一、研究的背景及意義

自2009年5月27日瑞典電信運營商Telia宣佈啟用世界上第一個4G （LTE： Long Term Evolution）試商用網路以來，4G網路的部署已在全球全面開花。根據GSA的最新報告，截至2014年第2季度，全球111個國家已經部署了300多張LTE網路（其中41張為TD-LTE網路），使用者總數達到2.45億，市面上的LTE終端達1900款。2013年12月4日，工信部正式向三大電信運營商發放4G牌照，中國移動、中國聯通、中國電信均獲得TD-LTE牌照。此舉標誌著中國這一世界上最大的行動通訊市場正式進入4G時代。在短短一年間，中國移動的4G基站數達到了70萬個，4G使用者即將達到7000萬。從統計資料來看，4G網路的發展速度遠超當年的3G網路，是行動通訊史上發展速度最快的技術體制，中國的加入將進一步重新整理這一發展速度。

有兩個主要因素決定著面向下一代行動通訊系統的技術研發工作需要提上日程。一方面是通訊技術自身持續發展的需要：隨著4G標準的全面商用，標誌著以4G標準為目標的技術研發告一段落，而技術的發展是不會止步的，持續不斷的創新技術需要在下一代行動通訊系統中體現它的價值。另一方面是由持續增長的使用者需求決定的：智慧手機的高速發展引發了網際網路從固定桌面快速向移動終端轉移的革命，並帶來了無線資料流量的指數級增長。過去5年中，中國移動的資料流量增長了80多倍。同時物聯網的引入及快速發展，不僅對無線通訊網路的容量提出了要求，更對無線通訊網路能夠提供的連線數有數量級的提高要求。業界普遍預測，到2020年，行動通訊網路的容量需求是目前網路的1000倍，連線數將是10~100倍。

2012年年初, ITU啟動了名為“IMT for 2020 and beyond”的專案，目標瞄準下一代行動通訊標準，並初步給出了時間規劃。第一步會在兩到三年的時間內完成兩份面向未來通訊系統的建議稿，分別是ITU-R M.[IMT.VISION]及ITU-R M.[IMT Future Technology Trend]。基於此，目前業界對下一代行動通訊系統統一稱為IMT-2020。世界各個國家和地區積極響應ITU的規劃，制定了相應的科研規劃及經費資助計劃，組織企業、科研院校等進行科研攻關。部分早期的研究成果通過5G白皮書的形式發表，包括需求分析、應用場景研究及技術發展趨勢判斷等。

二、5G的演進路線及發展現狀

目前，4G已經進入規模商用階段，5G是繼4G後新一代的行動通訊技術，從行動通訊發展現狀以及技術、標準與產業的演進趨勢來看，未來5G行動通訊技術的演進存在三條重要的演進路線，分別為以LTE/LTE-Advanced為代表的蜂窩演進路線；WLAN演進路線和革命性演進路線。首先，LTE/LTE-Advanced已經是事實上的全球統一的4G標準，並將會在5G階段繼續演進。在產業化方面，LTE在全球範圍內的商用化程式不斷加快。標準化方面，3GPP R12版本的標準化工作正在對小小區增強技術、新型多天線技術、終端直通技術、機器間通訊等新技術開展研究和標準化工作。隨著更多的先進技術融入到LTE/LTE-Advanced技術標準中，給蜂窩行動通訊帶來了強大的生命力和發展潛力。

其次，無線區域網（WLAN）是當今全球應用最為普及的寬頻無線接入技術之一，擁有良好的產業和使用者基礎，巨大的市場需求推動了WLAN技術的發展，大量的非授權頻段也給WLAN技術提供了巨大的發展空間。目前，IEEE已經啟動了下一代WLAN標準“High-efficiency WLAN”的研究，將進一步提升運營商業務能力，推動WLAN技術與蜂窩網路的融合。

此外，我們還應當特別關注可能出現的革命性5G技術。從蜂窩行動通訊的演進路線來看，每一代演進都有革命性技術出現，從2G的GSM到3G的CDMA，再到4G的OFDM，那麼，5G是否會出現新一代的革命性技術，而這種革命性技術是否需要與LTE演進採用不同的技術路線，進而產生新一代的空中介面技術，將成為我們重點關注的內容。

     從目前網路技術發展現狀來看，4G是現階段使用最多的技術，但是整個業界已經開始了對5G的研討和研發，5G簡單的來說是形成人與物和物與物之間的高速連線，實現整個網路，終端，無線和業務的進一步融合。5G可以說是人在感知方面的獲取和控制能力更強，5G的服務物件是將公眾使用者向行業使用者擴充，網路也將更智慧和更加的廣泛。從目前的研究現狀來看，歐盟於2012年啟動METIS專案，正式開始研究5G技術，現階段METIS共有8個工作組進行相應橫向課題研究，目標是為建立5G移動和無線通訊系統奠定基礎，為未行動通訊和無線技術達成共識，目前已經在5G的概念和關鍵技術上獲得了較為統一的認識。韓國從2013年開始研發5G技術，成立了5G Forum，積極推動6GHz以上頻段為未來IMT頻段，韓國計劃以2020年實現該技術的商用為目標，全面研發5G行動通訊核心技術。日本於2013年成立了ARIB研究所，開始正式對5G進行研究，計劃在2020年東京奧運會上推出5G服務，日本研究者認為5G代表著接入網容量增加1000倍，通過使用大量高頻頻譜，再加上大規模MIMO技術來實現容量的增加，可以說未來5G將會是人們通訊生活的核心。

三、5G網路的優勢及創新點

    第一，全新應用。5G網路的普及將使得包括虛擬現實和擴增實境這些技術成為主流。

其中，擴增實境可以將包括出行方向、產品價格或者對方名字等資訊投射在使用者視野中，比如可以投射在汽車的前擋風玻璃上。虛擬現實則可以在使用者視野內創造出一個完全虛擬的場景，而無論是虛擬現實還是擴增實境，都對資料獲取速度有著極高的要求。

    第二，即時滿足。4G網路下的最快下載速度大約是每秒150MB，但5G網路的最快下載速度則達到了每秒10GB。換句話說，我們僅需4秒鐘就可以下載完《銀河護衛隊》，而4G網路下則需要6分鐘。

    第三，瞬時響應。除了可以在單位時間內傳輸更多資料以外，5G還可以大幅縮短資料開始傳輸前的等待時間。

我們在4G網路觀看視訊前等待數秒並不是什麼太大的問題，但如果在自動駕駛汽車行駛時碰到資料延遲就完全不能接受了。具體來說，就目前4G網路而言，該網路通常需要15-25毫秒的時間將資料傳輸給可能發生碰撞的車輛，然後車輛才會開始緊急制動。但在未來的5G網路下，這一資料的傳輸時間將僅為1毫秒。

四、5G的七大關鍵技術

為什麼需要5G？不是因為通訊工程師們突然想改變世界，而炮製了一個5G。是因為先有了需求，才有了5G。什麼需求？

未來的網路將會面對：1000倍的資料容量增長，10到100倍的無線裝置連線，10到100倍的使用者速率需求，10倍長的電池續航時間需求等等。坦白的講，4G網路無法滿足這些需求，所以5G就必須登場。

但是，5G不是一次革命。5G是4G的延續，相信5G在核心網部分不會有太大的變動，5G的關鍵技術集中在無線部分。雖然5G最終將採用何種技術，目前還沒有定論。本文收集了7大關鍵技術，分別對這些技術作簡要介紹。

1、非正交多址接入技術（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）

NOMA不同於傳統的正交傳輸，在傳送端採用非正交傳送，主動引入干擾資訊，在接收端通過序列干擾刪除技術實現正確解調。與正交傳輸相比，接收機複雜度有所提升，但可以獲得更高的頻譜效率。非正交傳輸的基本思想是利用複雜的接收機設計來換取更高的頻譜效率，隨著晶片處理能力的增強，將使非正交傳輸技術在實際系統中的應用成為可能。NOMA的思想是，重拾3G時代的非正交多使用者複用原理，並將之融合於現在的4G OFDM技術之中。

從2G，3G到4G,多使用者複用技術無非就是在時域、頻域、碼域上做文章，而NOMA在OFDM的基礎上增加了一個維度——功率域。新增這個功率域的目的是，利用每個使用者不同的路徑損耗來實現多使用者複用。如表1所示：

                  

 

在NOMA中的關鍵技術：序列干擾刪除、功率複用。

1.1序列干擾刪除(SIC)

　　在傳送端，類似於CDMA系統，引入干擾資訊可以獲得更高的頻譜效率，但是同樣也會遇到多址干擾(MAI)的問題。關於消除多址干擾的問題，在研究第三代行動通訊系統的過程中已經取得很多成果，序列干擾刪除(SIC)也是其中之一。NOMA在接收端採用SIC接收機來實現多使用者檢測。序列干擾消除技術的基本思想是採用逐級消除干擾策略，在接收訊號中對使用者逐個進行判決，進行幅度恢復後，將該使用者訊號產生的多址干擾從接收訊號中減去，並對剩下的使用者再次進行判決，如此迴圈操作，直至消除所有的多址干擾。如圖1所示：

                     

1.2 功率複用

SIC在接收端消除多址干擾(MAI)，需要在接收訊號中對使用者進行判決來排出消除干擾的使用者的先後順序，而判決的依據就是使用者訊號功率大小。基站在傳送端會對不同的使用者分配不同的訊號功率，來獲取系統最大的效能增益，同時達到區分使用者的目的，這就是功率複用技術。傳送端採用功率複用技術。不同於其他的多址方案，NOMA 首次採用了功率域複用技術。功率複用技術在其他幾種傳統的多址方案沒有被充分利用，其不同於簡單的功率控制，而是由基站遵循相關的演算法來進行功率分配。在傳送端中，對不同的使用者分配不同的發射功率，從而提高系統的吞吐率。另一方面，NOMA 在功率域疊加多個使用者，在接收端，SIC 接收機可以根據不同的功率區分不同的使用者，也可以通過諸如Turbo 碼和LDPC 碼的通道編碼來進行區分。這樣，NOMA 能夠充分的利用功率域，而功率域是在4G系統中沒有充分利用的。與OFDM 相比，NOMA 具有更好的效能增益。

NOMA可以利用不同的路徑損耗的差異來對多路發射訊號進行疊加，從而提高訊號增益。它能夠讓同一小區覆蓋範圍的所有移動裝置都能獲得最大的可接入頻寬，可以解決由於大規模連線帶來的網路挑戰。

NOMA的另一優點是，無需知道每個通道的CSI（通道狀態資訊），從而有望在高速移動場景下獲得更好的效能，並能組建更好的移動節點回程鏈路。

2、濾波組多載波技術（FBMC）

在OFDM系統中，各個子載波在時域相互正交，它們的頻譜相互重疊，因而具有較高的頻譜利用率。OFDM技術一般應用在無線系統的資料傳輸中，在OFDM系統中，由於無線通道的多徑效應，從而使符號間產生干擾。為了消除符號間干擾(ISl)，在符號間插入保護間隔。插入保護間隔的一般方法是符號間置零，即傳送第一個符號後停留一段時間(不傳送任何資訊)，接下來再傳送第二個符號。在OFDM系統中，這樣雖然減弱或消除了符號間干擾，由於破壞了子載波間的正交性，從而導致了子載波之間的干擾(ICI)。因此，這種方法在OFDM系統中不能採用。在OFDM系統中，為了既可以消除ISI，又可以消除ICI，通常保護間隔是由CP（Cycle Prefix ，迴圈字首來)充當。CP是系統開銷，不傳輸有效資料，從而降低了頻譜效率。

而FBMC利用一組不交疊的帶限子載波實現多載波傳輸，FMC對於頻偏引起的載波間干擾非常小，不需要CP（迴圈字首），較大的提高了頻率效率。

                          

                                                                                   圖2 OFDMA和FBMC實現的簡單框圖

                                

                                                                                       圖3 OFDM和FBMC的波形對比

3、毫米波（Millimeter Waves ，mm Waves) 什麼叫毫米波？頻率30GHz到300GHz,波長範圍10到1毫米。 由於足夠量的可用頻寬，較高的天線增益，毫米波技術可以支援超高速的傳輸率，且波束窄，靈活可控，可以連線大量裝置。以下圖為例： 藍色手機處於4G小區覆蓋邊緣，訊號較差，且有建築物（房子）阻擋，此時，就可以通過毫米波傳輸，繞過建築物阻擋，實現高速傳輸。 同樣，粉色手機同樣可以使用毫米波實現與4G小區的連線，且不會產生干擾。當然，由於綠色手機距離4G小區較近，可以直接和4G小區連線。

                                

                                                                                                   圖4 毫米波技術

高頻段（毫米波）在5G時代的多種無線接入技術疊加型行動通訊網路中可以有以下兩種應用場景：

3.1 毫米波小基站：增強高速環境下行動通訊的使用體驗

如圖5所示，在傳統的多種無線接入技術疊加型網路中，巨集基站與小基站均工作於低頻段，這就帶來了頻繁切換的問題，使用者體驗差。為解決這一關鍵問題，在未來的疊加型網路中，巨集基站工作於低頻段並作為行動通訊的控制平面、毫米波小基站工作於高頻段並作為行動通訊的使用者資料平面。

                           

                                                                                            圖5  將毫米波應用於小基站

3.2 基於毫米波的行動通訊回程

如圖6所示，在採用毫米波通道作為行動通訊的回程後，疊加型網路的組網就將具有很大的靈活性（筆者注：相對於有線方式的行動通訊回程。因為在未來的5G時代，小/微基站的數目將非常龐大，而且部署方式也將非常複雜），可以隨時隨地根據資料流量增長需求部署新的小基站，並可以在空閒時段或輕流量時段靈活、實時關閉某些小基站，從而可以收到節能降耗之效。

                          

                                                                                    圖6  將毫米波應用於行動通訊回程

4、大規模MIMO技術（3D /Massive MIMO）

MIMO技術已經廣泛應用於WIFI、LTE等。理論上，天線越多，頻譜效率和傳輸可靠性就越高。

具體而言，當前LTE 基站的多天線只在水平方向排列，只能形成水平方向的波束，並且當天線數目較多時，水平排列會使得天線總尺寸過大從而導致安裝困難。而5G 的天線設計參考了軍用相控陣雷達的思路，目標是更大地提升系統的空間自由度。基於這一思想的LSAS 技術，通過在水平和垂直方向同時放置天線，增加了垂直方向的波束維度，並提高了不同使用者間的隔離（如圖7 所示）。同時，有源天線技術的引入還將更好地提升天線效能，降低天線耦合造成能耗損失，使LSAS 技術的商用化成為可能。

                          

                                                                              圖7 5G 天線與4G 天線對比

由於LSAS 可以動態地調整水平和垂直方向的波束，因此可以形成針對使用者的特定波束，並利用不同的波束方向區分使用者（如圖8 所示）。基於LSAS的3D 波束成形可以提供更細的空域粒度，提高單使用者MIMO 和多使用者MIMO 的效能。

                                                    

                                                                               圖8  基於3D 波束成形技術的使用者區分

同時，LSAS 技術的使用為提升系統容量帶來了新的思路。例如，可以通過半靜態地調整垂直方向波束，在垂直方向上通過垂直小區分裂（cell split）區分不同的小區，實現更大的資源複用（如圖9所示）。

                                                     

                                                                                      圖9  基於LSAS 的小區分裂技術

大規模MIMO技術可以由一些並不昂貴的低功耗的天線元件來實現，為實現在高頻段上進行行動通訊提供了廣闊的前景，它可以成倍提升無線頻譜效率，增強網路覆蓋和系統容量，幫助運營商最大限度利用已有站址和頻譜資源。

我們以一個20平方釐米的天線物理平面為例，如果這些天線以半波長的間距排列在一個個方格中，則：如果工作頻段為3.5GHz，就可部署16副天線；如工作頻段為10GHz，就可部署169根天線了。

                               

                                                                             圖10  20*20cm天線物理平面部署

3D-MIMO技術在原有的MIMO基礎上增加了垂直維度，使得波束在空間上三維賦型，可避免了相互之間的干擾。配合大規模MIMO，可實現多方向波束賦型。

                                    

                                                                                     圖11  波束在空間上三維賦型

5、認知無線電技術（Cognitive radio spectrum sensing techniques）

認知無線電技術最大的特點就是能夠動態的選擇無線通道。在不產生干擾的前提下，手機通過不斷感知頻率，選擇並使用可用的無線頻譜。

                                          

6、超密度異構網路（ultra-dense Hetnets）

立體分層網路（HetNet）是指，在巨集蜂窩網路層中布放大量微蜂窩（Microcell）、微微蜂窩（Picocell）、毫微微蜂窩（Femtocell）等接入點，來滿足資料容量增長要求。

為應對未來持續增長的資料業務需求，採用更加密集的小區部署將成為5G 提升網路總體效能的一種方法。通過在網路中引入更多的低功率節點可以實現熱點增強、消除盲點、改善網路覆蓋、提高系統容量的目的。但是，隨著小區密度的增加，整個網路的拓撲也會變得更為複雜，會帶來更加嚴重的干擾問題。因此，密集網路技術的一個主要難點就是要進行有效的干擾管理，提高網路抗干擾效能，特別是提高小區邊緣使用者的效能。

密集小區技術也增強了網路的靈活性，可以針對使用者的臨時性需求和季節性需求快速部署新的小區。在這一技術背景下，未來網路架構將形成“巨集蜂窩+ 長期微蜂窩+ 臨時微蜂窩”的網路架構（如圖13所示）。這一結構將大大降低網路效能對於網路前期規劃的依賴，為5G 時代實現更加靈活自適應的網路提供保障。

                           

到了5G時代，更多的物-物連線接入網路，HetNet的密度將會大大增加。

與此同時，小區密度的增加也會帶來網路容量和無線資源利用率的大幅度提升。模擬表明，當巨集小區使用者數為200 時，僅僅將微蜂窩的滲透率提高到20%，就可能帶來理論上1 000 倍的小區容量提升（如圖14 所示）。同時，這一效能的提升會隨著使用者數量的增加而更加明顯。考慮到5G 主要的服務區域是城市中心等人員密度較大的區域，因此，這一技術將會給5G 的發展帶來巨大潛力。當然，密集小區所帶來的小區間干擾也將成為5G 面臨的重要技術難題。目前，在這一領域的研究中，除了傳統的基於時域、頻域、功率域的干擾協調機制外，3GPP Rel-11 提出了進一步增強的小區干擾協調技術（eICIC），包括通用參考訊號（CRS）抵消技術、網路側的小區檢測和干擾消除技術等。這些eICIC 技術均在不同的自由度上，通過排程使得相互干擾的訊號互相正交，從而消除干擾。除此之外，還有一些新技術的引入也為干擾管理提供了新的手段，如認知技術、干擾消除和干擾對齊技術等。隨著相關技術難題的陸續解決，在5G 中，密集網路技術將得到更加廣泛的應用。

                          

                                                                       圖14  超密集組網技術帶來的系統容量提升

7、多技術載波聚合（multi-technology carrier aggregation）

    我們知道，3GPP R12已經提到這一技術標準。未來的網路是一個融合的網路，載波聚合技術不但要實現LTE內載波間的聚合，還要擴充套件到與3G、WIFI等網路的融合。

多技術載波聚合技術與HetNet一起，終將實現萬物之間的無縫連線。

                                

                                                                                         圖15 多技術載波聚合

五、5G未來前景

5G時代的技術特徵主要有三點：一是大容量，不僅是大家常說的1000倍容量增長，還包括使用者接入速率最高可達10Gbps，實現光纖般的接入體驗，使得使用者感受不到時延，與網路“零距離”;二是大規模接入數量，5G不僅提供H2H的服務，還包括M2M、H2M，而未來的增長很大程度上來自於Internet of Things，這不僅帶來技術上的變化，還會給商業模式也帶來巨大的變革;三是5G將是全頻譜接入，到5G，技術和頻譜將與頻段解耦，將有一個統一的空口技術，統一的無線網路，低頻的巨集蜂窩，中高頻的微蜂窩，高頻的本地接入，對於終端使用者來說，感受不到是採用什麼接入技術，也感受不到是許可頻段還是免許可頻段。

為了支撐無線業務持續增長，以及支撐ICT產業迎接大資料的挑戰，5G無線網路將會在2020-2030年間投入運營。其中最關鍵的驅動因素是未來十年內1000倍的無線資料流量增長、1000億連結的物鏈網無線聯網的新商機、以及全頻譜無線接入所帶來的超高速無線連結。這樣的高速無線連結能給使用者帶來光纖般的體驗——10 G bit每秒——比當今市面上最快的移動終端還要快100倍!以此實現資訊管道的極致境界：超寬頻，零等待，全智慧，終端客戶與網路的距離將完全消失。

六、參考文獻

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