中國5G技術研發(fā)試驗進展

魏克軍 中國信息通信研究院技術與標準研究所無線與移動研究部高級工程師

李俠宇 中國信息通信研究院技術與標準研究所無線與移動研究部主任工程師

張晶 中國信息通信研究院數(shù)據(jù)研究中心助理工程師

趙妍 中國信息通信研究院數(shù)據(jù)研究中心助理工程師

網(wǎng)絡技術——5G技術展望專題（無線篇）

中國5G技術研發(fā)試驗進展

魏克軍 中國信息通信研究院技術與標準研究所無線與移動研究部高級工程師

李俠宇 中國信息通信研究院技術與標準研究所無線與移動研究部主任工程師

張晶 中國信息通信研究院數(shù)據(jù)研究中心助理工程師

趙妍 中國信息通信研究院數(shù)據(jù)研究中心助理工程師

5G技術研究快速發(fā)展，當前已經(jīng)進入技術標準研制的關鍵階段，為促進5G核心關鍵技術成熟，并推動5G技術研發(fā)，我國啟動了5G技術研發(fā)試驗。本文對我國5G技術研發(fā)試驗中關鍵技術的測試情況進行介紹，并對后續(xù)的測試工作提出了建議。

5G；技術試驗；IMT- 2020

1 引言

當前，移動通信已成為連接人類社會的基礎信息網(wǎng)絡，它不僅深刻地改變了人們的生產(chǎn)生活方式，而且還帶動了移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，成為推動國民經(jīng)濟發(fā)展、提升信息化水平的重要引擎。隨著第四代移動通信（4G）技術在全球范圍的規(guī)模商用，面向2020年及未來商用的第五代移動通信（5G）技術研發(fā)與標準化已全面啟動。在全球業(yè)界的大力推動下，5G技術研究快速發(fā)展，當前已經(jīng)進入技術標準研制的關鍵階段，各國也紛紛發(fā)布5G試驗計劃來推動5G技術與標準的發(fā)展。

2 5G技術研發(fā)試驗背景

2.1 5G已經(jīng)進入標準制定的關鍵階段

當前，國際電信聯(lián)盟（ITU）已完成5G愿景研究，確定了5G命名、典型場景和關鍵能力指標體系，并正式發(fā)布了IMT-2020(5G)工作計劃。國內(nèi)外主流企業(yè)已經(jīng)達成共識，將在國際主流移動通信標準組織3GPP制定全球統(tǒng)一的5G標準。根據(jù)3GPP工作計劃，2016年初將啟動5G標準研究，2018年6月將完成第一版5G標準，2019年9月將完成5G標準版本的制定。

2.2 5G技術路線已逐漸清晰，關鍵技術共識已基本達成

全球業(yè)界已基本形成共識，5G無線技術路線包括新空口及4G演進空口。其中新空口將全面滿足移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務需求，4G演進空口通過引入一系列新的關鍵技術，可以大幅度提升用戶體驗。在關鍵技術方面，正交頻分復用（OFDM）將是5G無線接口的技術基礎，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、新波形技術、先進編碼調制、高頻段通信等將在未來5G系統(tǒng)方案設計中發(fā)揮重要作用。除無線技術外，5G還將在網(wǎng)絡技術方面實現(xiàn)突破，5G將采用以虛擬化技術為基礎的新型網(wǎng)絡架構，其中網(wǎng)絡切片、移動邊緣計算、控制承載分離與網(wǎng)絡功能重構將成為5G網(wǎng)絡的核心關鍵技術。

2.3 各國積極部署5G試驗以推動5G技術、標準與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

歐盟通過5G PPP重大項目，投入14億歐元研發(fā)資金，并計劃在2018年開展5G規(guī)模試驗，驗證5G技術標準。韓國發(fā)布5G國家戰(zhàn)略，計劃在2018年冬奧會開展5G預商用試驗，為奧運場館提供5G業(yè)務體驗。日本計劃在2020年夏季奧運會前提供正式的5G商用服務，并透過日本運營商NTT DoCoMo組織全球主要制造企業(yè)開展5G技術試驗。美國近期發(fā)布5G頻率，并計劃在未來七年內(nèi)，斥資4億美元，在美國四座城市建設試驗性的5G網(wǎng)絡。

2.4 我國全方位推進5G研發(fā)，并啟動5G技術研發(fā)試驗

在IMT-2020(5G)推進組的組織下，我國企業(yè)、高校

和科研機構全方位開展5G研發(fā)，在5G需求、技術及頻譜領域取得了一系列的研究成果，有力地推動了全球5G技術、標準的發(fā)展。目前已完成5G愿景與需求研究并獲得全球廣泛共識，在業(yè)界率先明確5G技術路線及核心關鍵技術，并發(fā)布5G無線和網(wǎng)絡技術架構。當前，5G標準化工作已經(jīng)啟動，我國于2016年1月正式全面啟動5G技術研發(fā)試驗，推動5G關鍵技術研究，支撐5G標準的制定。

3 我國5G技術研發(fā)試驗總體目標及工作計劃

3.1 總體目標

我國5G技術研發(fā)試驗的總體目標是通過5G試驗，促進5G核心關鍵技術成熟，推動5G技術研發(fā)；驗證5G技術方案設計，開發(fā)滿足ITU性能指標的5G技術概念樣機，為5G產(chǎn)品研發(fā)奠定基礎；構建全球化的5G聯(lián)合試驗平臺，促進全球統(tǒng)一的5G國際標準形成。

3.2 總體規(guī)劃（見圖1）

基于ITU和3GPP確定的5G工作計劃，結合全球主要企業(yè)的5G研發(fā)計劃，我國5G試驗分兩步實施，第一步為5G技術研發(fā)試驗（2016—2018年），主要目標是支撐5G國際標準研制，第二步為5G產(chǎn)品研發(fā)試驗（2018—2020年），主要目標是基于3GPP標準的第一版本，開展5G預商用測試。當前主要面向5G技術研發(fā)試驗開展工作，我國的5G技術研發(fā)試驗總體規(guī)劃為三個階段：

第一階段（2016年1—9月）5G關鍵技術驗證階段。

本階段主要目標是通過對5G單項關鍵技術樣機的測試，評估5G候選關鍵技術性能，推動5G關鍵技術標準共識形成，此階段測試對象為業(yè)界主流企業(yè)研發(fā)的關鍵技術試驗樣機。

第二階段（2016年6月—2017年9月）5G技術方案驗證階段。

本階段主要面向ITU確定的5G性能指標，基于不同廠商提出的5G技術方案開發(fā)的5G概念樣機開展測試，驗證不同廠商的5G技術方案性能，支撐國際標準制定。本階段將制定統(tǒng)一的設備規(guī)范和測試規(guī)范，利用第三方測試儀表，在統(tǒng)一的試驗環(huán)境下開展單基站性能測試。

第三階段（2017年6月—2018年10月）5G系統(tǒng)驗證階段。

本階段的主要目標是通過多基站高低頻混合組網(wǎng)，構建5G典型應用場景，開展5G系統(tǒng)的組網(wǎng)關鍵技術驗證，評估5G系統(tǒng)在組網(wǎng)條件下的性能，同時，開展5G典型業(yè)務演示，為后續(xù)的5G試商用奠定基礎。

4 我國5G技術研發(fā)試驗進展

我國5G技術研發(fā)試驗于2016年1月啟動，截至2016年9月15日，在推進組的組織下，國內(nèi)外移動通信設備制造商、運營商和科研機構通力合作，已順利完成了5G技術研發(fā)試驗第一階段測試工作。

4.1 5G無線關鍵技術測試進展

華為、大唐、中興、愛立信、諾基亞/上海貝爾、三星、英特爾等共7家國內(nèi)外企業(yè)完成了第一階段測試工作，涉及的無線關鍵技術包括大規(guī)模天線、新型多址、超密集組網(wǎng)、高頻段通信、新型多載波、先進編碼調制和全雙工等。通過第一階段5G關鍵技術試驗樣機

測試，進一步驗證了5G關鍵技術性能，有效推動了我國5G關鍵技術的研發(fā)，促進了5G核心關鍵技術在業(yè)界標準共識的形成。

圖1 我國5G試驗總體規(guī)劃

大規(guī)模天線陣列是提升5G系統(tǒng)頻譜效率最有效的手段，MIMO技術在4G系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應用，面對5G傳輸速率與系統(tǒng)容量方面的挑戰(zhàn)，天線數(shù)目的進一步增加將是5G技術重要的演進方向?；谌A為、中興、大唐大規(guī)模天線陣列的試驗樣機的性能測試結果，通過將天線端口數(shù)增加至64～128，相比于LTE-A，可實現(xiàn)3～4倍的頻譜效率提升，結合新型多址、先進編碼等關鍵技術，可滿足ITU頻譜效率指標3～5倍提升需求。面向商用的低成本大規(guī)模天線系統(tǒng)將是后續(xù)重要的研究方向。

新型多址技術作為創(chuàng)新性的5G技術方向，通過將多個用戶信息疊加在相同的時頻資源上進行傳輸，在接收端利用先進的接收算法分離用戶信息，不僅可成倍提升系統(tǒng)的接入容量，還可有效提升系統(tǒng)頻譜效率。在試驗中，通過對華為稀疏編碼多址接入（SCMA）、中興多用戶共享接入（MUSA）和大唐圖樣分割多址接入（PDMA）概念樣機的性能測試，相對于現(xiàn)有LTE系統(tǒng)，新型多址技術可以將系統(tǒng)的上行用戶接入容量提升至3倍，下行小區(qū)平均吞吐量增益可達86%以上，但新型多址技術接收機的復雜度較高，尤其與大規(guī)模天線、高階調制相結合的情況下，因此，低復雜度接收機算法研究將是后續(xù)的研究重點。

高頻段通信作為未來5G重要的技術方向，在滿足5G峰值速率和系統(tǒng)容量指標方面將起到重要的支撐作用，因此，受到業(yè)界主流企業(yè)的廣泛關注。通過對愛立信、華為、三星、中興、諾基亞和上海貝爾等公司的高頻段試驗樣機進行測試，初步驗證了高頻段技術方案支持大帶寬高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，同時，也驗證了高頻段非視距傳輸?shù)男阅堋＠酶哳l段大帶寬可滿足10～20Gbit/s的ITU峰值速率指標要求。

新型多載波技術通過濾波處理來降低帶外泄露，可以更有效支持基于不同子帶的異步傳輸。通過對華為、中興、愛立信和上海貝爾新型多載波技術方案的測試，驗證了新型多載波技術性能，相對于OFDM技術，新型多載波可以充分利用系統(tǒng)保護帶寬進行數(shù)據(jù)傳輸，可獲得更高的頻譜使用效率，同時，面對5G不同場景及業(yè)務需求，可將系統(tǒng)帶寬劃分為不同子帶，不同子帶采用不同的技術方案進行異步傳輸，對系統(tǒng)性能不會產(chǎn)生影響。

先進編碼調制技術測試主要驗證了極化碼的性能，極化碼是一種新型編碼方式，也是當前3GPP標準制定中的一種候選編碼技術方案，通過對華為極化碼試驗樣機在靜止和移動場景下的性能測試，針對短碼長和長碼長兩種場景，在相同信道條件下，相對于Turbo碼，可以獲得0.3～0.6dB的誤包率性能增益，同時，華為還測試了極化碼與高頻段通信相結合，實現(xiàn)了20Gbit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，驗證了極化碼可有效支持ITU所定義的三大應用場景。

全雙工技術是一種新型的雙工技術，通過高效的自干擾消除方案，可以實現(xiàn)同時同頻全雙工收發(fā)，因此，全雙工技術的核心是自干擾消除，通過對華為全雙工實驗樣機的測試，在20MHz帶寬，2天線收發(fā)條件下，可以實現(xiàn)113dB的自干擾消除能力。相對于半雙工系統(tǒng)，采用全雙工可以獲得82.58%以上的吞吐量增益。但是，當前的全雙工技術尚不成熟，應用場景還比較有限，后續(xù)應當加強對自干擾消除技術、多天線自干擾消除以及芯片化和小型化方面的研究工作。

超密集組網(wǎng)通過更加密集的無線網(wǎng)絡基礎設施部署，可以獲得更高的頻譜復用效率，從而在局部熱點區(qū)域實現(xiàn)百倍量級的系統(tǒng)容量提升，是滿足2020年及未來移動數(shù)據(jù)流量需求的主要技術手段。通過對大唐超密集組網(wǎng)試驗樣機的測試，驗證了超密集組網(wǎng)中的虛擬小區(qū)等關鍵技術在滿足系統(tǒng)容量，提升用戶體驗速率等方面的優(yōu)勢，在100MHz帶寬條件下，在覆蓋面積300m2情況下，可實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量3.3Gbit/s，可等效實現(xiàn)流量密度約11Tbit/s/km2，可滿足ITU流量密度指標要求。

4.2 網(wǎng)絡關鍵技術測試進展

華為、中興通訊、大唐、愛立信、諾基亞/上海貝爾和英特爾6家公司完成了網(wǎng)絡關鍵技術測試。涉及的網(wǎng)絡關鍵技術包括網(wǎng)絡切片、移動邊緣計算、控制和承

載分離、網(wǎng)絡功能重構等。

網(wǎng)絡切片技術重點驗證根據(jù)不同的5G場景和需求構建不同的網(wǎng)絡切片，以及不同的切片支持差異化的移動性、會話管理和QoS等特性。切片技術能夠改變原有網(wǎng)絡剛性管道模式，提高整個網(wǎng)絡架構的靈活性和智能性。通過測試，切片模板、切片生命周期管理、多切片接入、切片共享和切片運行維護方面等網(wǎng)絡功能得到了驗證，5G網(wǎng)絡初步具備了基于5G場景和需求靈活構建不同特性網(wǎng)絡切片的能力。

移動邊緣計算技術重點驗證5G網(wǎng)絡在業(yè)務本地控制、路由和計費等方面的技術方案，以及移動邊緣計算平臺、移動邊緣計算部署、管理接口和業(yè)務性能方面的能力。通過測試，基本驗證了移動邊緣計算技術能夠實現(xiàn)業(yè)務的本地路由、阻斷、透傳、限速、計費以及切換等功能，可以有效降低業(yè)務時延，提高視頻類業(yè)務的用戶體驗。

控制和承載分離技術重點驗證核心網(wǎng)控制面和轉發(fā)面分離后的網(wǎng)絡架構、接口功能以及協(xié)議等，并通過業(yè)務流程驗證技術方案可行性。網(wǎng)絡功能重構技術重點驗證了核心網(wǎng)的移動性管理、連接管理功能能夠按照不同應用場景要求按需地重構和部署的能力。相比與傳統(tǒng)網(wǎng)絡，5G新型網(wǎng)絡架構可實現(xiàn)控制功能和轉發(fā)功能的完全分離，網(wǎng)絡功能可以按需編排和重構，從而滿足不同場景差異化要求。

通過第一階段的測試，可以看到5G網(wǎng)絡設備能夠基于虛擬化技術實現(xiàn)，硬件平臺采用通用x86服務器，云管理系統(tǒng)基于開源技術?；谔摂M化技術的網(wǎng)絡設備在計算性能和通信性能上較專用硬件有一定下降，但是在資源利用效率上更加靈活和高效。

4.3 5G技術研發(fā)試驗第二階段測試計劃

5G技術研發(fā)試驗第一階段測試已順利結束，IMT-2020(5G)推動組已于2016年6月啟動了第二階段測試規(guī)范的起草工作，計劃10月份完成無線關鍵技術測試規(guī)范的制定，2016年底前將啟動第二階段無線技術測試工作，2017年中將啟動第二階段網(wǎng)絡技術測試工作。

5G技術研發(fā)試驗第二階段測試將基于統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一試驗頻率、統(tǒng)一的設備和測試規(guī)范開展，面向連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低時延高可靠和低功耗大連接等5G典型場景，驗證不同廠商技術方案的功能和性能。并且，還將開展5G核心網(wǎng)增強和無線接入網(wǎng)關鍵技術方案測試。此外，還將重點推動系統(tǒng)、芯片和儀表廠商合作開展多方對接測試，培育5G產(chǎn)業(yè)鏈。

5 結束語

當前，5G標準化工作已經(jīng)全面拉開序幕，各國積極部署5G試驗推動5G技術、標準及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國于2016年1月全面啟動5G技術研發(fā)試驗，目前已經(jīng)順利完成第一階段測試工作，通過測試，驗證了5G關鍵技術性能，有效推動了我國5G關鍵技術的研發(fā)，促進了5G核心關鍵技術在業(yè)界標準共識的形成。隨著5G技術研發(fā)試驗第二階段測試工作的有序推進，我國將與國外主流組織、企業(yè)密切合作，共同推動全球統(tǒng)一5G標準的形成。

[1]IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G Wireless TechnologyArchitecture.2015,6.

[2]IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G Network TechnologyArchitecture.2015,6.

[3]IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G NetworkArchitecture Design.2016,6.

The progress of 5G technology R&D trial

WEI Kejun,LI Xiayu,ZHANG Jing,ZHAO Yan

In order to promote the 5G research and development work,IMT-2020 Promotion Group launched the 5G technology R&D trial of China in January of this year.This paper introduces the progress of 5G technology R&D trial of China,and puts forward some suggestions for the follow-up testing work.

5G;technology R&D trial;IMT- 2020

2016-10-25）