5G概述及关键技术简介

夏 威 刘冰华

（重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆 400065）

5G概述及关键技术简介

夏 威 刘冰华

（重庆邮电大学通信新技术应用研究所，重庆 400065）

第五代通信系统是面向2020年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统，它是一个多业务技术融合的网络，通过技术的演进和创新，满足未来广泛的数据、连接的各种业务不断发展的需要，提升用户体验。本文首先介绍5G的概念，然后阐述了5G的性能指标，重点对5G的关键技术进行论述，这些关键技术包括新型多天线技术、高频段的使用、同时同频全双工、设备间直接通信技术、自组织网络。

5G；无线通信；关键技术；移动通信技术

1．引言

4G网络部署正在如火如荼地进行时，关于5G的研究也拉开了序幕。2012年，由欧盟出资2700亿欧元支持的5G研究项目METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the 2020 Information Society）[1]正式启动，项目分为八个组分别对场景需求、空口技术、多天线技术、网络架构、频谱分析、仿真及测试平台等方面进行深入研究；英国政府联合多家企业，创立5G创新中心，致力于未来用户需求、5G网络关键性能指标、核心技术的研究与评估验证；韩国由韩国科技部、ICT和未来计划部共同推动成立了韩国“5G Forum”，专门推动其国内5G进展；中国，工业和信息化部、发改委和科技部共同成立IMT-2020推进组，作为5G工作的平台，旨在推动国内自主研发的5G技术成为国际标准。可见，对于5G的研究，许多国家或组织都在积极地进行中，未来5G技术将使人们的通信生活发展到一个全新的阶段。

2．5G概念

5G指的是第五代移动通信技术。与前四代不同，5G并不是一个单一的无线技术，而是现有的无线通信技术的一个融合。目前，LTE峰值速率可以达到100Mbps，5G的峰值速率将达到10Gbps，比4G提升了100倍。现有的4G网络处理自发能力有限，无法支持部分高清视频、高质量语音、增强现实、虚拟现实等业务。5G将引入更加先进的技术，通过更加高的频谱效率、更多的频谱资源以及更加密集的小区等共同满足移动业务流量增长的需求，解决4G网络面临的问题，构建一个高速的传输速率、高容量、低时延、高可靠性、优秀的用户体验的网络社会[2，3]。

3．5G性能指标

对于5G需要满足一些什么样的指标，工信部电信研究院选择了体育场、办公室、密集住宅区等场景，结合车联网、视频点播等应用进行实例分析。对每一种场景下的不同应用进行分析，发现无线技术成为应用发展的制约因素。要在不同的场景下使用户获得良好的应用体验，需要满足以下指标[4]：

(1)5G的传输速率在4G的基础上提高10-100倍，体验速率能够达到0.1～1Gbps，峰值速率能够达到10Gbps；

(2)时延降低到4G的1/10或1/5，达到毫秒级水平；

(3)设备密集度能够达到600万个/平方公里；

(4)流量密度能够在20Tbps/平方公里以上；

(5)移动性达到500km/h，实现高铁环境下的良好用户体验。

为了满足上述性能指标的要求，使用户获得良好的业务体验，除了以上的这些指标外，能耗效率、频谱效率及峰值速率等指标也是重要的5G技术指标，需要在5G系统设计时综合考虑。

4．5G关键技术

LTE-A的技术标准主要由3GPP国际标准化组织制定。业界初步认为在3GPP R14阶段（2016年）将启动5G技术的标准研究工作。5G无线关键技术的主要方向包括[3]：

4．1 新型多天线技术

随着无线通信的高速发展，对数据流量的需求越来越大，而可用频谱资源是有限的。因此，提高频谱利用效率显得尤为重要。多天线技术是一种提高网络可靠性和频谱效率的有效手段，目前正被应用于无线通信领域的各个方面，如3G，LTE，LTE-A等，天线数量的增加，可以保证传输的可靠性以及频谱效率。

新型大规模天线技术可以实现比现有的MIMO技术更加高的空间分辨率，使得多个用户可以利用同一时频资源进行通信，从而在不增加基站密度的情况下大幅度提高频率效率；新型多天线技术可以降低发送功率；可以将波束集中在很窄的范围内，可以降低干扰。总之，新型多天线技术无论在频谱效率、网络可靠性还是能耗方面都具有不可比拟的优势，因此在5G时代会普遍使用。限于多天线技术所占用空间大、系统复杂度提升、对设备的外观设计、系统部署能力都带来了极大挑战，因此未来这方面也是研究热点[5，6]。

4．2 高频段的使用

对于移动通信系统而言，在3GHz以下的频段可以很好地支持移动性，有良好的覆盖范围，但目前在这一区间的频谱资源十分紧张。而在3GHz以上的频谱资源非常丰富，如果能够有效利用这一区间的频谱资源，将会极大地缓解频谱资源紧张的问题。因此，高频段的使用将会成为未来发展的趋势，高频段具有许多优点，比如：可用带宽非常充足，设备和天线小型化，天线增益较高。不过高频段也存在着一些不足之处，例如：穿透和绕射能力弱，传输距离短，传播特性不佳等，同时高频器件和系统设计成熟度、成本等因素也需要得到解决[7]。

4．3 同时同频全双工

传统的无线通信技术由于其局限性，并不能实现同时同频的双向通信，这造成了极大的资源浪费，而全双工同时同频技术可以实现上行链路和下行链路同时利用相同的频率资源进行双向通信，理论上可以令资源利用率提升一倍。不过全双工同时同频技术也面临一个技术难题，就是在发送和接收信号的过程中，由于功率差距非常大，会导致非常严重的自干扰，因此首要解决的问题就是干扰消除。另外，还存在着邻小区同频干扰问题，全双工同时同频在多天线的环境下应用难度会更大，需要深入研究[7]。

4．4 设备间直接通信技术

现有的无线通信技术是以基站作为中心，存在着一定的局限性，如系统在覆盖和容量等方面的问题。尽管中继技术及多点协作技术能够提高小区的覆盖性能，增加小区边缘用户的吞吐量，但是基站和中继节点位置固定，网络结构和业务也不够灵活，系统的整体覆盖和小区边缘用户的体验仍然存在较大的提升空间。

设备间直接通信技术，即D2D，能够在相邻的终端之间在近距离范围内通过直接链路进行数据传输，而不需要经过中间节点。短距离直通技术具有以下优势：可实现较高的数据速率、较低的延迟和较低的功耗；可以实现频谱资源的有效利用，获得资源空分复用增益；能够适应如无线P2P等业务的本地数据共享需求，提供灵活的数据服务；能够利用网络中数量庞大且分布广泛的通信终端以拓展网络的覆盖范围。D2D对于提高频谱利用率和系统质量有着重要意义，将是5G重点研究的技术之一[8]。

4．5 自组织网络

在传统无线通信网络中，网络部署、配置、运维等都是人工完成，不仅占用大量的人力资源，而且效率十分低下，并且随着移动通信网络的快速发展，仅仅依靠人力更加难以实现良好的网络优化。为了解决运营商的网络部署、优化问题，同时降低运营商在运维方面投入对总投入的占比，使运营商能够在满足客户需求的条件下快速便捷地部署网络，提出了自组织网络（SON）的概念。自组织网络的设计思路是在网络中引入自组织能力，包括自配置、自由化、自愈合等，实现网络的规划、部署、维护、优化和排障等各个环节的自动进行，尽量减少人工干预[8，9]。

5G将会是一个多制式的异构网络，将会有多层、多种无线接入技术共存，使得网络结构变得十分复杂，各种无线接入技术内部和各种覆盖能力的网络节点之间的关系错综复杂，网络的部署、维护、运营将成为一个极具挑战性的工作。为了降低网络部署、运营维护复杂度和成本，提高网络运维质量。未来5G将会支持更智能的、统一的SON功能，统一实现多种无线接入技术、覆盖层次的联合自配置、自由化、自愈合。

5．结束语

5G是基于第四代移动通信的演进，其未来的发展方向必定以“人的体验”为中心，在终端、无线、业务、网络等领域进行融合以及创新。同时，5G在用户感知、获取、参与和控制信息的能力上带来革命性的影响。5G网未来将会结合蜂窝网和局域网的优点，形成一个更加智能、友好的环境。

在另一方面，5G也是以物为基础的通信，如车联网、物联网、智慧城市、新型智能终端，这些应用对网络要求和以人为基础的通信要求有很大区别，如M2M在消息交换的应用中对速率要求不高，时延也不敏感，而不同的物联网场景对网络性能要求也尽不相同，这就要求5G时代网络更加具有“智慧”。

随着时间的推进，5G技术将会在2020年以后实现商用，将能满足未来移动互联网业务的飞速发展的需求，为用户带来全新体验。随着研究的不断深入，5G的各项关键技术将逐步明确，并且在未来的几年会进入标准化的研究与制定阶段。

[1]METIS．Mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society．In：EU 7th FrameworkProgramme Project，https：// www．metis2020．com

[2]秦飞，康绍丽．融合、演进与创新的5G技术路线[J]．电信网技术．，2013，9：11-15

[3]Chae-Sub Lee，Knight D．Realization of the next-generation network[J]．Communications Magazine，IEEE．2005，43，10：34-41

[4]王志勤，罗振东，魏克军．5G业务需求分析及技术标准进程[J]．中兴通讯技术．2014，20，02：2-4

[5]Frederick W．Vook，Amitava Ghosh，Timothy A．Thomas．MIMO and Beamforming Solutions for 5G Technology[J]．Microwave Symposium(IMS)，2014 IEEE MTT-S International：1-4

[6]董爱先，王学军．第5代移动通信技术及发展趋势[J]．通信技术．2014，47，3：235-240．

[7]尤肖虎，潘志文，高西奇，曹淑敏，邬贺铨．5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]．中国科学．2014，44，5：551-563．

[8]IMT-Advanced推进组，3GPP项目组．IMT-A D2D技术白皮书1．9．1：2-4．

[9]NGMN．NGMN Recommendation on SON and O&MRequirements，2008．http：//www．ngmn．org/uploads/media/NGMN_Recommendation_on_SON_and_O_M_Requirements．pdf．

Overview and Introduction of the Key Technologies of 5G

Xia WeiLiu Binghua
(Chongqing University of Posts and Telecommunication,Chongqing 400065)

tract】 The fifth generation communication system is a wireless mobile communication system that is adapt to the need of human information society.It is a multi technology and business fusion network,meeting the development needs of future extensive data and connected various businesses with the evolution of technology and innovation,improving the user experience.This paper firstly introduces the concept of 5G,and then expounds the performance index of 5G.The paper points out the key technologies of 5G which including the new multi-antenna technology,the use of high frequency,co-frequency co-time full duplex,D2D technology, self-organizing network.

words】 5G；wireless communication；key technology；mobile communication technology

夏威，男，四川夹江人，硕士研究生，研究方向：无线通信。