陳山枝

（大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，北京 100191）

視點(diǎn)聚焦

發(fā)展5G的分析與建議

陳山枝

（大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，北京 100191）

首先簡要介紹了5G在全球的研究進(jìn)展，分析了5G的需求與挑戰(zhàn)。分享了關(guān)于5G的幾點(diǎn)再認(rèn)識(shí)，指出5G是萬物互聯(lián)、連接場(chǎng)景的一代，電信IT化、軟件定義、云化的一代，蜂窩結(jié)構(gòu)變革的一代，承前啟后和探索的一代。然后分析了5G無線傳輸和網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，簡要介紹了筆者團(tuán)隊(duì)提出的PDMA、UUDN和虛擬RAT等技術(shù)。特別指出了TDD在5G中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并預(yù)測(cè)5G新空口將采用TDD模式。最后結(jié)合我國在TD-SCDMA和TD-LTE方面的創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)，提出了關(guān)于我國實(shí)現(xiàn)“5G引領(lǐng)”的建議。

5G；物聯(lián)網(wǎng)；TDD優(yōu)勢(shì)技術(shù)；大規(guī)模多天線；PDMA；超密集組網(wǎng)；SDN；NFV

1 引言

無線移動(dòng)通信在20多年里得到了飛速的發(fā)展，給人們的生活、學(xué)習(xí)和工作方式以及政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各方面都帶來了巨大的影響。20世紀(jì)末，中國提出的TD-SCDMA被國際電信聯(lián)盟（ITU）接納成為三大3G國際標(biāo)準(zhǔn)之一，實(shí)現(xiàn)了中國通信歷史上的百年突破。隨后，我國企業(yè)主導(dǎo)并擁有核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-LTE-Advanced（以下簡稱TD-LTE），成為全球兩大4G主流標(biāo)準(zhǔn)之一。目前，已有43個(gè)國家和地區(qū)推出了67個(gè)TD-LTE商用網(wǎng)絡(luò)，TD-LTE基站數(shù)達(dá)140萬套，占4G基站總數(shù)的43%；TD-LTE用戶數(shù)達(dá)4.7億戶，占全球4G用戶總數(shù)的40%。TD-LTE在與美國企業(yè)主導(dǎo)的WiMAX的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭中勝出，全球90%的WiMAX網(wǎng)絡(luò)將升級(jí)到TD-LTE[1]。TD-LTE已成為全球TDD技術(shù)共同演進(jìn)的方向，發(fā)展空間巨大。

自2012年初WRC-12上ITU通過了4G標(biāo)準(zhǔn)之后，通信業(yè)界開始研究5G。各國成立了專門組織推進(jìn)5G研究，爭搶新一輪技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的影響力和制高點(diǎn)。例如，歐盟啟動(dòng)了METIS、5GNOW等多個(gè)5G預(yù)研項(xiàng)目，并成立了5GPPP；韓國成立了5G Forum等；美國和日本也啟動(dòng)了5G研究。《IEEE Communications Magazine》在 2014年 2月和5月出版了兩期關(guān)于5G的技術(shù)專題[2]。

2013年2月，我國由工業(yè)和信息化部（以下簡稱工信部）、科技部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)（以下簡稱國家發(fā)展改革委）等發(fā)起成立IMT-2020(5G)推進(jìn)組[3]，目標(biāo)是在“3G突破、4G同步”的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)“5G引領(lǐng)”全球。為配合該目標(biāo)，國家“863”計(jì)劃、國家重大科技專項(xiàng)及地方政府等分別設(shè)置了5G相關(guān)研究課題。IMT-2020(5G)推進(jìn)組前期完成了5G的需求、概念、無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分析[4-7]，且有多項(xiàng)成果輸入ITU。

我國IMT-2020(5G)推進(jìn)組分析了驅(qū)動(dòng)5G發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)兩類業(yè)務(wù)需求，提出了包括6項(xiàng)性能指標(biāo)和3項(xiàng)效率指標(biāo)的 “5G需求之花”[4]，定義了廣域覆蓋、熱點(diǎn)覆蓋、低功耗大連接物聯(lián)網(wǎng)和低時(shí)延高可靠物聯(lián)4類5G主要應(yīng)用場(chǎng)景。ITU將5G需求和應(yīng)用場(chǎng)景主要分為3類：增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶 （eMBB）（將我國提出的廣域覆蓋、熱點(diǎn)覆蓋歸為此類）、海量連接的機(jī)器類通信（mMTC）、超可靠和低時(shí)延通信（cMTC）。同時(shí)定義了8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，表1中列出了5G相對(duì)4G的各個(gè)關(guān)鍵能力提升的倍數(shù)。

事實(shí)上，5G不再僅僅是上面分析到的更高速率、更大帶寬、更強(qiáng)能力的空中接口技術(shù)，而且是面向用戶體驗(yàn)、業(yè)務(wù)應(yīng)用和行業(yè)應(yīng)用的智能無線網(wǎng)絡(luò)。需要指出的是，5G對(duì)應(yīng)的是多種不同應(yīng)用場(chǎng)景，需要的是一組不同能力指標(biāo)，即表1中的所有指標(biāo)不是也不可能同時(shí)滿足和達(dá)到。上述5G的速率、流量密度、連接密度等關(guān)鍵指標(biāo)要求帶來了在技術(shù)、頻率、運(yùn)營等方面的巨大挑戰(zhàn)。

2 關(guān)于5G的幾點(diǎn)再認(rèn)識(shí)

（1）5G是萬物互聯(lián)、連接場(chǎng)景的一代

5G是移動(dòng)通信從1G到4G主要以人與人通信為主，跨越到人與物、物與物通信的時(shí)代。5G是萬物互聯(lián)和連接場(chǎng)景的時(shí)代。從業(yè)務(wù)和應(yīng)用的角度，5G具有三大特點(diǎn)：大數(shù)據(jù)、海量連接和場(chǎng)景體驗(yàn)，滿足未來更廣泛的數(shù)據(jù)和連接業(yè)務(wù)需要，提升用戶體驗(yàn)。

數(shù)據(jù)和連接是信息社會(huì)的時(shí)代特征。全球化將進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元，一個(gè)由數(shù)據(jù)和連接傳遞信息、思想和創(chuàng)新的全新時(shí)代。5G將應(yīng)時(shí)而生。

（2）5G是電信IT化、軟件定義的一代

5G將是全新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)呈軟件化、智能化、平臺(tái)化趨勢(shì)，是通信技術(shù)（CT）與信息技術(shù)（IT）的深度融合，是電信IT化的時(shí)代。

軟件定義的5G，包括采用通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined networking，SDN） 和 網(wǎng) 絡(luò) 功 能 虛 擬 化 （network function virtualization，NFV）以及軟件定義無線電的無線接入空口，實(shí)現(xiàn)5G可編程的核心網(wǎng)和無線接口。SDN和NFV將引起5G的IT化，包括硬件平臺(tái)通用化、軟件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化、核心技術(shù)IP化。運(yùn)營商能在通用硬件基礎(chǔ)上加載專用軟件實(shí)現(xiàn)5G設(shè)備運(yùn)行，IT化對(duì)于傳統(tǒng)電信設(shè)備制造商將是一個(gè)挑戰(zhàn)。就像Google（谷歌）和百度等定制服務(wù)器一樣，給IBM和HP等傳統(tǒng)服務(wù)器廠商帶來挑戰(zhàn)。

（3）5G 是云化的一代

5G的云化趨勢(shì)包括：基帶處理能力的云化（云架構(gòu)的RAN，即 C-RAN）、采用移動(dòng)邊緣內(nèi)容與計(jì)算（mobile edge content and computing，MECC）、終端云化。

表1 5G關(guān)鍵指標(biāo)

C-RAN是將多個(gè)基帶處理單元（baseband unit，BBU）集中起來，通過大規(guī)模的基帶處理池為成百上千個(gè)遠(yuǎn)端射頻單元（remote radio unit，RRH）服務(wù)。此時(shí)，基帶處理能力是云化的虛擬資源。邏輯集中的控制增加了系統(tǒng)的靈活性，方便升級(jí)。C-RAN減少了基站機(jī)房數(shù)量，可以大幅度降低建設(shè)和運(yùn)維成本，同時(shí)還能大幅度降低能耗。但存在的問題與挑戰(zhàn)是BBU與RRU間的前傳（fronthaul）帶寬開銷大（以LTE為例，3個(gè)扇區(qū)的單個(gè)小區(qū)的帶寬就在16 Gbit/s左右）以及引起的額外時(shí)延問題。

5G將采用MECC，即在靠近移動(dòng)用戶的位置上提供IT服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力，使應(yīng)用、服務(wù)和內(nèi)容部署在分布式移動(dòng)環(huán)境中，針對(duì)資源密集的應(yīng)用（如圖像、視頻、制圖等），將計(jì)算和存儲(chǔ)卸載到無線接入網(wǎng)，從而降低了對(duì)通信帶寬的開銷，并提高了實(shí)時(shí)性。

5G的終端云化，隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，未來移動(dòng)終端能力和資源（包括計(jì)算、存儲(chǔ)、傳感等）將得到大幅提升，也可以實(shí)現(xiàn)本地資源共享和云化，特別是在社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中。

（4）5G是蜂窩結(jié)構(gòu)變革的一代

從1G到4G都是基于傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)，即形狀是基本規(guī)則（六邊形）的蜂窩小區(qū)組網(wǎng)，且是一個(gè)干擾受限系統(tǒng)。目前，密集高層辦公樓宇、住宅和場(chǎng)館等城市熱點(diǎn)區(qū)域承載了70%以上的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為了解決容量和干擾問題，新技術(shù)不斷引入，如分布式天線、多輸入多輸出（MIMO）、多用戶檢測(cè)、基站間協(xié)作（CoMP）和中繼等。而熱點(diǎn)區(qū)域的家庭基站、無線中繼站、小小區(qū)基站和分布式天線等（統(tǒng)稱異構(gòu)基站）大多數(shù)呈非規(guī)則、無定形部署特性和層疊覆蓋，形成了異構(gòu)分層無線網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)合虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商 (virtual network operator,VNO)需求，產(chǎn)生了虛擬接入網(wǎng)（virtual RAN,VRAN）與虛擬小區(qū)的概念。VRAN就是可以在一個(gè)物理設(shè)備上按需產(chǎn)生多個(gè)RAN實(shí)例，5G提供了RAN即服務(wù)(RAN-as-a-service，RANaaS)。

可見，傳統(tǒng)單層規(guī)則的蜂窩小區(qū)概念已不存在，移動(dòng)通信首次出現(xiàn)了去蜂窩的趨勢(shì)，5G將是蜂窩結(jié)構(gòu)變革的一代。

（5）5G是承前啟后和探索的一代

移動(dòng)通信技術(shù)更新約10年一代。1G的目的是要解決語音通信，但語音質(zhì)量與安全性都不好；到2G時(shí)，GSM和CDMA在解決語音通信方面達(dá)到極致；1998年提出的3G最初目標(biāo)是解決多媒體通信（如視頻通信），但2005年后出現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入的重大應(yīng)用需求，不過解決得不好；LTE對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入需求的解決是到位的，但又面臨語音通信（VoLTE）問題。

筆者認(rèn)為，目前呈現(xiàn)的是“1G短、2G長、3G短、4G長”的特征，那5G呢？5G的目標(biāo)是要解決萬物互聯(lián)，但目前還沒有得到垂直行業(yè)（物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等）的正面回應(yīng)。因此，未來需求到底是什么？產(chǎn)業(yè)生態(tài)是什么？現(xiàn)在都只是通信技術(shù)專家們的設(shè)想，正如1998年提出的3G。因此，5G極有可能與3G類似，是一個(gè)相對(duì)短暫的一代。但有一點(diǎn)是肯定的，5G將是有探索價(jià)值的一代，是移動(dòng)通信歷史上邁向萬物互聯(lián)的承前啟后的一代。

3 5G無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)

從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)看，5G無線接入技術(shù)涉及幀結(jié)構(gòu)、雙工模式、波形、多址接入、編碼調(diào)制、天線、接入控制協(xié)議等。大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)（以下簡稱大唐電信）在2013年發(fā)布了5G白皮書[8]，隨后我國IMT-2020(5G)推進(jìn)組梳理了5G無線側(cè)關(guān)鍵技術(shù)[6]，主要有大規(guī)模多天線、新型多址接入、超密集組網(wǎng)、高頻段通信、低時(shí)延高可靠物聯(lián)網(wǎng)、靈活頻譜共享、新型編碼調(diào)制、新型多載波、M2M、D2D（device to device）、靈活雙工、全雙工共12項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

當(dāng)前5G關(guān)鍵技術(shù)開始收斂。筆者認(rèn)為：大規(guī)模多天線和新型多址接入技術(shù)可以提升頻譜效率，構(gòu)成“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)”確保用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)；超密集組網(wǎng)和高頻段通信技術(shù)可以提升熱點(diǎn)流量和傳輸速率，基于LTE-Hi演進(jìn)技術(shù)的能力提升；低時(shí)延高可靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以拓展業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍，將成為5G物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)）的關(guān)鍵使能技術(shù)。

3.1 大規(guī)模多天線

傳統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)主要是挖掘時(shí)域與頻域資源，20世紀(jì)90年代，Turbo碼的出現(xiàn)使信息傳輸速率幾乎達(dá)到了香農(nóng)極限。多天線技術(shù)將信號(hào)處理從時(shí)域和頻域擴(kuò)展到空間域，從而提高了無線頻譜效率和傳輸可靠性。多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無源到有源，從二維到三維，從高階MIMO到大規(guī)模陣列天線的發(fā)展。

從香農(nóng)信息論可知，從1G到3G，通過調(diào)制與編碼等技術(shù)進(jìn)步來提高信噪比實(shí)現(xiàn)容量提升的方法已接近極限，但MIMO技術(shù)可以在空間域上進(jìn)一步有效地提高信噪比。理論上，MIMO系統(tǒng)容量與天線數(shù)成正比，即增加天線數(shù)可以線性地增加系統(tǒng)容量。當(dāng)基站側(cè)天線數(shù)遠(yuǎn)大于用戶天線數(shù)時(shí)，基站到各個(gè)用戶的信道將趨于正交。此時(shí)，用戶間干擾將趨于消失，而巨大的陣列增益將有效地提升每個(gè)用戶的信噪比，從而能在相同的時(shí)域和頻域資源中共同調(diào)度更多用戶。

隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，特別是射頻器件和天線等技術(shù)的進(jìn)步，使多達(dá)100個(gè)以上天線端口的大規(guī)模多天線技術(shù)在5G應(yīng)用成為可能，是目前業(yè)界公認(rèn)為應(yīng)對(duì)5G在系統(tǒng)容量、數(shù)據(jù)速率等方面挑戰(zhàn)的標(biāo)志技術(shù)之一。在實(shí)際應(yīng)用中，通過使用大規(guī)模多天線陣列，基站可以在三維空間形成具有更高空間分辨率的高增益窄細(xì)波束，從而實(shí)現(xiàn)更靈活的空間復(fù)用能力和改善接收端接收信號(hào)，并且更窄波束可以大幅度降低用戶間干擾，從而實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量和頻譜利用效率[9]。

大規(guī)模多天線技術(shù)在5G中的潛在應(yīng)用場(chǎng)景包括宏覆蓋、高層建筑、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)外熱點(diǎn)及無線回傳鏈路等。在廣域覆蓋場(chǎng)景，大規(guī)模多天線技術(shù)可以利用現(xiàn)有頻段；在熱點(diǎn)覆蓋或回傳鏈路等場(chǎng)景中，則可以考慮使用更高頻段。

當(dāng)前，大規(guī)模多天線技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)包括：基帶運(yùn)算的復(fù)雜度、處理時(shí)間和成本問題；信道測(cè)量性能和信道狀態(tài)信息反饋的導(dǎo)頻開銷問題；相位噪聲與校正問題等。主要研究方向包括：高效信號(hào)處理技術(shù)、信道建模及系統(tǒng)性能分析技術(shù)、信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)、成形碼本的設(shè)計(jì)、多用戶調(diào)度與資源管理技術(shù)、大規(guī)模有源陣列天線技術(shù)、覆蓋增強(qiáng)技術(shù)以及高速移動(dòng)解決方案。

包括大唐電信在內(nèi)的我國企業(yè)從TD-SCDMA開始，首次在全球?qū)⒅悄芴炀€波束成形技術(shù)引入蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，并且在TD-LTE中拓展到8天線多流波束成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了波束成形與空間復(fù)用的深度融合，在國際上領(lǐng)先，且已經(jīng)在全球商用，性能得到業(yè)界認(rèn)可。目前大部分商用FDD LTE仍采用2天線（部分采用4天線）。在多天線技術(shù)方面，F(xiàn)DD落后于TDD?？梢姡琓D-LTE的多天線多流波束成形技術(shù)成果為我國企業(yè)在5G大規(guī)模多天線及波束成形的技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)上取得了先機(jī)。

3.2 5G新型多址接入技術(shù)：PDMA[10]

多址接入技術(shù)是解決多用戶進(jìn)行信道復(fù)用的技術(shù)手段，是移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)性傳輸方式，關(guān)系到系統(tǒng)容量、小區(qū)構(gòu)成、頻譜和信道利用效率以及系統(tǒng)復(fù)雜性和部署成本，也關(guān)系到設(shè)備基帶處理能力、射頻性能和成本等工程問題。多址接入技術(shù)可以將信號(hào)維度按照時(shí)間、頻率或碼字分割為正交或者非正交的信道，分配給用戶使用。歷代移動(dòng)通信系統(tǒng)都有其標(biāo)志性的多址接入技術(shù)作為其革新?lián)Q代的標(biāo)志。例如：1G的模擬頻分多址接入（FDMA）技術(shù)；2G的時(shí)分多址接入（TDMA）和頻分多址接入（FDMA）技術(shù)；3G的碼分多址接入（CDMA）技術(shù)；4G的正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。1G到4G采用的都是正交多址接入技術(shù)。對(duì)于正交多址接入，用戶在發(fā)送端占用正交的無線資源，接收端易于使用線性接收機(jī)來進(jìn)行多用戶檢測(cè)，復(fù)雜度較低，但系統(tǒng)容量會(huì)受限于可分割的正交資源數(shù)目。從單用戶信息論角度，LTE的單鏈路性能已接近點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道容量，提升空間十分有限；若從多用戶信息論角度，非正交多址技術(shù)還能進(jìn)一步提高頻譜效率，也是逼近多用戶信道容量上界的有效手段。

因此，若繼續(xù)采用傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)5G需要支持的大容量和海量連接數(shù)。理論上，非正交多址接入將突破正交多址接入的容量極限，能夠依據(jù)多用戶復(fù)用倍數(shù)來成倍地提升系統(tǒng)容量。非正交多址接入需要在接收端引入非線性檢測(cè)來區(qū)分用戶，得益于器件和集成電路的進(jìn)步，目前非正交已經(jīng)從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。

圖樣分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）技術(shù)[10]，是大唐電信在早期 SAMA（SIC amenable multiple access）[11]研究基礎(chǔ)上提出的一種新型非正交多址接入技術(shù)，它采用發(fā)送端與接收端聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，將多個(gè)用戶的信號(hào)通過PDMA編碼圖樣映射到相同的時(shí)域、頻域和空域資源進(jìn)行復(fù)用疊加傳輸，這樣可以大幅度地提升用戶接入數(shù)量。接收端利用廣義串行干擾刪除算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)最優(yōu)多用戶檢測(cè)，逼近多用戶信道容量界，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)。PDMA技術(shù)可以應(yīng)用于通信系統(tǒng)的上行鏈路和下行鏈路，能夠提升移動(dòng)寬帶應(yīng)用的頻譜效率和系統(tǒng)容量，支持5G海量物聯(lián)網(wǎng)終端接入。PDMA技術(shù)自提出就受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，2014年，PDMA技術(shù)被寫入ITU的新技術(shù)報(bào)告IMT.Trend[12]。

大唐電信對(duì)PDMA的仿真評(píng)估表明：PDMA能夠使得系統(tǒng)下行頻譜效率提升50%以上，上行頻譜效率提升100%以上；采用PDMA與OFDM結(jié)合的接入方式時(shí)，能支持的終端接入數(shù)量，相對(duì)于4G提升5倍以上。目前，大唐電信正在開發(fā)PDMA原型系統(tǒng)。

3.3 雙工模式

雙工模式是指如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向傳輸。時(shí)分雙工（TDD）是通過時(shí)間分隔實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送及接收；頻分雙工（FDD）是利用頻率分隔實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送及接收。從1G到4G，GSM、CDMA、WCDMA 和 FDD LTE 都是 FDD 系統(tǒng)，我國企業(yè)主導(dǎo)的TD-SCDMA和TD-LTE都是TDD系統(tǒng)。最新的研究方向是全雙工。

全雙工是指同時(shí)、同頻進(jìn)行雙向通信，即無線通信設(shè)備使用相同的時(shí)間、相同的頻率，同時(shí)發(fā)射和接收無線信號(hào)，理論上可使無線通信鏈路的頻譜效率提高1倍。由于收發(fā)同時(shí)同頻，全雙工發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)會(huì)對(duì)本地接收機(jī)產(chǎn)生干擾。根據(jù)典型蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)不同的覆蓋半徑，天線接頭處收發(fā)信號(hào)功率差通常在100～150 dB，如何簡單有效地消除如此大的自干擾是個(gè)難題，還有鄰近小區(qū)的同頻干擾問題以及工程實(shí)現(xiàn)上的電路小型化問題。目前實(shí)現(xiàn)自干擾抑制主要有空域、射頻域和數(shù)字域聯(lián)合等技術(shù)方案，研究以高校的理論分析和技術(shù)試驗(yàn)為主，還沒有成熟的產(chǎn)品樣機(jī)和應(yīng)用。另外，全雙工在解決無線網(wǎng)絡(luò)中的某些特殊問題時(shí)有優(yōu)勢(shì)，如隱藏終端問題和多跳無線網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延問題。

靈活雙工是指能夠根據(jù)上下行業(yè)務(wù)變化情況，靈活地分配上下行的時(shí)間和頻率資源，更好地適應(yīng)非均勻、動(dòng)態(tài)變化或突發(fā)性的業(yè)務(wù)分布，有效提高系統(tǒng)資源的利用率。靈活雙工可以通過時(shí)域、頻域的方案實(shí)現(xiàn)，若在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)，就是同一頻段上下行時(shí)隙可靈活配比，也就是TDD方案；若在頻域?qū)崿F(xiàn)，則存在多于兩個(gè)頻段時(shí)，可以靈活配比上下行頻段；若在傳統(tǒng)FDD上下行的兩個(gè)頻段中，上行頻段的時(shí)隙配置實(shí)現(xiàn)可靈活時(shí)隙配比，則是TDD與FDD融合方案，可應(yīng)用于低功率節(jié)點(diǎn)，但這需要調(diào)研各國頻率政策，分析現(xiàn)有政策是否允許此方式。

目前產(chǎn)業(yè)界公認(rèn)在LTE演進(jìn)上主要定位TDD+，認(rèn)為在5G低頻段將采用FDD和TDD，在高頻段更宜采用TDD。由于TDD模式能更好地支持5G關(guān)鍵技術(shù)（如大規(guī)模多天線、高頻段通信等）。筆者預(yù)測(cè)，全雙工在5G上的應(yīng)用將有限，TDD和FDD都會(huì)得到應(yīng)用且融合發(fā)展，但TDD在5G解決大容量和高頻段中會(huì)起到主導(dǎo)應(yīng)用，而且5G新空口極可能采用TDD模式[13]，第5節(jié)將會(huì)有專門的分析與討論。

3.4 超密集組網(wǎng)

[14]統(tǒng)計(jì)，在1950-2000年的 50年間，相對(duì)于語音編碼和調(diào)制等物理層技術(shù)進(jìn)步帶來不到10倍的頻譜效率提升和采用更大的頻譜帶寬帶來的傳輸速率幾十倍的提升,通過縮小小區(qū)半徑 （即頻譜資源的空間復(fù)用），帶來的頻譜效率可以提升2 700倍以上?？梢?，網(wǎng)絡(luò)密集化是5G應(yīng)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)大流量和劇增系統(tǒng)容量需求的重要手段之一。網(wǎng)絡(luò)密集程度可以用單位面積內(nèi)部署的天線數(shù)量來定義，有兩種手段可以實(shí)現(xiàn)：多天線系統(tǒng)(大規(guī)模多天線或分布式天線系統(tǒng)等)和小小區(qū)的密集部署。后者就是超密集組網(wǎng)，即通過更加“密集化”的基站部署，單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍大大縮小，以獲得更高的頻率復(fù)用效率，從而在局部熱點(diǎn)區(qū)域提升系統(tǒng)容量達(dá)百倍。典型應(yīng)用場(chǎng)景主要包括辦公室、密集住宅、密集街區(qū)、校園、大型集會(huì)、體育場(chǎng)、地鐵和公寓等。

隨著小區(qū)部署密度的增加，超密集組網(wǎng)將面臨許多新的技術(shù)挑戰(zhàn)，如回傳鏈路、干擾、移動(dòng)性、站址、傳輸資源和部署成本等。為了實(shí)現(xiàn)易部署、易維護(hù)、用戶體驗(yàn)佳，超密集組網(wǎng)的研究方向包括小區(qū)虛擬化、自組織自優(yōu)化、動(dòng)態(tài)TDD、先進(jìn)的干擾管理和先進(jìn)的聯(lián)合傳輸?shù)?。筆者提出了以用戶為中心的超密集組網(wǎng)（UUDN）[15]。UUDN突破傳統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為中心的理念，基于去蜂窩化的思想，采用更加貼近用戶的本地控制管理中心構(gòu)建以用戶為中心的虛擬伴隨小區(qū)，通過高效的移動(dòng)性管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)隨用戶動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng)智能感知用戶需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，按需選擇合理的接入方式和傳輸方式，實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的業(yè)務(wù)傳輸。另外，以用戶為中心的超密集網(wǎng)絡(luò)還引入了先進(jìn)的干擾管理、靈活的無線回傳、智能的網(wǎng)絡(luò)編排、網(wǎng)絡(luò)自優(yōu)化等先進(jìn)特性，以提升網(wǎng)絡(luò)容量和區(qū)域頻譜效率，降低部署和維護(hù)成本，提升用戶體驗(yàn)。

3.5 先進(jìn)的頻譜利用技術(shù)

（1）高頻段無線傳輸技術(shù)

目前，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)工作頻段主要在3 GHz以下，用戶數(shù)的增加和更高通信速率的需求，使得頻譜資源十分擁擠，而在6 GHz以上高頻段具有連續(xù)的大帶寬頻譜資源。目前產(chǎn)業(yè)界研究6～100 GHz的頻段 （稱為毫米波，mmWave）來滿足5G對(duì)更大容量和更高速率的需求，傳送高達(dá)10 Gbit/s甚至更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

高頻通信已應(yīng)用在軍事通信和無線局域網(wǎng)方面，但在蜂窩通信領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于起步階段。頻段越高，信道傳播路徑損耗越大，因此小區(qū)覆蓋半徑將大大縮小。在一定區(qū)域內(nèi)基站數(shù)量將大大增加，即形成UDN。高頻信道與傳統(tǒng)蜂窩頻段信道有明顯差異，存在如傳播損耗大、穿透能力有限、信道變化快、繞射能力差和移動(dòng)性支持能力受限等問題，需要深入研究高頻信道的測(cè)量與建模、高頻新空口和組網(wǎng)技術(shù)。另外，研制大帶寬、低噪聲、高效率、高可靠性、多功能和低成本的高頻器件，仍是產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，而我國產(chǎn)業(yè)在此方面差距更大。

（2）動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)

據(jù)產(chǎn)業(yè)界預(yù)測(cè)，到2020年移動(dòng)通信頻率需求總量為 1 390～1 960 MHz，我國預(yù)測(cè)結(jié)果為 1 490～1 810 MHz，頻率缺口達(dá)到1 GHz。頻率短缺矛盾凸顯，雖經(jīng)IMT產(chǎn)業(yè)界努力爭取，但從2015年國際無線電大會(huì)（WRC-15）會(huì)議結(jié)果看，沒有任何一個(gè)國家和地區(qū)新劃分的總量超過300 MHz，遠(yuǎn)不能滿足5G需求。況且，期望WRC-19最終獲得的頻率劃分并不樂觀。

美國頻譜政策工作組（SPTF）調(diào)查[16]表明：85%已規(guī)劃的無線電頻率在不同時(shí)間和地區(qū)部分或全部未被使用。歐洲的頻譜測(cè)量[17]表明：400 MHz～3 GHz頻段的頻率利用率低于11%。因此，在頻率資源越來越緊張的情況下，為滿足5G需求，在盡力爭取更多IMT專用頻譜外，提高已有IMT頻譜的使用效率尤為重要。引入新型的頻譜管理理念，通過頻譜共享技術(shù)結(jié)合5G其他關(guān)鍵技術(shù)，可聯(lián)合使用現(xiàn)有IMT頻段和高頻段來滿足5G需求。

頻譜共享的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括：運(yùn)營商內(nèi)無線接入技術(shù)（RAT）間的頻譜共享、運(yùn)營商間頻譜共享、免授權(quán)頻段的頻譜共享和次級(jí)接入頻譜共享等，緩解運(yùn)營商頻譜過飽或過閑置，提升運(yùn)營商總頻譜資源使用效率。

頻譜共享技術(shù)具備跨不同網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的最優(yōu)動(dòng)態(tài)頻譜配置和管理功能，具備智能自主接入網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)間切換的自適應(yīng)性功能，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效、動(dòng)態(tài)和靈活的頻譜使用，以提升空口效率、系統(tǒng)覆蓋層次和密度等，從而提高頻譜綜合利用效率。

認(rèn)知無線電指通過對(duì)空閑頻譜的探測(cè)與機(jī)會(huì)式占用，在擴(kuò)展系統(tǒng)自身可用頻譜資源的同時(shí)，保證對(duì)所占用頻譜的原授權(quán)系統(tǒng)無有害干擾。頻譜共享是更廣義的頻譜使用技術(shù)，包括異系統(tǒng)間、多RAT間、系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)間和不同制式間等的頻譜共享。共享者之間可以是對(duì)頻譜具有相同占用等級(jí)或者不同占用等級(jí)。在頻譜共享技術(shù)中，可以利用認(rèn)知無線電技術(shù)進(jìn)行頻譜探測(cè)，也可以通過對(duì)頻譜數(shù)據(jù)庫的查詢來獲取可用頻譜資源，繼而進(jìn)行高效的頻譜管理，使得頻譜資源在共享者之間得到最大化的利用率。

目前，頻譜共享技術(shù)需要研究的關(guān)鍵技術(shù)與問題，包括新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及新增的無線接口設(shè)計(jì)、頻譜檢測(cè)機(jī)制和算法、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和頻譜地圖生成與管理、頻譜資源的高效管理與分配、支持靈活帶寬和工作頻點(diǎn)的新型射頻和多系統(tǒng)整合帶來的安全性技術(shù)問題等。從工程實(shí)現(xiàn)上，對(duì)基帶算法與器件能力提出了更高要求。另外，頻譜共享技術(shù)需要國家頻譜管理政策的支持，研究新的經(jīng)濟(jì)模型，制定新的使用規(guī)則、安全策略等。

3.6 多種RAT與虛擬RAT[18]

目前，產(chǎn)業(yè)界達(dá)成共識(shí)：5G將包含LTE演進(jìn)和新無線空口。LTE演進(jìn)在第5.1節(jié)會(huì)有介紹。針對(duì)5G新空口，由于5G的不同場(chǎng)景應(yīng)用（eMBB、mMTC和cMTC等）需求差異很大，很難通過一種RAT實(shí)現(xiàn)。因此不會(huì)像1G至4G時(shí)某一制式是單一RAT，而5G極可能是一個(gè)多RAT的時(shí)代。從另一角度看，1G至4G是多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制式/體系（如2G時(shí)的GSM和CDMA）間的競(jìng)爭，而在5G時(shí)，極可能變成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)不同RAT間的競(jìng)爭。

在5G多RAT情況下，筆者團(tuán)隊(duì)提出了虛擬RAT（virtual RAT）[18]，包括總體架構(gòu)與協(xié)議棧，通過控制面和用戶面分離定義無線空口集實(shí)現(xiàn)多個(gè)異構(gòu)RAT協(xié)同，提供靈活和可定制的接入網(wǎng)。

4 5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)看，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及移動(dòng)性管理、接入控制、連接管理等功能。我國IMT-2020(5G)推進(jìn)組梳理了5G核心網(wǎng)絡(luò)的系列關(guān)鍵技術(shù)[7]，主要有控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制功能重構(gòu)、新型連接管理和移動(dòng)性管理、移動(dòng)邊緣內(nèi)容與計(jì)算、按需組網(wǎng)、統(tǒng)一的多無線接入技術(shù)融合、無線網(wǎng)狀網(wǎng)和動(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)、無線資源調(diào)度與共享、用戶和業(yè)務(wù)的感知與處理、定制化部署和服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)能力開放等關(guān)鍵技術(shù)。

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)難以做到網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整和按需分配，無法實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行可編程操作，造成部署新業(yè)務(wù)的周期長、成本高等。5G網(wǎng)絡(luò)將向扁平化方向發(fā)展，控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、硬件與軟件分離的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）成為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、提升網(wǎng)絡(luò)整體效率和降低總成本。

4.1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

SDN始于學(xué)術(shù)研究和數(shù)據(jù)中心，是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念和新型開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制邏輯集中和網(wǎng)絡(luò)可編程三大特征?？刂破骶哂腥志W(wǎng)絡(luò)信息，負(fù)責(zé)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源和制定轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則等，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅提供簡單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。層間采用開放的統(tǒng)一接口（如OpenFlow等）進(jìn)行交互，這樣有利于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的可編程。

NFV由電信運(yùn)營商聯(lián)盟提出，是一種軟件與硬件分離的架構(gòu)，通過IT虛擬化技術(shù)，采用產(chǎn)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和交換機(jī)等硬件基礎(chǔ)設(shè)施，通過加載軟件實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)智能編排，以降低設(shè)備成本、加快網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的部署速度，改變過去由專用硬件設(shè)備來部署的被動(dòng)局面。

由此可見，SDN和NFV具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，盡管兩個(gè)概念和解決方案可以融合應(yīng)用，但是并不相互依賴。SDN控制網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)連接，NFV實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)功能，SDN和NFV可以互為使能。

多種類型的業(yè)務(wù)和多樣化的通信場(chǎng)景對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)提出了多樣化的性能需求，而這些多樣化的性能需求顯然無法通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來保證。5G需要支持多種不同類型的業(yè)務(wù)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景差異很大，如mMTC的海量連接物聯(lián)網(wǎng)，cMTC的低時(shí)延、高可靠的車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等，其安全性的要求也不相同。5G將基于SDN和功能重構(gòu)的技術(shù)設(shè)計(jì)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)面向5G復(fù)雜場(chǎng)景下的整體接入性能；基于NFV按需編排網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片和靈活部署，滿足端到端的業(yè)務(wù)體驗(yàn)和高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營需求。5G的NFV將從核心網(wǎng)向無線接入網(wǎng)推進(jìn)，但如何有效實(shí)現(xiàn)無線資源虛擬化還需深入研究。

5G網(wǎng)絡(luò)需具備虛擬化切片的能力，使得每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片能夠適配不同的業(yè)務(wù)和通信場(chǎng)景，以提供合理的網(wǎng)絡(luò)控制和高效的資源利用。網(wǎng)絡(luò)切片是指將物理網(wǎng)絡(luò)通過虛擬化技術(shù)分割為多個(gè)相互獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片中的網(wǎng)絡(luò)功能可以在定制化的裁剪后，通過動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)功能編排形成一個(gè)完整的、實(shí)例化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過為不同的業(yè)務(wù)和通信場(chǎng)景創(chuàng)建不同的網(wǎng)絡(luò)切片，使得網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特征采用不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理機(jī)制，包括合理的資源分配方式、控制管理機(jī)制和運(yùn)營商策略，從而保證通信場(chǎng)景中的性能需求，提高用戶體驗(yàn)以及網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。

軟件定義與可編程的優(yōu)點(diǎn)是能感知環(huán)境與業(yè)務(wù)、提供基于場(chǎng)景的業(yè)務(wù)和應(yīng)用、方便網(wǎng)絡(luò)能力開放。但同時(shí)，SDN和NFV帶來了5G網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)運(yùn)維的新問題。5G采用通用硬件平臺(tái)，帶來了比傳統(tǒng)專用通信硬件的低可靠性問題，與5G服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等的高可靠性矛盾。因此，還需進(jìn)一步研究如何提高在通用硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)電信協(xié)議的可靠性，如容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4.2 動(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)

在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)部署、運(yùn)維等基本依靠人工的方式，需要投入大量的人力,給運(yùn)營商帶來巨大挑戰(zhàn)。SON是在網(wǎng)絡(luò)中引入自組織能力（網(wǎng)絡(luò)智能化），包括自配置、自優(yōu)化、自愈合等,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、部署、維護(hù)、優(yōu)化和排障等各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)進(jìn)行,最大限度地減少人工干預(yù)，降低成本、提高效率。

從第3節(jié)得知：5G將是融合、協(xié)同的多制式共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。從技術(shù)上看,將存在多層、多類型無線接入技術(shù)的共存,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。各種無線接入技術(shù)內(nèi)部和各種覆蓋能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，特別是超密集組網(wǎng)的引入，導(dǎo)致無線參數(shù)的急劇增加，網(wǎng)絡(luò)的部署、運(yùn)營、維護(hù)將成為一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作。為了縮短建設(shè)周期、降低運(yùn)營維護(hù)復(fù)雜度和成本，未來5G網(wǎng)絡(luò)需要SON功能,能統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)多個(gè)異構(gòu)無線接入技術(shù)、多種覆蓋層次的聯(lián)合自配置、自優(yōu)化、自愈合。

4.3 移動(dòng)邊緣內(nèi)容與計(jì)算

筆者認(rèn)為，5G的移動(dòng)內(nèi)容云化有兩個(gè)趨勢(shì)：從傳統(tǒng)的中心云到邊緣云（即移動(dòng)邊緣計(jì)算），再到移動(dòng)設(shè)備云。

由于智能終端和應(yīng)用的普及,使得移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來越大,內(nèi)容越來越多。為了加快網(wǎng)絡(luò)訪問速度,需要將內(nèi)容存儲(chǔ)和分發(fā)能力下沉到無線接入網(wǎng)中，基于對(duì)用戶的感知，按需智能推送內(nèi)容，提升用戶體驗(yàn)。因此，在無線網(wǎng)絡(luò)中采用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò) (content delivery network，CDN)技術(shù)成為自然的選擇，即無線基站增加計(jì)算與存儲(chǔ)能力，構(gòu)成了分布式CDN，就是移動(dòng)邊緣內(nèi)容與計(jì)算（MECC）。MECC還可以開放實(shí)時(shí)的無線網(wǎng)絡(luò)信息，為移動(dòng)用戶提供個(gè)性化、上下文相關(guān)的體驗(yàn)。MECC適合應(yīng)用于新興的智能應(yīng)用，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)辦公、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)游戲等。

在移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)中，通常流行內(nèi)容會(huì)得到在較近距離范圍內(nèi)的大量移動(dòng)用戶的共同關(guān)注。同時(shí)，由于技術(shù)進(jìn)步，移動(dòng)設(shè)備成為可以提供剩余能力（計(jì)算、存儲(chǔ)和上下文等）的“資源”，可以是云的一部分，即形成池化的虛擬資源，從而構(gòu)成移動(dòng)設(shè)備云。

4.4 安全可信的網(wǎng)絡(luò)空間

5G提供數(shù)據(jù)、連接和基于場(chǎng)景的服務(wù)，人、物與網(wǎng)絡(luò)高度融合的場(chǎng)景化時(shí)代即將來臨。現(xiàn)實(shí)空間與網(wǎng)絡(luò)空間交織發(fā)展，安全成為支撐5G健康發(fā)展的關(guān)鍵要素。

面向信息消費(fèi)、工業(yè)生產(chǎn)、互聯(lián)網(wǎng)金融、教育醫(yī)療、智能交通和公共管理等典型應(yīng)用場(chǎng)景，5G網(wǎng)絡(luò)需要提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)通信和服務(wù)平臺(tái)，并能夠保護(hù)用戶隱私，同時(shí)支持國家和社會(huì)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)空間秩序。在傳統(tǒng)接入安全、傳輸安全的基礎(chǔ)上，5G需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間與現(xiàn)實(shí)空間的有效映射，提供滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的多級(jí)別安全保證，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體自身具備安全免疫能力，構(gòu)建安全可信的網(wǎng)絡(luò)空間。

大唐電信發(fā)布的5G網(wǎng)絡(luò)安全白皮書[19]分析了未來5G移動(dòng)寬帶系統(tǒng)的一些典型應(yīng)用場(chǎng)景，站在用戶、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)平臺(tái)提供者、社會(huì)和政府的不同角度分析了5G的安全需求；提出了5G網(wǎng)絡(luò)安全的3個(gè)核心要素：身份可信、網(wǎng)絡(luò)可信和實(shí)體可信，并對(duì)主要的安全技術(shù)方向進(jìn)行了研討。

5 TDD在5G中的優(yōu)勢(shì)和角色[13,20]

從5G自身特點(diǎn)來看，TDD相比FDD更有優(yōu)勢(shì)。主要原因如下。

·TDD可以利用上行信道以及下行信道的互易性、低復(fù)雜度和低成本獲取復(fù)雜無線環(huán)境下的信道信息，更好地支持大規(guī)模多天線、超密集組網(wǎng)等應(yīng)用。

·5G系統(tǒng)在頻譜上需要更大的帶寬，并向更高頻段拓展，比如6 GHz及以上，TDD使用非成對(duì)的單一頻譜，更容易獲得大帶寬的新頻段或空閑頻段。因此，TDD更易于實(shí)現(xiàn)高頻段通信、靈活頻譜共享等應(yīng)用。

·TDD更易于實(shí)時(shí)且靈活地調(diào)整上行以及下行帶寬的比例配置，更好地匹配大量下載或上傳的業(yè)務(wù)突發(fā)情況，提升系統(tǒng)效率。

可以預(yù)期，面向5G，TDD制式將獲得全球移動(dòng)通信業(yè)界更多的關(guān)注、研究以及商用。下面介紹TD-LTE向5G演進(jìn)的TDD+技術(shù)[21]及5G中TDD優(yōu)勢(shì)技術(shù)[13,20]。

5.1 TDD+：向5G演進(jìn)的TDD系列增強(qiáng)技術(shù)

3GPP在2016年初啟動(dòng)5G研究，計(jì)劃將R14和R15當(dāng)作5G的基礎(chǔ)版本，R16作為5G的正式版本。關(guān)于5G，參與3GPP的各公司的共識(shí)是“5G=LTE演進(jìn)+新空口”，其中，LTE演進(jìn)主要在低頻段，新空口同時(shí)包括低頻段和高頻段。

考慮到5G商用還有5年，為了實(shí)現(xiàn)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)在滿足5G商用之前的更多需求 （如提升容量和連接數(shù)、降低時(shí)延等），TD-LTE全球聯(lián)盟（GTI）提出了 TDD+的概念[21]，系列TDD增強(qiáng)技術(shù)包括：TDD-FDD載波聚合、動(dòng)態(tài) TDD、全維度 MIMO、三維（3D）波束成形、LTE-Hi和機(jī)器類通信（machine type commuication，MTC），GTI將 TDD+看成是TD-LTE向5G平滑演進(jìn)的橋梁。與此相關(guān)的5G中TDD優(yōu)勢(shì)技術(shù)包括大規(guī)模多天線、超密集組網(wǎng)、高頻段通信、靈活頻譜共享和低時(shí)延高可靠等，如圖1所示。

5.2 5G中TDD優(yōu)勢(shì)技術(shù)[13,20]

（1）基于TDD的大規(guī)模多天線

大規(guī)模多天線應(yīng)用的一個(gè)重要假設(shè)是信道具備互易性。否則，要依靠信道測(cè)量與反饋的開銷將非常巨大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都變得異常復(fù)雜。

FDD系統(tǒng)的頻點(diǎn)間相差較遠(yuǎn)，在實(shí)際中，由于頻率選擇性問題，可能在一個(gè)頻點(diǎn)上某個(gè)方向能量強(qiáng)一些，而在另一個(gè)頻點(diǎn)上可能是另一個(gè)方向能量強(qiáng)。因此，F(xiàn)DD的信道互易性較差。在FDD系統(tǒng)中，基站側(cè)需要針對(duì)每個(gè)天線發(fā)送導(dǎo)頻信息，終端側(cè)需要對(duì)下行信道測(cè)量合成后反饋給基站。因此，F(xiàn)DD需要信道估計(jì)和反饋的導(dǎo)頻開銷將隨著天線數(shù)的增多而增大?；旧习俑炀€的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)需要耗費(fèi)大量的時(shí)頻資源，因此，實(shí)際應(yīng)用中采用基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方式是不可取的。

TDD有天然的優(yōu)勢(shì)，由于在相同的頻點(diǎn)發(fā)送和接收，只是時(shí)間上有區(qū)分。在實(shí)際中，認(rèn)為信道是互易的。這樣，TDD系統(tǒng)就可以利用信道互易性進(jìn)行信道估計(jì)，不需要額外的開銷進(jìn)行信道估計(jì)，只需要終端側(cè)發(fā)送導(dǎo)頻信息，即開銷與天線數(shù)量無關(guān)。

（2）基于TDD的超密集組網(wǎng)

UDN主要解決熱點(diǎn)區(qū)域的成百倍系統(tǒng)容量的提升問題，通過高頻段實(shí)現(xiàn)短距離的高速率通信。超密集組網(wǎng)更適合TDD系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在TDD模式的上行和下行靈活配置，更易于滿足超密集組網(wǎng)對(duì)應(yīng)的上下行業(yè)務(wù)不對(duì)稱需求；TDD模式更易于小蜂窩覆蓋和靈活組網(wǎng)；在高頻段要獲得成對(duì)的大帶寬頻段相對(duì)困難，高頻段更適合TDD模式的應(yīng)用。

圖1 TDD+所包含的系列技術(shù)和5G中TDD優(yōu)勢(shì)技術(shù)

（3）基于TDD的設(shè)備直通和車聯(lián)網(wǎng)

D2D是指兩個(gè)對(duì)等設(shè)備間直接進(jìn)行通信的方式。傳統(tǒng)的蜂窩用戶設(shè)備（終端）只需在上行具備發(fā)送能力及在下行具備接收能力，而D2D要求終端能在上下行的資源上同時(shí)具備發(fā)送和接收的能力，所以對(duì)于終端的能力和復(fù)雜度有很大的影響。

對(duì)于FDD系統(tǒng)來說，接收D2D信息的終端必須具備在上行頻段接收、解調(diào)信號(hào)的能力，終端的射頻和基帶都要升級(jí)。而對(duì)于TDD系統(tǒng)而言，因?yàn)樯?、下行使用相同的頻段，接收D2D的終端必須具備在上行時(shí)隙接收、解調(diào)信號(hào)的能力，終端的基帶要升級(jí)，但射頻不需要改動(dòng)，硬件改動(dòng)較小。因此，相對(duì)于FDD系統(tǒng)，D2D在TDD系統(tǒng)中的應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)。車聯(lián)網(wǎng)中的主要業(yè)務(wù)類型是終端之間的廣播業(yè)務(wù)，在終端構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為無線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不存在統(tǒng)一的中央節(jié)點(diǎn)，收發(fā)均集中于相同的頻段上。因此，D2D和車聯(lián)網(wǎng)的工作方式，都更接近于蜂窩系統(tǒng)中的TDD模式，TDD技術(shù)將成為D2D和車聯(lián)網(wǎng)中的唯一技術(shù)。

（4）基于TDD的高頻段通信和動(dòng)態(tài)頻譜共享

在高頻段要獲得成對(duì)的大帶寬頻段相對(duì)困難，因此高頻段更適合TDD技術(shù)的應(yīng)用?，F(xiàn)有的在高頻段工作的系統(tǒng)，例如IEEE 802.11ad，都是以TDD模式在工作。

無論是在機(jī)會(huì)式的空閑頻段，還是在免授權(quán)頻段，甚至是多運(yùn)營共享使用的特定頻段，要找到成對(duì)的頻段是十分困難的，因此頻譜共享技術(shù)更適合采用TDD模式。

綜上分析，筆者認(rèn)為TDD將是5G的主要組成部分，特別是5G新空口極可能采用TDD模式。而我國企業(yè)從TD-SCDMA到TD-LTE長期在TDD領(lǐng)域積累的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，將得到更大程度的發(fā)揮。

6 關(guān)于實(shí)現(xiàn)我國5G引領(lǐng)的建議

在技術(shù)突破、標(biāo)準(zhǔn)制定方面，我國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界經(jīng)過3G和4G近20年的積累，已具備系統(tǒng)創(chuàng)新的能力。但5G的系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)難度和應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜度等更高！在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)制定上必然將更加復(fù)雜和關(guān)鍵！

突破5G核心技術(shù)，是取得5G國際標(biāo)準(zhǔn)制定話語權(quán)和引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)的根本。另外，5G的競(jìng)爭將不僅是通信基礎(chǔ)技術(shù)的競(jìng)爭，而且是核心器件等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈競(jìng)爭、面向行業(yè)應(yīng)用的新產(chǎn)業(yè)生態(tài)競(jìng)爭。

因此，在推動(dòng)5G發(fā)展中，需要特別提升3個(gè)能力：系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)體系的設(shè)計(jì)和推動(dòng)能力；基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)能力，包括器件、芯片、軟件等能力；垂直行業(yè)的整合及應(yīng)用推廣能力（如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等）。

我國如何才能實(shí)現(xiàn)5G引領(lǐng)的戰(zhàn)略目標(biāo)呢？建議采取“發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、引領(lǐng)標(biāo)準(zhǔn)，政策引導(dǎo)、率先示范，突破瓶頸、帶動(dòng)行業(yè)”的整體戰(zhàn)略。具體描述如下。

（1）發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、引領(lǐng)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前，我國已在從TD-SCDMA到TD-LTE的持續(xù)創(chuàng)新中，積累形成了TDD領(lǐng)域（包括多天線多流波束成形技術(shù)等）在全球的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。而且依據(jù)5G的整體特點(diǎn)，TDD將會(huì)在5G中發(fā)揮更大的作用，大規(guī)模多天線等具有TDD應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵技術(shù)將成為5G標(biāo)志性技術(shù)。建議要立足發(fā)揮TDD技術(shù)優(yōu)勢(shì)，確保實(shí)現(xiàn)對(duì)5G標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)。

（2）政策引導(dǎo)、率先示范

我國應(yīng)盡早發(fā)布對(duì)國際有影響力和引導(dǎo)作用的產(chǎn)業(yè)政策，盡早為5G發(fā)布豐富優(yōu)質(zhì)的頻譜資源。加快推進(jìn)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化等進(jìn)度，率先啟動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)，保證技術(shù)的先進(jìn)性和完整性，提升國際影響力和標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)。

（3）突破瓶頸、帶動(dòng)行業(yè)

發(fā)揮產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用，5G要在具有國際競(jìng)爭力的TDD產(chǎn)業(yè)鏈、4G帶動(dòng)我國集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的基礎(chǔ)上，“縱向提升、橫向拓展”，即縱向提升我國基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)能力，突破4G仍受制約的射頻功放、濾波器等核心器件的產(chǎn)業(yè)瓶頸環(huán)節(jié)；橫向拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用。

7 結(jié)束語

通過推動(dòng)TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)化，我國初步形成了基于本土企業(yè)的完整移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)鏈。在4G階段，我國實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)同步制定、設(shè)備同平臺(tái)開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)性能相當(dāng)和全球商用同步，TD-LTE已發(fā)展成為全球兩大4G主流標(biāo)準(zhǔn)之一，形成了具有國際競(jìng)爭力的移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)鏈，特別是我國企業(yè)在TDD技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)上具有全球競(jìng)爭力。我國已具備了從“3G追趕、4G同行”到“5G引領(lǐng)”的基礎(chǔ)。況且通過分析5G的整體需求與關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)，我國擁有優(yōu)勢(shì)的TDD和多天線多流波束成形技術(shù)等將會(huì)在5G中發(fā)揮更大的作用。

我國針對(duì)5G研究成立了IMT-2020（5G）推進(jìn)組，前期已經(jīng)完成了對(duì)5G的需求、概念、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線技術(shù)的分析，且有多項(xiàng)成果輸入ITU獲得認(rèn)可。相信在政府的指導(dǎo)下，通過我國企業(yè)和高校、研究所等在5G的技術(shù)突破、標(biāo)準(zhǔn)制定和樣機(jī)開發(fā)與試驗(yàn)網(wǎng)方面的努力，有信心在“3G追趕、4G同行”的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)中國“5G引領(lǐng)”的戰(zhàn)略目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]WiMAX Forum.White paper:WiMAX advanced to harmonize with TD-LTE in the 2.3,2.5&3.5GHz bands opportunities&challenges for WiMAX2 [R/OL]. [2016-05-10].http://www.wimaxforum.com.

[2]THOMPSON J,GE X L,WU H C,et al.5G wireless communication systems: prospects and challenges [guest editorial][J].IEEE Communications Magazine,2014,52(2):62-64.

[3]IMT-2020 (5G) Promotion Group. IMT-2020 [EB/OL].[2016-05-10].http://www.IMT-2020.org.cn/.

[4]IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G愿景與需求白皮書 [R].北京：IMT-2020,2014.IMT-2020(5G)Promotion Group.White paper of 5G vision and demand[R].Beijing:IMT-2020,2014.

[5]IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G概念白皮書[R].北京：IMT-2020,2015.IMT-2020(5G)Promotion Group.White paper of 5G concept[R].Beijing:IMT-2020,2015.

[6]IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G無線技術(shù)架構(gòu)白皮書 [R].北京：IMT-2020,2014.IMT-2020(5G)Promotion Group.White paper of 5G wireless technology architecture[R].Beijing:IMT-2020,2014.

[7]IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書 [R].北京：IMT-2020,2015.IMT-2020(5G)Promotion Group.White paper of 5G network technology architecture[R].Beijing:IMT-2020,2015.

[8]大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán).演進(jìn)、融合與創(chuàng)新——5G白皮書[R].北京:大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán),2013.Datang Telecom Group.Evolution、convergence and innovation——5G white paper[R].Beijing:Datang Telecom Group,2013.

[9]CHEN SZ.AdaptivebeamforminginTDD-based mobile communication systems:state of the art and 5G research directions[J].Accepted by IEEE Wireless Communications Magazine.

[10]CHEN S Z.Pattern division multiple access (PDMA)-a novel non-orthogonalmultiple accessfor5G radio networks[J].Accepted by IEEE Transactions on Vehicular Technology.

[11]DAI X M,AI X M,CHEN S Z.Successive interference cancelation amenable multiple access (SAMA)forfuture wireless communications [C]//2014 IEEE International Conference on Communication System(ICCS),November 19-21,2014,Macau,China.New Jersey:IEEE Press,2014:222-226.

[12]IMT.IMT trend from ITU-R WP5D[EB/OL].[2016-05-10].http://www.itu.org/.

[13]CHEN S Z,ZHAO J.Therequirements,challengesand technologies for 5G of terrestrial mobile telecommunication[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(5):36-43.

[14]WEBB W.Wireless communications:the future[M].New York:Wiley,2007.

[15]CHEN S Z,QIAN F,HU B,et al.User-centric ultra-dense networks for 5G:challenges,methodologies and directions[J].IEEE Wireless Communications Magazine,2016,23(2):78-85.

[16]Spectrum Efficiency Working Group.Federal communications commission spectrum policy task report[R/OL].[2016-05-10].http://transition.fcc.gov/sptf/files/SEWGFinalReport_1.pdf.

[17]YUAN G,GRAMMENOS R C,YANG Y,et al.Performance analysis of selective opportunistic spectrum access with traffic prediction [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2010,59(4):1949-1959.

[18]CHEN S Z,ZHAO J,AI M,et.al.Virtual RATs and a flexible and tailored radio access network evolving to 5G [J].IEEE Communications Magazine,2015,53(6):52-58.

[19]大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán).建設(shè)安全可信的網(wǎng)絡(luò)空間——5G網(wǎng)絡(luò)安全白皮書[R].北京：大唐電信集團(tuán),2015.Datang Telecom Group.The construction of security and trusted cyberspace——5G network security white paper[R].Beijing:Datang Telecom Group,2015.

[20]CHEN S Z.TD-LTE evolution and future 5G directions[C]//IEEE/CIC ICCC 2015,November 2-4,2015,Shenzhen,China.

[21]GTI.TDD+:bridge the gap from 4G to 5G[EB/OL].[2016-05-10].http://www.gtigroup.org/e/DownSys/doaction.php?enews=DownSoft&classid=494&id=564&pathid=0&pass=afcf4c22b9897be54ad0c 9ccfd5e0a71&p=1616.

Analysis and suggestion of future 5G directions

CHEN Shanzhi
Datang Telecom Technology and Industry Group,Beijing 100191,China

Firstly,the global research progress of 5G was briefly introduced,and the requirements and challenges of 5G were analyzed.The understanding and views on 5G were shared,and 5G was pointed out as an internet of things generation,a telecom IT generation,software definition and cloud generation,a cellular structure transition generation,and serving as a link between the past and the future generation.Then,the key technologies of 5G wireless transmission and network were also analyzed,including PDMA,UUDN and virtual RAT technologies,which were proposed by the author’s team.Particularly,the advantages of TDD in 5G was pointed,and the new air interface of 5G adopting TDD mode was predicted.At last,combined with China’s innovative experience in TD-SCDMA and TD-LTE,suggestions on how to develop 5G in China were provided.

5G,internet of things,TDD priority technology,massive MIMO,pattern division multiple access,ultra dense network,software defined networking,network function virtualization

Distinguished Young Scholar Award of National Natural Science Foundation （No.61425012）

TN929

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016185

2016-04-23；

2016-07-08

國家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61425012）

陳山枝(1969-)，男，博士，大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)副總裁，電信科學(xué)技術(shù)研究院副院長，無線移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，教授級(jí)高級(jí)工程師、博士生導(dǎo)師，IEEE高級(jí)會(huì)員，工業(yè)和信息化部通信科技委常務(wù)委員，中國電子學(xué)會(huì)會(huì)士，中國通信學(xué)會(huì)會(huì)士。曾任國家“863”計(jì)劃專家組成員、國家科技重大專項(xiàng)三專家組成員等。同時(shí)擔(dān)任 《IEEE Network》《IEEE Internet of Things Journal》《通信學(xué)報(bào)》《電信科學(xué)》和 《中國通信》（China Communications） 的 編 委 ，IEEE Wireless CommunicationsMagazine和 IEEECommunications Magazine的特邀編委。曾獲2015年度國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、2012年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)、2001年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)、第九屆光華工程科技獎(jiǎng)和2014年度中國通信學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。目前主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架、無線移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)。