第5代移動(dòng)通信技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

董愛(ài)先，王學(xué)軍

(解放軍91635部隊(duì)，北京102249)

0 引言

隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量正以每年接近100%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)未來(lái)10年，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量將增加1 000倍，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將高達(dá)500億臺(tái)(部)，新興智能業(yè)務(wù)將層出不窮，迫切需要更加高速、更加高效、更加智能化的新一代無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)來(lái)支撐。因此，在全球第4代移動(dòng)通信(4G)網(wǎng)絡(luò)的部署方興未艾之時(shí)，第5代移動(dòng)通信技術(shù)(5G，fifth－generation)的研發(fā)已拉開(kāi)大幕［1］，成為整個(gè)學(xué)術(shù)界和信息產(chǎn)業(yè)界最熱門的課題之一，掀起全球移動(dòng)通信領(lǐng)域新一輪的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。5G是繼4G之后，為了滿足智能終端的快速普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展而正在研發(fā)的新一代移動(dòng)通信技術(shù)，是面向2020年以后人類信息社會(huì)需求的第5代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

1 5G概念及應(yīng)用場(chǎng)景

由于5G技術(shù)過(guò)于新穎，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界還沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行定義;相關(guān)諸如國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)等國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)及全球3GPP、WiMAX等移動(dòng)通信論壇也沒(méi)有給出正式的技術(shù)定義，使得5G技術(shù)至今還沒(méi)有一個(gè)清晰的概念。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者沿用傳統(tǒng)的對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)的劃代方式，對(duì)5G進(jìn)行初步定義。常見(jiàn)的說(shuō)法是，5G就是傳輸速率達(dá)到10 Gb/s的下一代移動(dòng)通信技術(shù)［2］，美國(guó)著名的《時(shí)代》雜志，在報(bào)道5G時(shí)也沿用這種說(shuō)法。

歐盟關(guān)于5G技術(shù)研發(fā)的“構(gòu)建2020年信息社會(huì)的無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)”(METIS)項(xiàng)目總體負(fù)責(zé)人，兼愛(ài)立信全球研究院大師級(jí)研究員Afif Osseriran指出［2］，5G是通過(guò)現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)演進(jìn)和開(kāi)發(fā)補(bǔ)充性的新技術(shù)來(lái)構(gòu)建長(zhǎng)期的網(wǎng)絡(luò)社會(huì);通過(guò)集成多種無(wú)線接入技術(shù)提供極限體驗(yàn)來(lái)滿足用戶不同的需求，是多種新型無(wú)線接入技術(shù)和現(xiàn)有無(wú)線接入技術(shù)集成后的解決方案總稱，是一個(gè)真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)。5G是以用戶體驗(yàn)為中心，而不是傳統(tǒng)的以技術(shù)為中心的新型智能化自主網(wǎng)絡(luò)。歐盟METIS項(xiàng)目描繪的5G目標(biāo)是［2］，使數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)1 000倍;用戶數(shù)據(jù)速率提升100倍，速率提升至10 Gb/s以上;入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量增加100倍;低功率設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間增加10倍;端到端時(shí)延縮短5倍。在頻率分配上，從2～6 GHz的頻段中選取2G頻譜供5G使用，同時(shí)選擇超高頻段的頻譜用于室內(nèi)覆蓋的場(chǎng)景;所有功能以低成本和可持續(xù)發(fā)展的方式完成。5G關(guān)鍵目的是用來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)社會(huì)，除了要滿足超高速的傳輸需求外，還需要滿足超高容量、超可靠性、隨時(shí)隨地接入等要求。

韓國(guó)信息技術(shù)融合研究所認(rèn)為，未來(lái)5G技術(shù)需同時(shí)達(dá)到“無(wú)線傳輸容量大、低功率化、萬(wàn)物互聯(lián)”等三大條件，并以此作為韓國(guó)5G技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)。

我國(guó)863計(jì)劃5G專家組組長(zhǎng)尤肖虎認(rèn)為，5G應(yīng)該具有超高的頻譜利用率和超低的功耗，將與3G、4G無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)密切融合，構(gòu)成新一代無(wú)所不在的移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來(lái)10年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1 000倍的發(fā)展需求。

華為公司技術(shù)專家表示，5G是在4G技術(shù)的基礎(chǔ)上，在吞吐率、時(shí)延、連接數(shù)量、能耗等方面進(jìn)一步提升通信系統(tǒng)的性能。

綜合上述各方對(duì)5G的描述，筆者認(rèn)為，5G應(yīng)是一個(gè)繼第4代移動(dòng)通信技術(shù)之后、面向2020年以后人類信息社會(huì)需求的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，是一個(gè)通過(guò)技術(shù)演進(jìn)和創(chuàng)新，綜合集成多業(yè)務(wù)多技術(shù)的融合網(wǎng)絡(luò)，能滿足未來(lái)各種業(yè)務(wù)快速發(fā)展的需求，極大地提升用戶體驗(yàn)。

目前，國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU)下屬的無(wú)線電通信部門正在起草關(guān)于2020年移動(dòng)通信的愿景和技術(shù)兩個(gè)文件，將對(duì)5G技術(shù)形成一個(gè)基本的全球共識(shí)。業(yè)界預(yù)測(cè)，5G標(biāo)準(zhǔn)化的正式進(jìn)程將在2015～2016年間在ITU－RWRC－15上正式啟動(dòng)。

根據(jù)METIS的研究，5G技術(shù)的未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景主要有［3］:一是超高速傳輸，為未來(lái)移動(dòng)寬帶用戶提供超高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入;二是超大規(guī)模的用戶，為人口高密度地區(qū)或場(chǎng)合提供高質(zhì)量移動(dòng)寬帶服務(wù);三是永遠(yuǎn)在線，隨時(shí)隨地最佳應(yīng)用，確保用戶在移動(dòng)狀態(tài)仍享有高品質(zhì)服務(wù);四是超可靠的實(shí)時(shí)連接，確保新應(yīng)用和用戶在時(shí)延和可靠性方面符合安全標(biāo)準(zhǔn);五是無(wú)處不在的物物通信，確保高效處理多樣化的大規(guī)模設(shè)備通信，包括機(jī)器類設(shè)備和傳感器聯(lián)接等。在具體應(yīng)用方面主要有［4］:機(jī)器間通信，如車聯(lián)網(wǎng)，對(duì)車輛自動(dòng)定位、導(dǎo)航，甚至有自動(dòng)駕駛功能;人機(jī)交互類型，如自動(dòng)生物識(shí)別、帶傳感器的遠(yuǎn)程醫(yī)療;人與人交互類型，如高速多媒體通信，終端有投影功能，能顯示3D圖像。

2 5G技術(shù)特征

對(duì)于5G的未來(lái)愿景和應(yīng)用，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都進(jìn)行了相關(guān)描述，從這些描述中可以總結(jié)出人們對(duì)未來(lái)5G的技術(shù)需求，相對(duì)于傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，5G應(yīng)具有如下的基本特征［5］。

2.1 數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)1 000倍

業(yè)界預(yù)測(cè)10年后，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將達(dá)到2010年的1 000倍。因此，5G的單位面積的吞吐量能力，特別是忙時(shí)吞吐量能力也要求提升1000倍，至少達(dá)到100 Gb/s/km2以上。

2.2 聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)目擴(kuò)大100倍

隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能終端的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)2020年后，聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)目將達(dá)到500～1000億部(個(gè))。未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)單位覆蓋面積內(nèi)支持的設(shè)備數(shù)目將大大增加，相對(duì)于目前的4G網(wǎng)絡(luò)將增長(zhǎng)100倍，一些特殊應(yīng)用，單位面積內(nèi)通過(guò)5G聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)目將達(dá)到100萬(wàn)/km2。

2.3 峰值速率至少10 Gb/s

面向2020年的5G網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)的峰值速率，其峰值速率需要提升 10倍，即達(dá)到10 Gb/s，特殊場(chǎng)景下，用戶的單鏈路速率要求達(dá)到10 Gb/s。

2.4 用戶可獲得速率達(dá)到10 M b/s，特殊用戶需求達(dá)到100 M b/s

未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)，在絕大多數(shù)的條件下，任何用戶一般都能夠獲得10 Mb/s以上的速率，對(duì)于諸如急救車內(nèi)高清醫(yī)療圖像傳輸服務(wù)等特殊需求用戶和業(yè)務(wù)，獲得速率將高達(dá)100 Mb/s。

2.5 時(shí)延短和可靠性高

2020年的5G網(wǎng)絡(luò)，要滿足用戶隨時(shí)隨地的在線體驗(yàn)服務(wù)，并滿足諸如應(yīng)急通信、工業(yè)信息系統(tǒng)等更多高價(jià)值場(chǎng)景需求。因此，要求進(jìn)一步降低用戶時(shí)延和控制時(shí)延，相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)要縮短5～10倍。對(duì)于關(guān)系人類生命、重大財(cái)產(chǎn)安全的業(yè)務(wù)，端到端服務(wù)可靠性需提升到99.999%以上。

2.6 頻譜利用率高

由于5G網(wǎng)絡(luò)的用戶規(guī)模大、業(yè)務(wù)量大、流量高，對(duì)頻率的需求量大，要通過(guò)演進(jìn)及頻率倍增或壓縮等創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，提升頻率利用率。相對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)，5G的平均頻譜效率需要5～10倍的提升，解決大流量帶來(lái)的頻譜資源短缺問(wèn)題。

2.7 網(wǎng)絡(luò)耗能低

綠色低碳、節(jié)省能源是未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)，要利用端到端的節(jié)能設(shè)計(jì)，使網(wǎng)絡(luò)綜合能耗效率提高1 000倍，滿足1 000倍流量要求，但能耗與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)?shù)乃健?/p>

3 5G關(guān)鍵技術(shù)

目前，關(guān)于5G的關(guān)鍵技術(shù)仍處于研究和發(fā)展階段，但業(yè)界和學(xué)術(shù)界認(rèn)為，5G的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該包括如下幾個(gè)方面［6］:一是5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與關(guān)鍵技術(shù)。5G的核心技術(shù)是異構(gòu)網(wǎng)的融合，相較于之前的3G、4G移動(dòng)通信技術(shù)，需要考慮的是多技術(shù)的融合與多業(yè)務(wù)的應(yīng)用。因此，5G的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架更加復(fù)雜，需要對(duì)支持高速移動(dòng)互聯(lián)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、高密度新型分布式協(xié)作與自組織組網(wǎng)、異構(gòu)系統(tǒng)無(wú)線資源聯(lián)合調(diào)配技術(shù)等進(jìn)行研究。二是5G無(wú)線傳輸關(guān)鍵技術(shù)。5G融合了傳統(tǒng)的移動(dòng)通信技術(shù)，速率要求達(dá)到10 Gb/s以上。因此，要想在現(xiàn)有4G技術(shù)基礎(chǔ)上提高速率，必須研發(fā)新型的無(wú)線傳輸技術(shù)，尤其是需要突破大規(guī)模業(yè)務(wù)所涉及的技術(shù)瓶頸，包括大規(guī)模協(xié)作配置情況下的無(wú)線傳輸、陣列天線、低功率可配置射頻等新型關(guān)鍵技術(shù)。另外，也要關(guān)注新型信號(hào)處理技術(shù)，如:更先進(jìn)的干擾消除信號(hào)處理技術(shù);新型多載波技術(shù);協(xié)同無(wú)線通信技術(shù)，例如:小基站(Small Cell)的優(yōu)化技術(shù)等。三是5G移動(dòng)通信系統(tǒng)總體技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量大，有關(guān)5G業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù)、商業(yè)發(fā)展模式、用戶體驗(yàn)?zāi)Ｊ?、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)技術(shù)、空間接口技術(shù)、面向5G頻譜應(yīng)用的信號(hào)傳播技術(shù)、測(cè)量與建模等技術(shù)也都是重要研究方向。另外，新型多天線技術(shù)，例如:有源天線陣列、三維波束賦形、大規(guī)模天線等。新的頻譜使用方式，例如:TDD/FDD的融合使用;實(shí)現(xiàn)頻譜共享的認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)等。高頻段的使用，例如:6 GHz以上高頻段通信技術(shù)等，也要多加關(guān)注。四是5G移動(dòng)通信測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)。通信技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展離不開(kāi)通信測(cè)試技術(shù)進(jìn)步，5G網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于4G而言，是一個(gè)新興的技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試的參數(shù)、精度、方式等也都發(fā)生了變化。因此，要研究5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估與測(cè)試技術(shù)，建立仿真測(cè)試評(píng)估平臺(tái)和傳輸技術(shù)仿真測(cè)試評(píng)估平臺(tái)。下面對(duì)業(yè)界目前十分關(guān)注的5G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹［5，7］。

3.1 高頻段傳輸技術(shù)

目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)工作頻段主要在3 GHz以下，隨著用戶的增加，使得頻譜資源十分擁擠，而在高頻段，如毫米波頻率范圍為26.5～300 GHz，帶寬高達(dá)273.5 GHz，超過(guò)從直流到微波全部帶寬的10倍。與微波相比毫米波元器件的尺寸要小得多，毫米波系統(tǒng)更容易小型化，可以實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求。韓國(guó)在28 GHz頻段，利用64根天線，采用自適應(yīng)波束賦形技術(shù)，在2公里的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1 Gb/s的峰值下載速率。

3.2 新型多天線傳輸技術(shù)

多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無(wú)源到有源，從二維(2D)到三維(3D)，從高階多輸入多輸出(MIMO)到大規(guī)模陣列的發(fā)展，能將頻譜利用率提升數(shù)十倍甚至更高，是目前5G技術(shù)重要的研究方向之一。引入有源天線陣列，基站可支持128個(gè)協(xié)作天線。將2D天線陣列拓展成為3D天線陣列，形成新穎的3DMIMO技術(shù)，支持多用戶波束智能賦型，減少用戶間干擾，加上毫米波技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將進(jìn)一步改善無(wú)線信號(hào)的覆蓋性能。目前研究人員正在針對(duì)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、用戶空分多址(SDMA)、碼本及反饋機(jī)制等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能和提升覆蓋能力。

3.3 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)

同時(shí)同頻全雙工技術(shù)被認(rèn)為一項(xiàng)有效提高頻譜效率的技術(shù)，該技術(shù)是在同一個(gè)物理信道上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向信號(hào)的傳輸，即通過(guò)在通信雙工節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)處消除自身發(fā)射機(jī)信號(hào)的干擾，在發(fā)射機(jī)信號(hào)同時(shí)，接收來(lái)自另一節(jié)點(diǎn)的同頻信號(hào)。對(duì)比傳統(tǒng)的時(shí)分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)而言，同時(shí)同頻全雙工可以將頻譜效率提高一倍。同時(shí)，全雙工技術(shù)能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制，使得頻譜資源的使用更加靈活。因此，該技術(shù)可有效解決5G對(duì)頻譜的需求。然而，全雙工技術(shù)需要具備極高的干擾消除能力，這對(duì)干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)，同時(shí)，還存在著鄰小區(qū)同頻干擾問(wèn)題。

3.4 設(shè)備間直接通信技術(shù)(D2D)

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)方式，是以基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，中繼站及基站不能移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活度有限制。未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)流量大，用戶規(guī)模大，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)組網(wǎng)方式，無(wú)法滿足業(yè)務(wù)需求。D2D直接通信技術(shù)能夠在沒(méi)有基站的中轉(zhuǎn)下，實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備之間的直接通信，拓展了網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。D2D技術(shù)是短距離直接通信，信道質(zhì)量高，具有較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和較低的功耗;通過(guò)廣泛分布的終端設(shè)備，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。目前，D2D正在發(fā)展更強(qiáng)的中繼技術(shù)、多天線技術(shù)和聯(lián)合編碼技術(shù)等，提高通信效率和質(zhì)量，將是5G采用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.5 密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5G是一個(gè)多元化、寬帶化、綜合化、智能化的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)流量將是4G的1 000倍。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)有兩種技術(shù):一是在宏基站處部署大規(guī)模天線來(lái)獲取更高的室外空間增益，二是部署更多的密集網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足室內(nèi)和室外的數(shù)據(jù)需求。針對(duì)未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將主要分布在室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)，并且，在相對(duì)等的條件下，密集網(wǎng)絡(luò)提升的信噪比增益不低于大規(guī)模天線帶來(lái)的信噪比增益的特點(diǎn)，人們將超密集網(wǎng)絡(luò)做為提高數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。超密集網(wǎng)絡(luò)縮短發(fā)送端和接收端的物理距離，從而提升終端用戶的性能，改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并能對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用。未來(lái)，面向高頻段大寬帶，將采用更加密集的網(wǎng)絡(luò)方案，部署高達(dá)100個(gè)以上小小區(qū)/扇區(qū)。

3.6 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)

為了滿足未來(lái)大規(guī)模、高容量的業(yè)務(wù)需求，未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將具有扁平化、低時(shí)延、低成本、易維護(hù)特點(diǎn)。目前的業(yè)界主要集中在C－RAN和云架構(gòu)的研究。

C－RAN是根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件和技術(shù)進(jìn)步的趨勢(shì)，提出的新型無(wú)線接入網(wǎng)構(gòu)架，是基于集中化處理(Centralized Processing)，協(xié)作式無(wú)線電(Collaborative Radio)和實(shí)時(shí)云計(jì)算構(gòu)架(Real－time Cloud Infrastructure)的綠色無(wú)線接入網(wǎng)構(gòu)架(Clean system)。其本質(zhì)是通過(guò)充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)，直接在遠(yuǎn)端天線和集中化的中心節(jié)點(diǎn)間傳送無(wú)線信號(hào)，以構(gòu)建覆蓋上百個(gè)基站服務(wù)區(qū)域，甚至上百平方公里的無(wú)線接入系統(tǒng)。C－RAN架構(gòu)適于采用協(xié)同技術(shù)，能夠減小干擾，降低功耗，提升頻譜效率，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)使用的智能化組網(wǎng)，集中處理有利于降低成本，便于維護(hù)，減少運(yùn)營(yíng)支出，能滿足未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的需求。

另外，基于云計(jì)算大規(guī)模協(xié)作的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也是5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)選項(xiàng)［7］。云架構(gòu)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)利用光纖分配網(wǎng)絡(luò)連接云機(jī)房的基帶處理單元(BBU)和室外的遠(yuǎn)端射頻頭(RRH)，可以通過(guò)BBU“云”方式減少基站機(jī)房數(shù)量，減少設(shè)備特別是空調(diào)的能耗;減少小區(qū)覆蓋以及大規(guī)模天線協(xié)作，大幅提高射頻功率效率;網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)資源協(xié)同調(diào)度避免負(fù)載時(shí)段潮汐效應(yīng)造成的大量發(fā)射功率浪費(fèi);集中化大規(guī)模協(xié)作，變小區(qū)間干擾為增益，大幅度提高頻譜效率;軟件定義無(wú)線電技術(shù)靈活支持多標(biāo)準(zhǔn)，降低運(yùn)營(yíng)成本。

3.7 智能化技術(shù)

5G的中心網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)大型服務(wù)器組成的云計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)具有數(shù)據(jù)交換功能的路由器及交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)與基站相連，宏基站具有云計(jì)算和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，特別大或時(shí)效性強(qiáng)的數(shù)據(jù)將提交云計(jì)算中心網(wǎng)絡(luò)處理，基站或終端的形態(tài)、數(shù)量多，不同的業(yè)務(wù)采用不同的頻段 ，天線和連接方式多樣。因此，需要具有智能配置、智能識(shí)別、自動(dòng)模式切換的功能，實(shí)現(xiàn)智能自主組網(wǎng)，未來(lái)，智能化技術(shù)將是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 5G技術(shù)面臨的問(wèn)題

全面滿足2020年及以后信息社會(huì)對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的需求，5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展面臨著頻率、運(yùn)營(yíng)和技術(shù)上的挑戰(zhàn)。目前，在技術(shù)上還需要解決如下的問(wèn)題:技術(shù)與系統(tǒng)融合、頻譜效率和容量提升、物聯(lián)網(wǎng)和業(yè)務(wù)靈活性、降低網(wǎng)絡(luò)能耗、終端設(shè)備、產(chǎn)業(yè)生態(tài)這6 個(gè)方面［3］。

4.1 技術(shù)與系統(tǒng)融合問(wèn)題

隨著芯片技術(shù)的更新?lián)Q代和智能終端的快速發(fā)展，無(wú)線移動(dòng)通信業(yè)務(wù)和技術(shù)不斷拓展和相互融合。未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)集成多業(yè)務(wù)、多技術(shù)的融合網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)多層次覆蓋的通信系統(tǒng)。要將多種接入技術(shù)、多種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)以及多層次覆蓋的系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成、有機(jī)融合，高效利用等，就目前技術(shù)而言，還有許多需要解決的問(wèn)題。

4.2 頻譜效率和容量問(wèn)題

要實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量大、用戶規(guī)模大、數(shù)據(jù)速率高、永遠(yuǎn)在線的需求目標(biāo)，必須研發(fā)擴(kuò)展頻率、提高容量和空間效率、提升系統(tǒng)覆蓋層次和站點(diǎn)密度等各種通信技術(shù)。例如，超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多天線技術(shù)和多址技術(shù)、多輸入多輸出(MIMO)空間傳輸技術(shù)等新型通信技術(shù)，將成為未來(lái)5G技術(shù)的重要研究方向。新型傳輸技術(shù)的啟用和組網(wǎng)方式的創(chuàng)新，將增加設(shè)備的復(fù)雜度和研發(fā)成本，對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)重大挑戰(zhàn)。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)和業(yè)務(wù)靈活性問(wèn)題

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)將是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，未來(lái)5G技術(shù)將與物聯(lián)網(wǎng)相互滲透，為人類提供更加廣泛的智能服務(wù)。但物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用還面臨著系統(tǒng)容量、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、傳輸瓶頸、安全隱患等挑戰(zhàn)。5G的用戶應(yīng)用更加廣泛，業(yè)務(wù)范圍和業(yè)務(wù)靈活性也將極大提升。在信息速率上，5G既要滿足幾十個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間才突發(fā)一些小數(shù)據(jù)包的抄表業(yè)務(wù)，也要滿足3D全息實(shí)時(shí)會(huì)議寬帶業(yè)務(wù)。在延遲上，既要滿足對(duì)延遲不敏感的下載，也要滿足延遲5 ms以下的即時(shí)控制業(yè)務(wù)。就應(yīng)用上，既要滿足靜止和低速需求，也要滿足高鐵、航空器等的高速和超高速應(yīng)用。因此，要想制定統(tǒng)一的通信協(xié)議，滿足業(yè)務(wù)靈活性，還面臨諸多挑戰(zhàn)。

4.4 網(wǎng)絡(luò)能耗與成本降低問(wèn)題

5G目標(biāo)是提供1 000倍數(shù)據(jù)流量，并且運(yùn)營(yíng)成本和用戶成本不能增加，這就意味網(wǎng)絡(luò)總體能耗和整體成本基本不能提升。因此，5G網(wǎng)絡(luò)的端到端比特能耗效率就要提升1 000倍，并且降低單位比特開(kāi)銷1 000倍，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空間傳輸、內(nèi)容分發(fā)、交換路由、網(wǎng)絡(luò)管理和優(yōu)化等技術(shù)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

4.5 終端設(shè)備問(wèn)題

5G是一個(gè)多技術(shù)的集成網(wǎng)絡(luò)，融合了目前2G、3G、4G的技術(shù)，并將啟用和開(kāi)發(fā)多種新興技術(shù)。5G終端設(shè)備將支持5～10個(gè)甚至更多不同的無(wú)線通信技術(shù)，并且要支持1 Gb/s以上空間速率，待機(jī)時(shí)間達(dá)到現(xiàn)有的4～5倍。因此，要實(shí)現(xiàn)低成本多模終端的研發(fā)，對(duì)終端設(shè)備的芯片和工藝、射頻技術(shù)以及器件、電池壽命等技術(shù)研發(fā)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

4.6 產(chǎn)業(yè)生態(tài)問(wèn)題

傳統(tǒng)的3G、4G通信系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和技術(shù)為主體，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)是以用戶體驗(yàn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用為主體，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、管控理念并不適用未來(lái)5G的產(chǎn)業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)和潛在的新興運(yùn)營(yíng)模式。因此，需要發(fā)展諸如軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)新技術(shù)來(lái)滿足未來(lái)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，解決產(chǎn)業(yè)生態(tài)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

5 5G發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，全球關(guān)于5G的技術(shù)研究，還處于早期階段，將來(lái)還要經(jīng)過(guò)技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化、外場(chǎng)試驗(yàn)等階段，并最終實(shí)現(xiàn)商用部署。不過(guò)，盡管對(duì)于5G概念和技術(shù)仍在探討，但對(duì)于5G標(biāo)準(zhǔn)融合的大方向，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界基本形成了共識(shí)。在2G、3G時(shí)代，不同的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之間存在較大的差異。而在4G時(shí)代，TD－LTE和LTE－FDD在核心網(wǎng)方面已擁有95%的相似性，在無(wú)線傳輸方面也有90%的相似性。面向2020年的5G時(shí)代，在頻譜的使用上將更加高效和靈活，核心技術(shù)和系統(tǒng)架構(gòu)將進(jìn)一步融合，全球共用一套通信標(biāo)準(zhǔn)將成為5G技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

總之，5G是面向2020年信息社會(huì)需求的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界正在對(duì)其概念和技術(shù)進(jìn)行廣泛探討，盡管尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，5G的關(guān)鍵技術(shù)將取得實(shí)質(zhì)性的突破，具有更廣闊的應(yīng)用前景，全面提升全球信息化程度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

［1］王鵬.4G未來(lái)5G已來(lái):傳輸速率較4G高百倍網(wǎng)絡(luò)容量高千倍［EB/OL］.(2013－05－22)［2014－02－20］.http://tech.ifeng.com/telecom/detail_2013_05/22/25570093_0.shtml.WANG Peng.4G Not Coming but 5G Coming:Transmission Speed Is Hundred Times and Network Capacity Is Thousands Times of 4G［EB/OL］.(2013－05－22)［2014 －02 －20］.http://tech.ifeng.com/telecom/detail_2013_05/22/25570093_0.shtml.

［2］李明.5G演進(jìn)路標(biāo)初定:預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)商用速率高于10Gbit/s［EB/OL］.(2013－05－22)［2014－02－20］.http://www.c114.net/news/16/a767949.html.LIMing.5G Devolvement Roadmap Has Been Decided:Intending Commercial Velocity Is More than 10bit/s in 2020［EB/OL］.(2013－05－22)［2014－02－20］.http://www.c114.net/news/16/a767949.html.

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