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5G系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與進(jìn)展

閆麗生

（中國(guó)人民解放軍61932部隊(duì)，北京 100088）

摘 要本文首先介紹了5G技術(shù)的需求背景，詳細(xì)論述了全球(包括歐盟、中國(guó)、韓國(guó)等)各組織的5G活動(dòng)。闡述了5G技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織及相關(guān)進(jìn)展，針對(duì)目前最有希望的5G技術(shù)進(jìn)行了深入的分析和探討，指出了技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)提出了近期技術(shù)難點(diǎn)和后續(xù)研究方向。

關(guān)鍵詞5G；60GHz；D2D；大規(guī)模MIMO；異構(gòu)網(wǎng)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展和新的終端形態(tài)的演進(jìn)，新型的業(yè)務(wù)形態(tài)出現(xiàn)，包括智能家庭、智能城市、遠(yuǎn)程醫(yī)療、環(huán)保監(jiān)測(cè)等，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)趨勢(shì)，年增長(zhǎng)率在80%～150%之間，由此推算，10年將達(dá)到1 000倍?，F(xiàn)有的4G技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足如此龐大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求，因此5G技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)被通信人提上了議程。

1　全球主要的5G活動(dòng)

世界各國(guó)相關(guān)組織都在積極的研發(fā)5G技術(shù)，其中比較重要的5G活動(dòng)有METIS、5G PPP、IMT-2020、5G Forum和NGMN。

1.1 METIS

METIS (Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty (2020)Information Society)是歐盟第七框架計(jì)劃中的一部分，投資總計(jì)達(dá)2 700萬(wàn)歐元，第一階段計(jì)劃運(yùn)行30個(gè)月。項(xiàng)目研究組由愛(ài)立信、法國(guó)電信等通信設(shè)備商和運(yùn)營(yíng)商、寶馬集團(tuán)以及歐洲部分學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)共29個(gè)成員組成。研究目標(biāo)是為建立下一代（5G）移動(dòng)和無(wú)線通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，為未來(lái)的移動(dòng)通信和無(wú)線技術(shù)在需求、特性和指標(biāo)上達(dá)成共識(shí)，取得在概念、雛形、關(guān)鍵技術(shù)組成上的統(tǒng)一意見(jiàn)。

其技術(shù)目標(biāo)是通過(guò)移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)構(gòu)建互聯(lián)互通的信息社會(huì)，主要的愿景如圖1所示。

圖1　METIS主要愿景

1.2 5G PPP

歐盟為維持其在移動(dòng)通信方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)（歐洲ETSI是3GPP的主導(dǎo)）率先在其Horizon 2020計(jì)劃中成立了5G PPP（Public Private Partnership）(5G政府民間合作計(jì)劃)。5G PPP由政府出資管理項(xiàng)目吸引民間企業(yè)和組織參加，計(jì)劃在2014～2020年期間投資7億歐元，拉動(dòng)5～10倍企業(yè)投資，其機(jī)制類似我國(guó)的重大科技專項(xiàng)。5G PPP計(jì)劃發(fā)展800個(gè)成員，包括ICT的各個(gè)領(lǐng)域：無(wú)線/光通信、物聯(lián)網(wǎng)、IT(虛擬化、SDN、云計(jì)算、大數(shù)據(jù))、軟件、安全、終端和智能卡等。

1.3 IMT-2020

IMT-2020推進(jìn)組于2013年2月由中國(guó)工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合推動(dòng)成立，成員包括中國(guó)主要的運(yùn)營(yíng)商、制造商、高校和研究機(jī)構(gòu)。

其愿景為信息隨心至，萬(wàn)物觸手及。如圖2所示，我國(guó)提出的5G需求共包括6大技術(shù)指標(biāo)和3大效率指標(biāo)。

1.4 5G Forum和NGMN

5G Forum是韓國(guó)發(fā)起的5G組織，成員涵蓋政府、產(chǎn)業(yè)、運(yùn)營(yíng)商和高校。主要愿景是引領(lǐng)和推進(jìn)全球5G技術(shù)。

NGMN在2006年正式在英國(guó)成立有限公司，他的主導(dǎo)發(fā)起人是由7大運(yùn)營(yíng)商發(fā)起的，包括中國(guó)移動(dòng)、DoCoMo、沃達(dá)豐、Orange、Sprint、KPN，他是希望通過(guò)市場(chǎng)發(fā)起技術(shù)的要求，不管是下一步設(shè)備的開(kāi)發(fā)，以及實(shí)施等都希望以市場(chǎng)為導(dǎo)向推行。

2　5G的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

與4G技術(shù)類似，5G相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化組織有兩個(gè)：ITU和3GPP。其中ITU是聯(lián)合國(guó)的一個(gè)重要專門機(jī)構(gòu)，其下又分電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）、無(wú)線電通信部門（ITU-R）和電信發(fā)展部門（ITU-D）3個(gè)部門，每個(gè)部門下設(shè)多個(gè)研究組，每個(gè)研究組下設(shè)多個(gè)工作組。5G的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作是在ITU-R WP5D下進(jìn)行的。而3GPP是一個(gè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，其目標(biāo)是根據(jù)ITU的相關(guān)需求，制定更加詳細(xì)的技術(shù)規(guī)范與產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范產(chǎn)業(yè)的行為。

ITU-R WP5D是專門研究和制定移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)IMT（包括IMT-2000和IMT-Advanced）的組織。ITU-R WP5D下設(shè)3個(gè)常設(shè)工作組和1個(gè)特設(shè)組，3個(gè)常設(shè)工作組分別是總體工作組、頻譜工作組、技術(shù)工作組，特設(shè)組為工作計(jì)劃特設(shè)組。

ITU-R WP5D日前已經(jīng)確定了5G的時(shí)間表，如圖3所示，基本上可以劃分為3個(gè)階段。

第一個(gè)階段截止到2015年底，重點(diǎn)是完成5G宏觀描述，包括5G的愿景，5G的技術(shù)趨勢(shì)和ITU的相關(guān)決議，并在2015年世界無(wú)線電大會(huì)上獲得必要的頻率資源。

第二個(gè)階段是2016～2017年底，為技術(shù)準(zhǔn)備階段。ITU主要完成技術(shù)要求，技術(shù)評(píng)估方法和提交候選技術(shù)所需要的模板等內(nèi)容。最后正式向全世界發(fā)出征集5G候選技術(shù)的通函。

第三個(gè)階段是收集候選技術(shù)的階段。從2017年底開(kāi)始，各個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織就可以向ITU提交候選技術(shù)。ITU將組織對(duì)收到的候選技術(shù)進(jìn)行技術(shù)評(píng)估，組織技術(shù)討論，并力爭(zhēng)在世界范圍內(nèi)達(dá)成一致。

2020年底，ITU將發(fā)布正式的5G標(biāo)準(zhǔn)。故此，5G也應(yīng)該被稱為IMT-2020。

不同國(guó)家、地區(qū)、公司在ITU-R WP5D#19會(huì)議上提出了5G的需求，經(jīng)過(guò)多方討論，目前5G愿景已經(jīng)大體成型。確定了8個(gè)5G關(guān)鍵能力并初步討論了取值范圍。

圖2　IMT-2020愿景

在ITU的框架下，3GPP將在Release 14中開(kāi)始研究5G。目前，3GPP制定的5G研究項(xiàng)目共有6項(xiàng)：5G的目標(biāo)；用戶體驗(yàn)質(zhì)量；業(yè)務(wù)支持能力；成本、運(yùn)營(yíng)和能源效率；自適應(yīng)成本，按需容量分配；下一步計(jì)劃。

全球各公司和運(yùn)營(yíng)商都在積極的探討5G技術(shù)。

3　全球主流的5G研究現(xiàn)狀

目前5G最終采用的關(guān)鍵技術(shù)還尚不明確，但是有一些技術(shù)熱點(diǎn)一直被業(yè)界看好，也是業(yè)界正在努力探索的目標(biāo)，隨著這些技術(shù)的發(fā)展和成熟，5G技術(shù)也會(huì)隨之出現(xiàn)。本文將介紹6大關(guān)鍵技術(shù)，包括高頻段通信、多天線傳輸、全雙工技術(shù)、非正交傳輸、D2D通信、超密集組網(wǎng)等。

3.1 高頻段通信

目前，移動(dòng)通信工作頻段主要集中在3 GHz以下，這使得頻譜資源十分擁擠，為了尋找更豐富的頻譜資源，人們開(kāi)始向高頻段(如厘米波、毫米波頻段)進(jìn)軍。

60 GHz早期用于軍方衛(wèi)星間保密通信，由于其頻譜非常高，頻帶寬廣，因此在短距離應(yīng)用時(shí)，抗干擾強(qiáng)，安全性高。2001年美國(guó)FCC開(kāi)放57～64 GHz免費(fèi)頻段商用，之后全球積極響應(yīng)，目前全球共有4個(gè)頻段，9 GHz的可用資源，如圖4所示。

分析60 GHz頻段，優(yōu)劣勢(shì)一目了然，優(yōu)勢(shì)：有史以來(lái)全球統(tǒng)一的最大的免費(fèi)帶寬； 信道干凈，抗干擾強(qiáng)，頻譜復(fù)用度高；天線和設(shè)備小型化、較高的天線增益。

同時(shí)，其劣勢(shì)也是不容忽視的：最大工作距離不超過(guò)10 m；其繞射、折射能力差，受天氣影響大，不能穿墻，只適合同房間內(nèi)傳輸；毫米波芯片設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)巨大；量產(chǎn)后封裝及測(cè)試仍不完善。

60 GHz的使用必須在特定的場(chǎng)景下，需要配合其它的通信技術(shù)共同使用，如何為其尋找最適合的搭檔和土壤，是相關(guān)工作者亟待解決的問(wèn)題。

3.2 多天線傳輸

MIMO技術(shù)將傳統(tǒng)的時(shí)域、頻域、碼域三維擴(kuò)展為了時(shí)域、頻域、碼域、空域四維，新增緯度極大的提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。隨著天線能力和芯片處理能力的增強(qiáng)，目前，MIMO技術(shù)從2×2MIMO發(fā)展成了8×8MIMO，從單用戶MIMO發(fā)展成了多用戶MIMO和協(xié)作MIMO。目前MIMO技術(shù)的新進(jìn)展包括3個(gè)方面：從無(wú)源到有源，從二維(2D)到三維(3D)，從高階MIMO到大規(guī)模陣列。

有源天線系統(tǒng)（AAS）在天線系統(tǒng)中集成射頻電路功能，從而提高能量效率，降低系統(tǒng)的功耗；提高波束賦行能力，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的容量性能；降低站址維護(hù)和租賃費(fèi)用。

圖3　ITU-R 5G時(shí)間表

3D MIMO支持多用戶波束智能賦型，減少用戶間干擾，結(jié)合高頻段毫米波技術(shù)，將進(jìn)一步改善無(wú)線信號(hào)覆蓋性能。

大規(guī)模陣列MIMO提供了更強(qiáng)的定向能力和賦形能力，天線的方向示意圖如圖5所示。

多維度的海量MIMO技術(shù)，將顯著提高頻譜效率，降低發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能，提升覆蓋能力，而如今大規(guī)模MIMO仍舊面臨一些問(wèn)題，如大規(guī)模天線信道測(cè)量與建模、陣列設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)、導(dǎo)頻信道、碼本及反饋機(jī)制、天線的規(guī)模尺寸、實(shí)際工程安裝和使用場(chǎng)景等問(wèn)題，這些問(wèn)題的探討和成果會(huì)成為未來(lái)5G的重要發(fā)展方向。

3.3 同時(shí)同頻全雙工

同時(shí)同頻全雙工技術(shù)是指在相同的頻譜上，通信的雙方同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)，與傳統(tǒng)的TDD和FDD雙工方式相比，從理論上可以提高空口頻譜效率1倍。

全雙工技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制。然而，全雙工意味著干擾的產(chǎn)生，對(duì)干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)，同時(shí)還存在相鄰小區(qū)同頻干擾問(wèn)題。在多天線及組網(wǎng)場(chǎng)景下，全雙工技術(shù)的應(yīng)用難度更大。

3.4 非正交傳輸

為了進(jìn)一步提高頻譜效率，繼OFDM的正交多址技術(shù)之后，學(xué)術(shù)界提出了非正交多址技術(shù)（NOMA）。非正交多址技術(shù)的基本思想是在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，主動(dòng)引入干擾信息，在接收端通過(guò)串行干擾刪除（SIC）接收機(jī)實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)。然而，采用SIC技術(shù)的接收機(jī)在復(fù)雜度有一定的提高，因此，NOMA的本質(zhì)可以說(shuō)是用提高接收機(jī)的復(fù)雜度來(lái)?yè)Q取頻譜效率。

3.5 終端之間直接通信（D2D）

傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式是以基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站之間通過(guò)有線技術(shù)連接到核心網(wǎng)，所有的通信必須通過(guò)核心網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。隨著無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)不斷增多，傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)提供方式已無(wú)法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。D2D技術(shù)無(wú)需借助基站的幫助就能夠?qū)崿F(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式，D2D通信的示意圖如圖6所示。由于短距離直接通信，信道質(zhì)量高，D2D能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和較低的功耗;通過(guò)廣泛分布的終端，能夠改善覆蓋，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用;支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。

圖4　全球60GHz頻段

圖5　大規(guī)模陣列MIMO方向圖

目前，D2D采用廣播、多播和單播技術(shù)方案，未來(lái)將發(fā)展其增強(qiáng)技術(shù)，包括基于D2D的中繼技術(shù)、多天線技術(shù)和聯(lián)合編碼技術(shù)等。然而D2D通信仍有一些問(wèn)題尚不明朗，需要業(yè)界繼續(xù)思考和探索，包括如下。

（1）運(yùn)營(yíng)商的商業(yè)模式：如何合理地對(duì)終端直通進(jìn)行收費(fèi)；如何有效控制網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量；如何合法監(jiān)聽(tīng)，保障信息安全。

（2）終端用戶的消費(fèi)心理：如何保證自身的隱私；如何激勵(lì)用戶做中繼終端使用。

（3）與已有技術(shù)的差異化：與Wi-Fi Direct、Bluetooth和一些集群業(yè)務(wù)的差異化如何體現(xiàn)。

（4）終端的能耗問(wèn)題：海量數(shù)據(jù)中繼和傳輸?shù)倪^(guò)程中電池電源的消耗情況。

3.6 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)超密集組網(wǎng)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，使用相同的無(wú)線傳輸制式，使用統(tǒng)一的基站類型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則，提供相同的覆蓋，提供相似的業(yè)務(wù)和服務(wù)。隨著用戶的數(shù)量增多以及帶寬需求激增這種網(wǎng)絡(luò)將會(huì)面臨瓶頸。更高的容量和覆蓋需求，促使網(wǎng)絡(luò)從水平的蜂窩結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)向立體分層的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要是指在宏蜂窩覆蓋小區(qū)中放置低功率節(jié)點(diǎn)(LPN，Lower Power Node)，如微蜂窩（Micro Cell）、皮蜂窩（Pico Cell）、飛蜂窩（Femto Cell）、Relay等，由不同類型、不同大小的小區(qū)構(gòu)成“多樣化的設(shè)備形態(tài)、差異化的覆蓋方案、多頻段組網(wǎng)方式”的分層立體網(wǎng)絡(luò)。引入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的主要目的是增強(qiáng)覆蓋（補(bǔ)盲）、增加網(wǎng)絡(luò)容量（補(bǔ)熱）、實(shí)現(xiàn)話務(wù)分擔(dān)與均衡。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有較好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，一些理念和簡(jiǎn)單的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)中部署，效果顯著。然而，愈發(fā)密集的網(wǎng)絡(luò)部署和愈發(fā)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，將帶?lái)干擾問(wèn)題，小區(qū)間干擾會(huì)成為制約系統(tǒng)容量增長(zhǎng)的主要因素，極大降低了網(wǎng)絡(luò)能效。干擾消除、小區(qū)快速發(fā)現(xiàn)、密集小區(qū)間協(xié)作、基于終端能力提升的移動(dòng)性增強(qiáng)方案等，都是目前異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方面的研究熱點(diǎn)。

圖6　D2D通信示意圖

Technical standard of 5G system and development

YAN Li-sheng

(Unit 61932 of the PLA, Beijing 100088, China)

Abstract This paper first introduces the background and the demand of 5G technology. Secondly it discusses in detail the activities of the global 5G organization, including the EU, China, Korea etc. Then it elaborates the organization for standardization of 5G technology and the related progress, finally analyses and discusses the thorough of the most promising 5G technology, points out advantages and application scenario, and put forward the follow-up study.

Keywords 5G; 60GHz; D2D; massive MIMO; heterogeneous network

收稿日期：2015-02-18

文章編號(hào)1008-5599（2015）04-0033-05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

中圖分類號(hào)TN929.5