5G关键技术评述

业内重大事件：

张  平：无线通信领域专家，北京邮电大学教授，博士生导师，现任北京邮电大学无线新技术研究所（WTI）所长、泛网无线通信教育部重点实验室主任以及中德软件研究所副所长。张平教授是国家宽带无线通信重大专项建议书起草人之一，并担任信息产业部第三代移动通信技术实验专家组成员、国家863未来移动通信FuTURE计划项目总体组成员、中国FuTURE论坛副主席、世界无线研究论坛（WWRF）愿景委员会2005年副主席等，享受政府特殊津贴，北京市第十一届政协委员。

陶运铮：北京邮电大学博士生，主要研究方向为基于能量收集的下一代无线网络、认知无线网络。

张  治：北京邮电大学副教授，主要研究方向为信道编码、射频测试技术、无线资源管理。

本文主要讲了哪些内容？

本文详细介绍和总结了5G的发展历程和国内外研究进展，分析了基于虚拟化的5G网络架构。

本文从无线传输、无线接入、网络这3个角度，深入全面地介绍了5G潜在的关键技术及最新进展，包括大规模多天线、全双工、D2D、5G信道建模与5G信道编码（包括LDPC码域Polar Code）等，分析了其中一些关键技术的优缺点及未来可研究方向。

最后，本文展望了5G移动通信未来发展的重点任务及主要方向。

关键词：5G；网络架构；无线传输；无线接入；网络

一

引言

自20世纪70年代以来，移动通信从模拟语音通信发展成为今天能提供高质量移动宽带服务的技术，终端用户数据速率达到每秒数兆比特，用户体验也在不断提高。此外，随着新型移动设备的增加，通信业务不断增长、网络流量持续上升，现有的无线技术已无法满足未来通信的需求。与前几代移动通信相比，第五代移动通信技术（5G）的业务提供能力将更加丰富，而且，面对多样化场景的差异化性能需求，5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案。我国IMT-2020（5G）推进组发布的5G概念白皮书从5G愿景和需求出发，分析归纳了5G主要技术场景、关键挑战和适用关键技术，提取了关键能力与核心技术特征并形成5G概念。2015年6月，国际电信联盟（ITU）将5G正式命名为IMT-2020，并且把移动宽带、大规模机器通信和高可靠低时延通信定义为5G主要应用场景，如图1所示。图2展示了不同应用场景下不同的技术要求。5G不再单纯地强调峰值速率，而是综合考虑8个技术指标：峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接数密度、网络能量效率和流量密度。

图1  5G应用场景

图2  5G关键技术指标

与现有4G相比，随着用户需求的增加，5G网络应重点关注4G中尚未实现的挑战，包括容量更高、数据速率更快、端到端时延更低、开销更低、大规模设备连接和始终如一的用户体验质量。图3简略描述了这些挑战以及潜在的解决方案和相应的设计原则。随着这些技术的融入，5G的性能将不断得到提升。本文从无线传输、无线接入、网络这3个角度详细介绍分析了5G一些潜在的关键技术，阐述了学术界具有代表性的观点。

图3  5G挑战、潜在解决方案和设计原则

早在全球规模部署4G LTE时，5G的研发已成为业界关注的焦点。欧洲METIS计划提出了支撑移动宽带、超可靠机器通信、大规模机器通信的关键技术，分别是高效系统控制层、动态无线接入网络、本地内容/业务分流和频谱工具箱。诺基亚认为网络架构将在5G中扮演重要角色，5G网络将会使程序化、软件驱动以及全面管理、多样化服务的实现成为可能。爱立信提出的“网络即服务”的方式，可以非常灵活地根据用户需求进行资源分配和资源再分配，其关键在于将传统的“一刀切”网络进一步抽象为网络切片。华为在5G组网架构、频谱使用、空口技术等领域提出多种新技术，并在其场外测试中联合中国移动开通首个大规模多天线基站。中兴通讯在4G cloud radio架构的基础上，发布了基于动态mesh的全新5G接入网架构，并推出了采用简单非正交码组设计的多址接入技术。

当前，制定全球统一的5G标准已成为业界共同的呼声，如图4所示，ITU在2016年开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年底启动5G候选方案征集，2020年底完成标准制定。3GPP将承担5G国际标准技术内容的制定工作。3GPP Rel-14阶段被认为是启动5G标准研究的最佳时机，Rel-15阶段可启动5G标准工作项目，Rel-16及以后将对5G标准进行完善增强。我国也已启动5G技术研发试验，在IMT-2020推进组的组织下，已经完成了第一阶段无线测试规范的制定工作（注：2016年11月20日，我国《5G技术研发试验第二阶段技术规范》正式发布）。

图4  5G工作计划

二

5G网络架构

5G网络将融合多类现有或未来的无线接入传输技术和功能网络，包括传统蜂窝网络、大规模多天线网络、认知无线网络、无线局域网、无线传感器网络、小型基站、可见光通信和设备直连通信等，并通过统一的核心网络进行管控，以提供超高速率和超低时延的用户体验和多场景的一致无缝服务，一个可能的5G系统架构如图5所示。

图5  5G网络架构

为此，对于5G网络架构，一方面通过引入软件定义网络SDN和网络功能虚拟化NFV等技术，实现控制功能和转发功能的分离，以及网元功能和物理实体的解耦，从而实现多类网络资源的实时感知与调配，以及网络连接和网络功能的按需提供和适配；另一方面，进一步增强接入网和核心网的功能，接入网提供多种空口技术，并形成支持多连接、自组织等方式复杂网络拓扑，核心网则进一步下沉转发平面、业务存储和计算能力，更高效实现对差异化业务的按需编排。

在上述技术支撑下，5G网络架构可大致分为控制、接入和转发平面，其中，控制平面通过网络功能重构，实现集中控制功能和无线资源的全局调度；接入平面包含多类基站和无线接入设备，用于实现快速灵活的无线接入协同控制和提高资源利用率；转发平面包含分布式网关并集成内容缓存和业务流加速等功能，在控制平面的统一管控下实现数据转发效率和路由灵活性的提升。

三

5G关键技术（现状、方向/趋势）

四

（5G关键技术）未来展望

目前，世界各国针对未来5G移动通信网络在技术的可行性研究、标准化以及产品发展方面进行了大量的投入，5G的发展需要在统一的框架下进行全球范围内的协调。同时，在5G通信系统中，大规模多天线和信道建模等的不断研究和创新，不仅能够有效改善无线频谱的利用效率，而且加快了无线数据传输速率并支持更多终端的接入。

为了应对未来信息社会高速发展的趋势，5G网络应具备智能化的自感知和自调整能力，C-RAN、D2D等技术的研究正是出于这一目的，并且高度的灵活性也将成为未来5G网络必不可少的特性之一。同时，绿色节能也将成为5G发展的重要方向，网络的功能不再以能源的大量消耗为代价，实现无线移动通信的可持续发展。

未来的10年，移动通信将发生翻天覆地的变化，目前，4G刚刚部署不久，还将持续很长的一段时间用于商用。作为面向2020年之后产业发展的新一代移动通信技术，5G在提高大带宽、解决万物互连、实现更可靠和更低时延通信方面具有重要影响。2016年，5G技术发展将进入中期，3GPP已经在2016年开始了5G标准的预研，后续5G技术方案征集、标准化工作等也会紧锣密鼓地开展。5G是一个融合的网络，也是一个更加复杂和密集的网络。5G的支持远超3G、4G网络所满足的场景、数据量及设备接入量，实现这一网络需要技术的不断发展和创新。此外，5G也将更全方位地注重用户体验，将根据不同用户的个性化需求智能部署，实现用户在任何时间、任何地点都能够方便、快捷地接入。同时，5G技术的未来不仅在于数据传输速度的进一步提升，更在于它是人类能力的延伸，周围的一切物体都处于实时联网状态，能够互相感知交互。

五

结束语

本文详细介绍和总结了5G的发展历程和国内外研究进展，分析了基于虚拟化的5G蜂窝网络架构。

从无线传输、无线接入、网络这3个角度，深入全面地介绍了5G潜在的关键技术及最新进展，分析了一些关键技术的优缺点及未来可研究方向。

最后，展望5G未来发展的重点任务及主要方向。未来的5G网络将更加开放、智能、灵活。

为满足移动通信的发展及需求，5G预计在2020年成为主要的移动通信系统。相比现今广为流行的4G移动通信，5G在资源利用率、传输速率以及频谱利用率等方面都有明显优势，而且在用户体验、传输时延、无线网络的覆盖性能等方面也会得到大幅度的提高。

总体来说，目前，5G的研究处于关键发展阶段，各技术研究进展迅速，而未来围绕用户需求、规模性、成本能耗等因素进行的标准化和技术评估等，仍有大量工作亟待完成。