5G移动通信的关键技术及应用发展

周普成，郑 超

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京210019）

0 引 言

党的十九大报告提出了加强信息基础设施网络建设的重大部署要求。国家“十三五”规划纲要中明确提出“积极推进第五代移动通信（5G）和超宽带关键技术，启动5G商用”。为落实党和国家的重要战略，全球最大的LTE FDD运营商和全球最大的宽带运营商将积极与产业链各方开展广泛合作，致力于打造面向“中国制造2025”、“一带一路”、“互联网＋”等相关产业的通信服务新供给，创新商业模式和业态，有力促进产业融合创新和产业生态圈的繁荣发展，共建网络强国。

1 5G的简介

第五代移动通信技术（5G）作为新一代宽带无线移动通信网，将以全新的网络架构、提供相当于现有4G网络10倍的峰值速率、毫秒级的传输时延和强大的连接能力，开启物联网、智能交互的新时代。

5G将全面推动传统领域数字化、网络化和智能化升级，成为下一个万亿规模的战略新兴产业和经济增长新动力，创造大量就业机会。据IHS预测，到2035年，全球5G价值链将创造3．5万亿美元产出，2 200万个工作岗位，支持全球GDP长期可持续增长。据中国信息通信研究院测算，到2030年，5G价值链将产出6．3万亿元，贡献就业机会800万个。全球各国均把5G作为优先发展领域，强化产业布局，塑造竞争新优势。

2 5G的技术路线及特点

面对5G场景和技术需求，需要选择合适的无线网络演进策略和技术路线，以指导5G标准化及产业发展。综合考虑需求、技术发展趋势以及网络平滑演进等因素。

（1）无线网络演进策略

频率：综合考虑覆盖性能、建设成本、频段组合干扰规避和产业链成熟度等因素，采用3．4－3．5 GHz频段作为本工程5G承载频率。

组网方式：优先采用独立组网。考虑到非独立组网架构需要4G和5G基站紧耦合，并且非独立组网场景中LTE现网频段与NR频段的部分组合在终端侧存在较严重的干扰问题，优先采用独立组网架构，为了避免频繁互操作，独立组网尽量连续覆盖。

大规模天线：采用64端口、192振子。

（2）5G空口技术框架

5G空口技术框架可针对具体场景、性能需求、可用频段、设备能力和成本等情况，按需选取最优技术组合并优化参数配置，形成相应的空口技术方案，实现对场景及业务的“量体裁衣”，并能够有效应对未来可能出现的新场景和新业务需求，从而实现“前向兼容”。

（3）5G低频新空口低功耗低时延场景设计考虑

在低功耗大连接场景中，由于NB－IoT业务具有小数据包、低功耗、强突发性的特点，虽然总体数量较大，但对信道带宽的需求量较低，本场景更适合采用低频段零散、碎片频谱或部分OFDM子载波。

在低时延高可靠场景，为满足时延指标要求，一方面要大幅度降低空口传输时延，另一方面要尽可能减少转发节点，降低网络转发时延。为了满足高可靠性指标要求，需要增加单位时间内的重传次数，同时还应有效提升单链路的传输可靠性。为有效降低空口时延，在帧结构方面，需要采用更短的帧长，可与连续广域覆盖的帧结构保持兼容。

3 5G移动通信技术的关键技术

5G移动通信技术的关键技术多达数十项，在这里简要阐述具有代表性的几项技术：

（1）Massive MIMO技术

其主要是通过上百根天线的空分复用优势，成倍提升系统容量，是5G容量提升的核心技术，也是唯一能够成倍提升频谱效率的技术；也是解决现网多场景大容量需求的有效技术，是Pre5G的关键技术之一，中国移动将此技术称之为3D－MIMO。

Massive MIMO所采用的3D－MIMO技术，在水平面和垂直面均可实现波束赋形，可以对高层楼宇进行广度和深度的室内覆盖。多个用户级波束在空间上三维赋型，可避免相互之间的干扰，大大提升系统级容量；支持水平面和垂直面的三维信号分析，也能对高层楼宇进行广度和深度的室内覆盖。其采用的有源天线阵列技术，结合高精度的估算方法，能够精确地将超窄波束能量定向投放到用户位置，显著地提升网络覆盖能力。特别是在水平波束赋型难以有效覆盖的复杂无线环境下增益尤为明显。

Massive MIMO主要应用优势在于：a．实现业务深度覆盖小区容量多倍提升；b．提升多倍小区容量单站实现多倍容量收益；c．更多接收天线提升上行频谱效率（64通道／128阵子，4行＊8列＊双极化）。64通道的Massive MIMO比传统4／8通道宏站有更好的覆盖能力，能过适应各种场景下的覆盖需求。

Massive MIMO可适用于多种应用场景，包括：高楼覆盖（专注解决高层室内覆盖难，宏站覆盖差等问题）；热点覆盖（专注解决站址难寻、单站容量不足等问题）；最后一公里（专注解决固网运营商光纤资源无法到户问题）；大型场馆（专注解决干扰，业务流量大、用户多等问题）；

因此，Massive MIMO在提升整网容量，用户感知，上行性能等方面具有明显的优势。

（2）同时同频全双工技术

同频同时全双工CCFD无线通信设备使用相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，使得无线通信链路的频谱效率提高了一倍。能够在相同的物理信道上对两个方向的信号进行传输，因而也被称为是高效的频谱效率技术。

（3）非正交多址接入技术

非正交多址技术（NOMA）的基本思想是在发送端采用非正交发送，在接收端通过串行干扰消除（SIC）接收机实现正确解调。虽然采用SIC技术的接收机复杂度有一定的提高，但是可以更好地提高频谱效率。

（4）UDN（Ultra Dense Network）超密集组网技术

5G移动通信系统较4G系统在网络容量方面有着较大幅度的提升，理论值可达到4G网络的1 000倍，而实现这一目标的关键手段为：密集部署节点，减少小区半径、更大的小区分裂增益等。

（5）更加扁平化的新型网络架构

5G网络基于SDN、NFV、云计算及C－RAN等先进技术，实现更加灵活、智能、高效并且以用户为中心的新型网络。

4 5G移动通信技术的应用趋势

（1）物联网：“万物互联”是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网的发展与5G网络的即将商用有着紧密的联系。其通过识别技术、智能感应等通信感知技术，应用于无线网络的之中。

物联网用途广泛，涉及车联网、交通、环境、家居、消防、能源、市政工程、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、健康、监测等多个领域。

（2）智能交互：无人驾驶汽车间的数据交换、人工智能的交互，都需要运用到5G技术所特有的高效和大数据吞吐量。由于只有1 ms的延迟时间，无人驾驶、远端医疗这些对时延、网速有较高要求的技术也将成为可能。各类穿戴设备、手机、家用电器、门锁、监控等都能够连接上网络。

（3）接入云技术的运用：5G接入云功能需求包括新型无线接入技术、灵活资源协同管理、跨制式系统深度融合、无线网络虚拟化、边缘计算与无线能力开放等。为了实现5G网络场景和业务应用提出的高性能指标，需要考虑引入新型无线接入技术，具体包括大规模天线阵列、新型多址技术、全频谱接入等，5G接入云对所述新型无线接入技术进行有效管控和支撑。基于接入集中控制模块，5G网络可以构建一种快速、灵活、高效的基站间协同机制，实现小区间资源调度与协同管理，并实现对不同无线接入系统的融合与协同，提升移动网络资源利用率，提升用户的业务感知。5G将是以用户为中心的全面的信息生态系统，通信技术与IT技术的深度结合，无线网络将逐步实现虚拟化和云化，将IT计算与服务能力部署于移动接入网络边缘，进而提供高效的、多样化的移动用户服务体验。

5 国内外5G发展情况

（1）国外5G发展情况

各国政府与运营商正在加速推进5G进程。

2016年7月，美国联邦通信委员会划定5G频段，颁布《用于移动业务的24 GHz以上频段》的公告，确定38．6 GHz～40 GHz、37 GHz～38．6 GHz、27．5 GHz～28．35 GHz、64 GHz～71 GHz这四个频段为5G频段，同时为未来的5G频段做出储备。

美国运营商Verizon于2016年7月发布了主要针对固定宽带无线接入应用场景的5G企业标准，对正在开展研究的5G国际标准产生了一定的影响。AT＆T宣布于2016年开始面向家用宽带服务的5G测试，并计划2018年开始部署。

2016年9月，欧盟公布的5G行动计划提出：2018年开始预商用测试；2020年底前，每个成员国确定至少一个提供5G服务的城市；2025年各成员国在主要陆地交通道路实现5G覆盖。此外，欧盟将行业应用作为推动5G的重要抓手，提出5G应具备为教育、医疗、汽车、农业等行业提供专网组网服务的能力，可高效率、低成本地提供各类新兴业态服务。

欧洲运营商方面，Vodafone宣布将于2019年下半年正式推出5G商用服务；Orange宣布将在2020年进行5G部署。德国电信推出了5G创新实验室计划，并公布将使用600 MHz无线频段及更高频段的频谱，在2020年底之前建成覆盖全国的5G网络。

在亚洲，日本已宣布将在2020年东京夏季奥运会前实现5G商用，2023年实现5G全国覆盖。运营商方面，DOCOMO正组织在多个频段上验证5G关键技术，并计划首先在2020年基于高频27．5～29．5 GHz提供5G的eMBB业务；KDDI计划将于2020年在部分地区启动5G服务。

（2）我国政府和通信企业全面推进5G研发创新，力争5G主导地位

早在2013年2月，由发改委、科技部、工信部主导，成立了IMT－2020（5G）推进组以全面推进5G研发、国际合作和融合创新发展。2017年，IMT－2020（5G）推进组顺利推进了二阶段5G技术研发试验，现正计划2018年启动第三阶段试验。华为、中兴、大唐和诺基亚、贝尔等通信设备企业以及电信运营商积极开展5G技术及产品测试，力争2020年实现商用。

6 结束语

随着新经济的发展，网络经济已广泛应用，移动通信网将会与行业融合更加密切，各种新型的行业需求也将不断地涌现。传统业务应用的商业模式过于单一。以低时延高可靠、大规模机器类通信业务为代表的、面向垂直行业客户的新型需求，需要提供定制化的创新业务应用。探索各种新的商业模式，打造良性生态系统。

面向大众客户的传统移动通信业务市场正趋于饱和，以高清视频、AR／VR为代表的5G特色业务和行业应用成为移动甚至通信行业可持续发展的重要方向。特别对于后者，创新共赢的商业模式，健康的生态圈打造，是实现目标的关键。