5G關(guān)鍵技術(shù)分析與展望

引言自20世紀(jì)70年代以來，移動通信從模擬語音通信發(fā)展成為今天能提供高質(zhì)量移動寬帶服務(wù)的技術(shù)，終端用戶數(shù)據(jù)速率達(dá)到每秒數(shù)兆比特，用戶體驗也在不斷提高。此外，隨著新型移動設(shè)備的增加，通信業(yè)務(wù)不斷增長、網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)上升，現(xiàn)有的無線技術(shù)已無法滿足未來通信的需求。與前幾代移動通信相比，第五代移動通信技術(shù)（5G）的業(yè)務(wù)提供能力將更加豐富，而且，面對多樣化場景的差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術(shù)為基礎(chǔ)形成針對所有場景的解決方案。我國IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布的5G概念白皮書從5G愿景和需求出發(fā)，分析歸納了5G主要技術(shù)場景、關(guān)鍵挑戰(zhàn)和適用關(guān)鍵技術(shù)，提取了關(guān)鍵能力與核心技術(shù)特征并形成5G概念。2015年6月，國際電信聯(lián)盟（ITU）將5G正式命名為IMT-2020，并且把移動寬帶、大規(guī)模機(jī)器通信和高可靠低時延通信定義為5G主要應(yīng)用場景，如圖1所示。圖2展示了不同應(yīng)用場景下不同的技術(shù)要求。5G不再單純地強(qiáng)調(diào)峰值速率，而是綜合考慮8個技術(shù)指標(biāo)：峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時延、連接數(shù)密度、網(wǎng)絡(luò)能量效率和流量密度。圖1

5G應(yīng)用場景圖2

5G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與現(xiàn)有4G相比，隨著用戶需求的增加，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)重點關(guān)注4G中尚未實現(xiàn)的挑戰(zhàn)，包括容量更高、數(shù)據(jù)速率更快、端到端時延更低、開銷更低、大規(guī)模設(shè)備連接和始終如一的用戶體驗質(zhì)量。圖3簡略描述了這些挑戰(zhàn)以及潛在的解決方案和相應(yīng)的設(shè)計原則。隨著這些技術(shù)的融入，5G的性能將不斷得到提升。本文從無線傳輸、無線接入、網(wǎng)絡(luò)這3個角度詳細(xì)介紹分析了5G一些潛在的關(guān)鍵技術(shù)，闡述了學(xué)術(shù)界具有代表性的觀點。圖3

5G挑戰(zhàn)、潛在解決方案和設(shè)計原則早在全球規(guī)模部署4GLTE時，5G的研發(fā)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點。歐洲METIS計劃提出了支撐移動寬帶、超可靠機(jī)器通信、大規(guī)模機(jī)器通信的關(guān)鍵技術(shù)，分別是高效系統(tǒng)控制層、動態(tài)無線接入網(wǎng)絡(luò)、本地內(nèi)容/業(yè)務(wù)分流和頻譜工具箱。諾基亞認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將在5G中扮演重要角色，5G網(wǎng)絡(luò)將會使程序化、軟件驅(qū)動以及全面管理、多樣化服務(wù)的實現(xiàn)成為可能。愛立信提出的“網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)”的方式，可以非常靈活地根據(jù)用戶需求進(jìn)行資源分配和資源再分配，其關(guān)鍵在于將傳統(tǒng)的“一刀切”網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步抽象為網(wǎng)絡(luò)切片。華為在5G組網(wǎng)架構(gòu)、頻譜使用、空口技術(shù)等領(lǐng)域提出多種新技術(shù)，并在其場外測試中聯(lián)合中國移動開通首個大規(guī)模多天線基站。中興通訊在4Gcloudradio架構(gòu)的基礎(chǔ)上，發(fā)布了基于動態(tài)mesh的全新5G接入網(wǎng)架構(gòu)，并推出了采用簡單非正交碼組設(shè)計的多址接入技術(shù)。當(dāng)前，制定全球統(tǒng)一的5G標(biāo)準(zhǔn)已成為業(yè)界共同的呼聲，如圖4所示，ITU在2016年開展5G技術(shù)性能需求和評估方法研究，2017年底啟動5G候選方案征集，2020年底完成標(biāo)準(zhǔn)制定。3GPP將承擔(dān)5G國際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的制定工作。3GPPRel-14階段被認(rèn)為是啟動5G標(biāo)準(zhǔn)研究的最佳時機(jī)，Rel-15階段可啟動5G標(biāo)準(zhǔn)工作項目，Rel-16及以后將對5G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善增強(qiáng)。我國也已啟動5G技術(shù)研發(fā)試驗，在IMT-2020推進(jìn)組的組織下，已經(jīng)完成了第一階段無線測試規(guī)范的制定工作（5G微信公眾平臺<ID：angmobile>注：2016年11月20日，我國《5G技術(shù)研發(fā)試驗第二階段技術(shù)規(guī)范》正式發(fā)布）。圖4

5G工作計劃5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G網(wǎng)絡(luò)將融合多類現(xiàn)有或未來的無線接入傳輸技術(shù)和功能網(wǎng)絡(luò)，包括傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模多天線網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、小型基站、可見光通信和設(shè)備直連通信等，并通過統(tǒng)一的核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管控，以提供超高速率和超低時延的用戶體驗和多場景的一致無縫服務(wù)，一個可能的5G系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。圖5

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為此，對于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，一方面通過引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV等技術(shù)，實現(xiàn)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離，以及網(wǎng)元功能和物理實體的解耦，從而實現(xiàn)多類網(wǎng)絡(luò)資源的實時感知與調(diào)配，以及網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)功能的按需提供和適配；另一方面，進(jìn)一步增強(qiáng)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的功能，接入網(wǎng)提供多種空口技術(shù)，并形成支持多連接、自組織等方式復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，核心網(wǎng)則進(jìn)一步下沉轉(zhuǎn)發(fā)平面、業(yè)務(wù)存儲和計算能力，更高效實現(xiàn)對差異化業(yè)務(wù)的按需編排。在上述技術(shù)支撐下，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可大致分為控制、接入和轉(zhuǎn)發(fā)平面，其中，控制平面通過網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)，實現(xiàn)集中控制功能和無線資源的全局調(diào)度；接入平面包含多類基站和無線接入設(shè)備，用于實現(xiàn)快速靈活的無線接入?yún)f(xié)同控制和提高資源利用率；轉(zhuǎn)發(fā)平面包含分布式網(wǎng)關(guān)并集成內(nèi)容緩存和業(yè)務(wù)流加速等功能，在控制平面的統(tǒng)一管控下實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率和路由靈活性的提升。三5G關(guān)鍵技術(shù)（現(xiàn)狀、方向/趨勢）四（5G關(guān)鍵技術(shù)）未來展望目前，世界各國針對未來5G移動通信網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)的可行性研究、標(biāo)準(zhǔn)化以及產(chǎn)品發(fā)展方面進(jìn)行了大量的投入，5G的發(fā)展需要在統(tǒng)一的框架下進(jìn)行全球范圍內(nèi)的協(xié)調(diào)。同時，在5G通信系統(tǒng)中，大規(guī)模多天線和信道建模等的不斷研究和創(chuàng)新，不僅能夠有效改善無線頻譜的利用效率，而且加快了無線數(shù)據(jù)傳輸速率并支持更多終端的接入。

為了應(yīng)對未來信息社會高速發(fā)展的趨勢，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備智能化的自感知和自調(diào)整能力，C-RAN、D2D等技術(shù)的研究正是出于這一目的，并且高度的靈活性也將成為未來5G網(wǎng)絡(luò)必不可少的特性之一。同時，綠色節(jié)能也將成為5G發(fā)展的重要方向，網(wǎng)絡(luò)的功能不再以能源的大量消耗為代價，實現(xiàn)無線移動通信的可持續(xù)發(fā)展。未來的10年，移動通信將發(fā)生翻天覆地的變化，目前，4G剛剛部署不久，還將持續(xù)很長的一段時間用于商用。作為面向2020年之后產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新一代移動通信技術(shù)，5G在提高大帶寬、解決萬物互連、實現(xiàn)更可靠和更低時延通信方面具有重要影響。2016年，5G技術(shù)發(fā)展將進(jìn)入中期，3GPP已經(jīng)在2016年開始了5G標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)研，后續(xù)5G技術(shù)方案征集、標(biāo)準(zhǔn)化工作等也會緊鑼密鼓地開展。5G是一個融合的網(wǎng)絡(luò)，也是一個更加復(fù)雜和密集的網(wǎng)絡(luò)。5G的支持遠(yuǎn)超3G、4G網(wǎng)絡(luò)所滿足的場景、數(shù)據(jù)量及設(shè)備接入量，實現(xiàn)這一網(wǎng)絡(luò)需要技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。此外，5G也將更全方位地注重用戶體驗，將根據(jù)不同用戶的個性化需求智能部署，實現(xiàn)用戶在任何時間、任何地點都能夠方便、快捷地接入。同時，5G技術(shù)的未來不僅在于數(shù)據(jù)傳輸速度的進(jìn)一步提升，更在于它是人類能力的延伸，周圍的一切物體都處于實時聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，能夠互相感知交互。五結(jié)束語本文詳細(xì)介紹和總結(jié)了5G的發(fā)展歷程和國內(nèi)外研究進(jìn)展，分析了基于虛擬化的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。從無線傳輸、無線接入、網(wǎng)絡(luò)這3個角度，深入全面地介紹了5G潛在的關(guān)鍵技術(shù)及最新進(jìn)展，分析了一些關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點及未來可研究方向。最后，展望5G未來發(fā)展的重點任務(wù)及主要方向。未來的5G網(wǎng)絡(luò)將更加開放、智能、靈活。為滿足移動通信的發(fā)展及需求，5G預(yù)計在2020年成為主要的移動通信系統(tǒng)。相比現(xiàn)今廣為流行的4G