研究5G技术。

与4G类似，5G的标准化组织也有ITU和3GPP两个。其中ITU是联合国下的一个重要机构，目标是推动5G技术发展，平衡各国利益关系，制定5G的相关国际标准；3GPP是全球电信产业的联盟，其目标是根据ITU的相关标准和要求，制定详细的技术规范与产业标准，规范产业的行为，确保5G技术的产业化。

ITU日前已经确定了5G的时间表：截止到2015年底，完成5G宏观描述； 2016～2017年底，技术准备；2017年底～2020年底，收集候选技术。计划在2020年底正式发布5G标准。

在ITU-R WP5D#19会议上，各国家/公司提出了自己研究的5G需求。其中我国提出的愿景和需求引起了非常广泛的关注，也成为了ITU最终确定5G需求的重要依据。我国提出的愿景为“信息随心至，万物触手及”，需求包括了六大技术指标和三大效率指标，汇集成了一朵鲜花的形状，如图1所示。

ITU最终发布的愿景包含了8个关键能力，如表1所示。

2　5G愿景

5G愿景和能力主要是移动互联网+物联网激发的。满足这些关键能力，通常有3条途径：提高系统的频谱效率、提高系统的带宽和增加站址密度。

2.1提高系统的频谱效率

移动通信人一直在致力于提高系统的频谱效率，2G时代，获利于模拟到数字的技术革命，频谱效率相对于模拟通信提升了近10倍。但是随着数字技术的不断发展，谱效率的提升难度越来越大，LTE的频谱效率相对于HSPA+提升的就已经非常少了。想要进一步提升频谱效率，可以从物理层手段、MIMO技术、干扰控制技术3个方面入手。

图1　中国5G愿景

表1　ITU 5G关键能力

2.1.1物理层手段

无论是多址技术（GMSK/CDMA/OFDMA）、调制技术（QPSK/ 16QAM/64QAM）、编码技术（卷积码/ Turbo码）、数据压缩技术（话音图像压缩/分组头压缩）、双工技术（时分/频分）等，目前技术均已接近香农极限，物理层可挖掘的空间不大。目前学术界从物理层的各个方面都有一定的突破，有希望的技术包括非正交传输、Filtered OFDM、Polar Codes、全双工等。然而，需要承认的是，这些技术所带来的复杂度和功耗是巨大的，而增益却并不是那么可观。

2.1.2MIMO技术

MIMO技术将传统的时/频/码三维扩展为了时/频/码/空四维，新增的纬度为频谱效率的提升带来了广大的可能。目前已经广泛使用的MIMO为2×2 MIMO，并且可以2用户进行MU-MIMO。未来MIMO技术的演进方向是向着更多的层数、更多的用户数发展，最终形成网状的MIMO，也就是海量的多天线多用户MIMO。但是MIMO技术受限于天线能力和芯片处理能力，成本太高，同时，随着天线数的增加，空间相关性提高，性能也会随之下降。

2.1.3干扰控制技术

干扰控制的原理是通过信息交互，多基站协同工作，降低干扰。但是随着干扰控制要求的增加，需要交换的信息增多，开销会增大。同时，干扰控制的性能还受限于交互时延，这也是目前比较难解决的一个问题。2.2 提高系统的带宽

图2　频谱资源情况

频谱资源是非常紧张的战略资源，根据目前的频谱情况，如图2所示，提高系统带宽有两种思路：充分利用现有频谱，提高现有频谱的使用效率；使用更高的频谱，研究其使用的可能性和方案。

2.2.1充分利用现有频谱

学者通过监测发现目前已经获得授权的无线频谱资源使用率是非常低的，平均利用率为15%～85%，有些频谱只在部分区域使用，有些频谱只在部分时间使用，有些频谱甚至已经空闲未被使用。在频谱资源如此宝贵的今天，如何更加合理的使用已经授权的“频谱空洞”成为了学者思考的问题，而这些已经授权的频谱所占用的频谱资源多为低频段，有非常好的传播特性，而且产业成熟度高，设备实现容易，充分使用此类频谱会带来可观的经济效益。沿着这个思路，目前有两大技术成为了热点：频谱重耕和智能频谱利用。

2.2.1.1频谱重耕

频谱重耕是指一些频谱由于某些原因，可以被释放出来，重新开发使用此类频谱的技术。目前最主流的重耕频谱为白频谱和2G频谱。

随着数字化的发展，电视已经全面的从模拟转换成了数字，由于数字化使用的物理层技术效率更高，因此所需要的带宽降低，部分频谱空闲，这部分频谱被称为“数字红利”或者“白频谱”。此段频谱集中在470～790 MHz，非常适合无线通信。

随着新技术的发展演进，2G通信也逐渐成为了落后的技术，目前2G占用900 MHz和1 800 MHz的频段，如果将用户从2G迁移到4G或更新的通信制式上来，则2G频谱可以被重耕。

频谱重耕是非常简单可靠的方案，但最大的难点在于政策风险，因此此方案需要各方不断的推进和共同的努力。

2.2.1.2智能频谱利用（认知无线电）

对于频谱利用率低，但并不能完全释放的频谱，可以采取智能的频谱使用方案，多个系统时分、空分等复用频谱，而不是由一个系统独占频谱。对于后来加入的系统，需要具有智能频谱识别功能，当发现频谱空闲时，启动系统，当预测到频谱要被使用时，关闭系统，以保证原有系统的可靠工作。

认知无线电技术最大的问题在于安全性和可靠性。后加入系统对原系统的监测很可能失败，会造成安全隐患，此外，监测设备的复杂度也是需要考虑的一个问题。

2.2.2使用更高的频谱

目前移动通信频段主要集中在3 GHz以下，想要获取更多更大带宽的频谱资源，需要开发更高的频谱，目前学者研究的重点频谱在6～15 GHz频谱、60 GHz频谱等。

2.2.2.16～15 GHz频谱

6～15 GHz频谱资源目前通常用于固定无线通信，分配情况如图3所示。

图3　6～15 GHz频谱资源

从图中可以看出，6～15 GHz的频谱资源非常丰富。但此部分频段的传播特性较2 GHz要差不少，室内站点的损耗情况如表2、3所示，在多阻挡场景下高频段使用仍然受限。

表2　室内站点穿墙损耗

表3　室内站点跨层损耗　

因此，此频段应用时应考虑充分与低频段进行优势互补，一个提供容量和热点，另一个提供基础的覆盖。

2.2.2.260 GHz频谱

60 GHz主要用于军方卫星间保密通信，目前全球的可用资源共有4个频段9 GHz，如图4所示。

图4　全球60 GHz频段

相比于6～15 GHz， 60 GHz频段的传播特性更差，工作距离小于10 m，并且无法穿墙，还受天气影响大。60 GHz的使用场景有限，技术问题和使用问题都需要进一步探讨。

2.3增加站址密度

使用小站可以有效的提高系统的传输速率，进而提高系统容量，如图5所示。

此外，未来容量需求更多发生在室内场景，因此密集部署的立体分层网络和各种灵活的组网形式将成为未来的趋势。这里的主要技术包括异构网和D2D通信。

2.3.1异构网

传统的网络结构均为相同无线传输制式、统一基站类型的同构网络。网络结构的优点在于：拓扑结构规则能提供相同的覆盖、相似的服务。但是，随着用户的数量不断增多，以及带宽需求的增加，同构网络也会面临瓶颈，不能满足高容量和高覆盖的要求。这就要求网络向立体分层的异构网络转变。

异构网络由不同类型、不同大小的小区构成，其宏蜂窝覆盖小区中可以放置如微蜂窝、皮蜂窝、飞蜂窝等低功率节点。此外，异构网的传输制式和频段使用也可以是差异化的。目前异构网络已经具备一定的产业基础。在现网中，也已经出现了一些简单的异构网络部署，实测效果比同构网络有了显著的改善。

当然，相对复杂的异构网络拓扑也存在一些缺点。在网络部署越来越密集的情况下，小区之间的干扰将会制约系统容量的增长。因此，如何进行干扰消除、如何快速发现小区、如何协调密集小区之间的协作、如何基于终端的不同能力提升移动性增强方案，都是异构网络研究需要解决的重点问题。

2.3.2D2D通信

传统的网络形态通信双方的信息交互需要经过各自的基站设备，通过核心网络进行互联互通。但是在海量用户和海量的数据需求下，基站设备和核心网络的压力过大。为了降低网络压力，提出了D2D通信，通信双方无需通过网络，而是直接进行信息沟通，或者是通过中继设备（包括其他用户、小站等）进行信息沟通。

D2D通信距离短，信道条件较好，因此其速率快、时延短、功耗低。D2D通信的中继设备非常的丰富，分布均匀，因此其覆盖好，并且通信可选路径多，网络连接更灵活，网络可靠性强。

图5　使用小站可以有效的提高系统的传输速率

同样的，D2D通信中仍存在一些需要业界继续思考和探索的问题。需要考虑怎样进行合法的监听，以确保信息安全。怎样保证用户的信息安全，隐私不被侵犯，并激励用户把自已的终端用作中继终端。由于涉及到海量数据中继和传输，用户终端的电池电量消耗也势必会增加，如何控制也是一个值得研究的问题。

3　总结

在移动互联网+物联网的浪潮下，人们对移动通信的需求激增，5G技术成为了目前的研究热点。本文梳理了5G技术的脉络，整理了各个脉络的最新技术发展方向，并分析了技术的适用场景和使用时的注意点。5G技术还需要进一步的跟进，并需要引起更多人的思考和重视。

［1］ 闫丽生. 5G系统技术标准与进展［J］. 电信工程技术与标准化， 2015（4）.

Brief introduction of 5G standard development and key technology

LV Bang-guo， YANG Jian， YU Tao
（Jilin Jlu Communication Design Institute Co.， Ltd.， Changchun 130012， China）

This paper briefl y introduces 5G standard global technology activities， current visions and needs. Then it discusses 5G's technology from three aspects: how to improve system's spectrum efficiency， how to increase the system band width， how to increase site density. For each aspect， the technology's development history， current alternative technologies， technologies' applicable scenarios and tips for implementation are elaborated.

5G standard； high frequency spectrum； heterogeneous network

TN929.5

A

1008-5599（2016）08-0039-05

2016-02-16