5G為移動通信技術的發(fā)展描繪美好的藍圖

　　4G的普及與應用為移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打開了大門，伴隨著消費電子產品的進步與發(fā)展，移動通信技術正無時無刻地改變著人們的生活，同時也刺激著移動通信需求的進一步發(fā)展。5G作為面向2020年及以后的移動通信系統(tǒng)，其應用將深入到社會的各個領域，作為基礎設施為未來社會提供全方位的服務，促進各行各業(yè)的轉型與升級。

　　為此，5G將提供光纖般的接入速度，“零”時延的使用體驗，使信息突破時空限制，為用戶即時呈現(xiàn)；5G將提供千億設備的連接能力，極佳的交互體驗，實現(xiàn)人與萬物的智能互聯(lián)；5G將提供超高流量密度、超高移動性支持，讓用戶隨時隨地獲得一致的性能體驗；同時，超過百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，也將保證產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。超高速率、超低時延、超高移動性、超強連接能力、超高流量密度，加上能效和成本超百倍改善，5G最終將實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的愿景［1］。

　　1 5G應用場景和需求

　　身臨其境的移動互聯(lián)網(wǎng)和無處不在的移動物聯(lián)網(wǎng)是5G發(fā)展的主要驅動力。根據(jù)IMT-2020（5G）推進組的預測［1］，2010年到2020年全球移動數(shù)據(jù)流量增長將超過200倍，2010年到2030年將增長近20 000倍，其中熱點區(qū)域的增長速度更快，達到十年千倍；同時，到2030年，包括物聯(lián)網(wǎng)設備在內的全球聯(lián)網(wǎng)設備總數(shù)將達到1 000億量級，其中我國超過200億。

　　5G的應用場景由相關地點和該地點發(fā)生的業(yè)務組成。5G應用場景主要包括移動互聯(lián)網(wǎng)和移動物聯(lián)網(wǎng)兩大類，而移動互聯(lián)網(wǎng)類又可以抽象為低移動性高速率和高移動性廣覆蓋兩個子類；移動物聯(lián)網(wǎng)類可以抽象為低功耗大連接和低時延高可靠兩個子類，如圖1所示。其中：

　　（1）低移動性高速率類應用場景主要包括辦公室、密集住宅區(qū)、城市熱點如CBD和大型集會等，其對應的主要業(yè)務有高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實以及云存儲等。這類應用場景的主要挑戰(zhàn)在于高速率、高連接密度等；

　?。?）高移動性廣覆蓋類應用場景主要發(fā)生在高鐵、快速路以及地鐵等對移動性要求較高的地點，其對應的主要業(yè)務有網(wǎng)頁瀏覽、實時在線游戲、云端辦公等，主要挑戰(zhàn)在于有一定移動性的前提下保持一定的體驗速率；

　?。?）低功耗大連接類應用場景主要面向傳感器類應用，包括環(huán)境監(jiān)測、智能報表和可穿戴設備等方面，主要挑戰(zhàn)在于連接數(shù)巨大且功耗要求低；

　?。?）低時延高可靠類應用場景主要包括工業(yè)及醫(yī)療行業(yè)的自動控制類業(yè)務、交通行業(yè)的自動駕駛、智能電網(wǎng)等，主要挑戰(zhàn)在于時延和移動性等方面的要求。

　　基于對上述四類場景的分析，5G的整體需求可以用下面的“5G之花”來表征。如圖2，花瓣代表了5G的六大性能指標，體現(xiàn)了5G滿足未來多樣化業(yè)務與場景需求的能力，其中花瓣頂點代表了相應指標的最大值，分別體現(xiàn)為：5G要支持0.1～1 Gb/s的用戶體驗速率、每平方公里一百萬的連接數(shù)密度、毫秒級的端到端時延、每平方公里數(shù)十Tb/s的流量密度、每小時500 km以上的移動性和數(shù)十Gb/s的峰值速率。其中，用戶體驗速率、連接數(shù)密度和時延為5G最基本的3個性能指標。需要注意的是，并非所有的性能指標都需要同時滿足。另外，綠葉代表了3個效率指標，是實現(xiàn)5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障，具體表現(xiàn)為，相比4G，5G的頻譜效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上，以滿足移動通信產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的需求。

　　2 5G空口新技術

　　為了滿足5G對系統(tǒng)整體傳輸效率的要求，5G空中接口需要采用一系列的新技術來提升無線傳輸?shù)男?，達到3~5倍于4G系統(tǒng)的頻譜效率，以及現(xiàn)有空口時延的1/5等。

　　2.1 3D-MIMO（Massive MIMO）

　　如圖3所示，3D-MIMO［2］一般采用大規(guī)模的二維天線陣列，不僅天線端口數(shù)較多，而且可以在水平和垂直維度靈活調整波束方向，形成更窄、更精確的指向性波束，從而極大地提升終端接收信號能量，增強小區(qū)覆蓋；而傳統(tǒng)的2D-MIMO天線端口數(shù)較少，導致波束較寬，并且只能在水平維度調整波束方向，無法將垂直維的能量集中于終端，且僅能在水平維度區(qū)分用戶也導致其同時同頻可服務的用戶數(shù)受限；3D-MIMO可充分利用垂直和水平維的天線自由度，同時同頻服務更多的用戶，極大地提升系統(tǒng)容量，還可通過多個小區(qū)垂直維波束方向的協(xié)調，起到降低小區(qū)間干擾的目的。

　　3D-MIMO無論是在提升接收和發(fā)送的效率，提升多用戶MIMO的配對用戶數(shù)，還是降低小區(qū)間的干擾方面，都相對于傳統(tǒng)的天線有更好的性能，是5G提升頻譜效率的最核心的技術。

　　2.2 非正交多址［3］

　　面對5H通信中提出的更高頻譜效率、更大容量、更多連接，以及更低時延的總體需求，5G多址的資源利用必須更為有效。因此，在近兩年的國內外5G研究當中，資源非獨占的用戶多址接入方式廣受關注。在這種多址接入方式下，沒有任何一個資源維度下用戶是具有獨占性的，因此在接收端必須進行多個用戶信號的聯(lián)合檢測。得益于芯片工藝和數(shù)據(jù)處理能力的提升，接收端的多用戶聯(lián)合檢測已成為可實施的方案。

　　5G新型多址的設計將從物理層最基本的調制映射等模塊出發(fā)，引入功率域和碼率的混合非正交編碼疊加，同時在接收端引入多用戶聯(lián)合檢測來實現(xiàn)非正交數(shù)據(jù)層的譯碼，其統(tǒng)一框架如圖4所示。發(fā)送端在單用戶信道編碼之后，進入核心的碼本映射模塊，包括調制映射、碼域擴展和功率優(yōu)化，這三個部分也可聯(lián)合設計，獲得額外編碼增益；在接收端經(jīng)過多用戶聯(lián)合檢測后的軟信息可輸入單用戶糾錯編碼的譯碼模塊進行譯碼，也可以將信道譯碼的結果返回代入多用戶聯(lián)合檢測器進行大迭代譯碼，進一步提升性能。在這個通用結構圖中，上下行多接入的區(qū)別在于多用戶信號疊加的位置不同，下行多用戶信號在過信道前，在發(fā)送端疊加，而上行多用戶信號則在經(jīng)過無線信道后，在接收端疊加。

　　對比4G OFDMA正交多址的物理層過程，5G新型非正交多址物理層過程引入新模塊變化的動機主要有如下幾個方面：

　?。?）通過新的（多維）調制映射設計，獲得編碼增益和成型增益，提升接入頻譜效率；

　　（2）通過（稀疏）碼域擴展，獲得分集增益，增強傳輸魯棒性，也白化小區(qū)內或小區(qū)間數(shù)據(jù)流間的干擾（interference whitening）；

　?。?）通過非正交層間的功率優(yōu)化，最大化多用戶疊加的容量區(qū)。

　　2.3 自包含幀結構［4］

　　5G系統(tǒng)為了進一步降低發(fā)送的時延，對時隙的結構和收發(fā)的反饋進行了新的設計。對于TDD系統(tǒng)，通過引入更多的上下行轉換點，縮短發(fā)送和反饋之間的響應時間，這種幀結構的設計也叫自包含的幀結構。對于FDD，則可以通過更短的調度和傳輸周期，縮短傳輸時延。

　　5G定義的子幀格式如圖5，這種幀結構可以大大縮短收發(fā)之間的時間間隔，對于TDD而言，還可以提升上行信道探測的有效信息，進一步提升下行的MIMO的傳輸和檢測效率，從而提升系統(tǒng)頻譜效率。

　　2.4 更快速的狀態(tài)轉換［5］

　　5G為了實現(xiàn)更低的控制面時延，如10 ms，在4G已有的連接態(tài)和空閑態(tài)中引入了一個新的中間狀態(tài)，稱為去激活狀態(tài)。該狀態(tài)保留核心網(wǎng)的連接狀態(tài)，而刪除無線側的連接狀態(tài)，當需要時，可以快速建立無線側的連接，從而大幅降低從原空閑態(tài)到連接態(tài)的轉換時延。新的去激活狀態(tài)如圖6。

　　3 5G網(wǎng)絡新技術

　　為了支持靈活的應用場景，和差異化的網(wǎng)絡能力需求，5G需要更加靈活有效的網(wǎng)絡架構，滿足未來運營商靈活組網(wǎng)、快速業(yè)務部署的需求。下面介紹5G的新技術特征［6］。

　　3.1 三云一層的網(wǎng)絡架構

　　現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡結構單一而不靈活，很難滿足未來5G多場景、差異化QoS需求等實際部署需求。 面向未來的5G網(wǎng)絡，基于控制與轉發(fā)分離和控制功能重構的技術設計新興網(wǎng)絡架構，提高接入網(wǎng)在面向5G發(fā)雜場景下的整體接入性能。簡化核心網(wǎng)結構，提供靈活高效的控制轉發(fā)功能，支持高智能運營，開放網(wǎng)絡能力，提升全網(wǎng)整體服務水平。控制功能的抽離和聚合，有利于通過網(wǎng)絡控制平面從全局視角來感知和調度資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡連接的可編程。三云一層網(wǎng)絡架構如圖7。

　　3.2 面向服務的云化網(wǎng)絡使能端到端網(wǎng)絡切片

　　5G網(wǎng)絡架構最大的特征就是基于SDN/NFV技術，通過面向服務的云化網(wǎng)絡，實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡切片，從而實現(xiàn)業(yè)務的靈活和快速部署。同時，通過硬件和軟件的解耦，可以方便快捷地把網(wǎng)元功能部署在網(wǎng)絡中的任意需要的位置，對通用硬件資源實現(xiàn)按需分配和動態(tài)伸縮，既以達到最優(yōu)的資源利用率，也可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的動態(tài)、快速和按需部署?；赟DN/NFV的網(wǎng)絡切片如圖8。

　　3.3 用戶為中心的無線網(wǎng)絡［7］

　　5G網(wǎng)絡需要針對用戶的行為、偏好和終端、網(wǎng)絡的狀態(tài)和能力，提供最佳的用戶體現(xiàn)，實現(xiàn)以用戶為中心的網(wǎng)絡，如圖9所示。

　　5G無線網(wǎng)絡架構的主要設計理念如下：

　?。?）用戶與業(yè)務內容的智能感知

　　以智能無線管道為目標，通過引入更精細化的業(yè)務與用戶區(qū)分機制，根據(jù)業(yè)務場景、用戶能力、用戶偏好及網(wǎng)絡能力等，自適應配置空口技術、系統(tǒng)參數(shù)等，實現(xiàn)端到端的精細而多樣化的網(wǎng)絡連接、業(yè)務和內容區(qū)分與處理。5G網(wǎng)絡架構將能支持基于對業(yè)務與用戶的預測、分析、響應和處理能力，實現(xiàn)自適應的空口接入與管理、端到端的精細而多樣化的業(yè)務和內容區(qū)分與處理，提供更精準、更完備的用戶個性化、定制化的資源配置和網(wǎng)絡服務，以滿足多樣化的用戶及業(yè)務需求，并確保一致的、高質量的用戶體驗。

　?。?）業(yè)務下沉與業(yè)務數(shù)據(jù)本地化處理（MEC）

　　在邏輯功能上，基于核心網(wǎng)與無線網(wǎng)的功能重構，促使核心網(wǎng)專注于用戶簽約與策略管理以及集中控制，而其用戶面與業(yè)務承載功能繼續(xù)下沉，業(yè)務承載的管理與業(yè)務數(shù)據(jù)的路由和分發(fā)可部署在更靠近用戶的接入網(wǎng)，從而構建更加優(yōu)化的業(yè)務通道，使得業(yè)務的路由通道更加簡化，避免業(yè)務瓶頸，降低集中傳輸?shù)呢摵?。同時，基于對數(shù)據(jù)和業(yè)務內容的精細化感知，接入網(wǎng)不僅可以在本地生成、映射、緩存、分發(fā)數(shù)據(jù)，還可實現(xiàn)業(yè)務的本地就近智能分發(fā)和推送。

　　（3）支持多網(wǎng)融合與多連接傳輸

　　在可見的時間內，4G/5G/WiFi等多種網(wǎng)絡將長期共存，因此，5G網(wǎng)絡架構必須支持多種網(wǎng)絡的深度融合，實現(xiàn)對于多種無線技術/資源的統(tǒng)一和協(xié)調管理，并基于承載與信令分離，信令與制式解耦，實現(xiàn)與接入方式無關的統(tǒng)一的控制，使得無線資源的利用達到最大化。同時，未來的終端也將普遍具備多制式多無線的同時連接和傳輸能力。在多維度業(yè)務接納與控制的基礎上，5G網(wǎng)絡將基于時延容忍度、丟包敏感度以及不同的APP、業(yè)務提供商，支持精確的網(wǎng)絡選擇與無線傳輸路徑與方式，實現(xiàn)最佳資源匹配。

　　4 總結

　　5G為移動通信技術的發(fā)展描繪了一個美好的藍圖。為了實現(xiàn)5G要求的超高頻率效率、超低時延、超高連接數(shù)密度、超低能耗，5G需要在空中接口技術和網(wǎng)絡架構方面做出巨大的變革，包括引入大規(guī)模天線、非正交多址、自包含的幀結構、新的協(xié)議狀態(tài)、三云一層的網(wǎng)絡架構、端到端的網(wǎng)絡切片、以用戶為中心的網(wǎng)絡新技術等。