5G架构、技术与发展方式探析

王志勤 余泉 潘振岗 Francis Chow张朝阳 范平志

摘要：部分5G领军人物探讨了5G框架、技术、发展时间表与发展方式等热点问题。

关键词：5G；架构；空口；算法

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.002

5G的愿景与需求

工信部电信研究院通信标准研究所所长王志勤称，5G是面向2020年商业应用的系统。对5G到底是一个什么样的系统，到底能满足哪些需求，今年国际电信联盟已经发布了5G的愿景和需求。在国内有IMT-2020 （5G）推进组，提出了我们国家对5G的理解。

5G架构

5G-方面在现有的4G进一步提升，满足移动互联网的需求、另外SG向各行各业拓展，因此说5G是未来社会生活的基础设施。图1展现的是一个非常有名的、我国提出来的5G之花，其中六片花瓣代表了5G的性能指标，下面三个叶子是它的能效指标。从它的关键性能来看、和4G相比，也能够体现对移动互联网和物联网的支持。一个在移动互联网领域提出了用户体验速率，另外针对物联网提出来每平方公里达到百万级的连接密度、毫秒级的时延。

可以简单地将5G的主要场景划分为两大类：移动物联网场景，移动互联网场景。移动互联网场景和4G网比较相象，所以也包括了广域覆盖、热点高容量。针对物联网多样化场景、简单的来看，或者说从非常具有挑战意义的关键指标来看又划分为两个：1.低时延高可靠性场景，车联网和工业场所在的环境；2.低功耗、大连接场景，如智能电网，抄表等，在此条件下连接和低功耗的要求挑战最大。

对于物联网多样化的场景，如何通过一个无线接口实现，对我们来说是非常大的挑战。现在国内首先提出来5G软空口或叫做灵活空口。空口是统一框架，能够满足移动互联网各种场景的需要，同时又是一个灵活可配制的，它包括很多关键参数，比如帧结构、调制方式、信道编码等等，针对不同的应用场景可以做不同的参数，我们可以形成一个最优的解决方案满足这个场景。

5G关键技术

在整个架构确定之后，5G的关键技术也是非常重要的一个元素。什么是5G关键技术？大家还在讨论。因为从明年开始会在全球开始5G标准的一些研究工作，所以哪些关键技术能够进入到标准中，其中除了它的先进性以外，这种技术的可实现性和产业的成熟度也是评估技术标准的要素，从这两个角度来说也是本次大赛所特别验证的，也是对我们的标准化工作给予有力支撑的一个方面。

图4中列出了部分5G的关键技术、有一些其实是在4G中有很多积累。包括大规模天线阵列，新型多址技术和超密集组网等。此外，针对新型的多载波和先进的调制编码技术，业界现在正在做很多研究，看它们到底在哪些方面是否可适用于5G。其中三大新空口算法就是重要的5G候选技术：

F-OFDM（Filter-OFDM），它能够实现空口物理层切片后向兼容LTE 4G系统、又能满足未来5G发展的需求。它能将OFDM载波带宽划分成多个不同参数的子带，并对子带进行滤波，而在子带间尽量留出较少的隔离频带；可以将整个频段按照未来不同种类的业务精细分割，对空口实现灵活切片更好支持不同业务的带宽时延、可靠性需要，同时带来频谱资源利用率提升。

极化码Polar Code， -个能达到香农极限信道容量的特殊码系，近年得到了5G标准化研发机构和学术界的强烈关注。

SCMA（稀疏码多址接入），是应5G需求设计产生的一种菲正交多址技术。其非正交叠加的码字个数可以成几倍大于使用的资源块个数，从而成几倍的提高频谱利用率。

5G关键技术在为期7个月的“第一届5G算法大赛“中得到很好的验证，此次大赛最大的感受就是惊喜！成功！这和华为提供算法培训，ALtera提供FPGA平台支持以及高校学生的努力是分不开的，这是高校和产业界合作的典范，也刚好为2016年即将开启的5G标准研究奠定了很好的基础！

5G需要开放、共赢

华为无线网络首席战略官余泉称，5G有一个非常美好的万物互联的远景，相比以前的技术会有很大的差异。我们从第一代模拟移动通信技术到现在正在使用的4G通信技术，主要解决的就是人的通信问题和联接需求问题。5G将会把物的需求也纳入进来，这里面肯定会有很多技术、网络、商业方面的改变。现在的移动通信是由移动运营商主导的，未来5G产业有很多垂直行业的参与者，我们的消费者，也就是移动通信的使用者都会参与到5G产业当中去。有人说，移动通信发展到现在，是一个传统行业，而5G，有可能又将移动通信产业重新变成一个朝阳产业。

万物互联的世界对每个人都是激动人心的事情。面向这样的一个时代，华为认为一个很重要的改变，就是要更加开放。5G时代需要一个更加开放，更加创新的环境。所以华为从投入5G第一天开始，就抱着开放的心态。华为在全球有9个重量级研究中心、超过500名专家参与到5G的研发、根据不同国家的科学家擅长的领域，不同研究中心覆盖不同的方面，比如：华为俄罗斯研究所主要领域在算法，因为俄罗斯的数学很强，有很多很强的数学家。

在这样的研究布局基础之上，华为跟全球顶尖高校都有合作，也包括国内的西电、成电、清华和东南大学等。华为还和全球近10家顶级运营商在SG方面开展合作，还参加了全球主要的SG产业组织。我们希望以这样一种方式，整合全球的资源，来共创5G更美好的未来。

展望未来，5G会在2020年商用（如图5和6）。中国政府宣布了2020年5G商用的目标，韩国、日本、美国也宣布了类似的时间表。我相信中国的5G产业会在前几代人的基础之上，站在更加领先的位置。我们可以看到在全球的标准组织和频谱组织已经制订相应的时间表，为5G的到来做好准备，服务于2020年的商用目标。

华为从2009年开始投入5G，目前约有500位以上的科学家和顶级专家专注于在5G研究。截止到目前基本上完成了大部分可能的SG技术筛选和技术研究，也在实验室完成了这些技术的验证，并且在成都建立了全球第一个基于5G候选技术的多用户的外场。这个外场取得了菲常好的、超出业界预期的结果。未来3-5年，华为会在全球主要5G的市场上和全球其他合作伙伴开展外场和预商用测试，积极为5G产业贡献自己的力量。

坚守5G物理层创新

展讯通信5G研发高级总监潘振岗称，四年前，几个学术界大牛撰写过一篇非常著名的文章，对无线通信的物理层技术进行了一次自我拷问：“Is the phy layer dead？”虽然文章的结论还是比较正面的。但这个自我拷问的出现就已经表明无线通信界对物理层技术继续往前发展的一种悲观气氛。因为物理层的技术在高速发展过程中，未来给我们的空间是有限的。这从业界的动态也有所体现，在这个领域的研究人员越来越少。原因如下。

1.在前几代相对单一的需求和评估准则下，我们的物理层技术看上去离理论极限已经很近。大家很难接受花几倍甚至更多的复杂度去争取O.xdB BER/BLER性能的提高。

然而5G的情况发生根本的变化。

一方面需求变得非常多样化，除了传统移动宽带，更多的需求来自垂直行业的物联需求，以至于现在IMT-2020已经不能使用单一雷达图来表达5GKPI，需要在此基础上定义几个子集来表示。评估准则发生了变化，也就出现了对Shannon公式的再解释，绿色通信理论的出现等，拓展了新的理论空间。另外，业务状况：SN小包业务，物联网突发规则/非规则业务等。

另一方面，可利用的资源/条件不一样了。过去多年无线通信的发展已经把无线频谱的优质资源都用的差不多了。未来我们需要：1）开垦蛮荒地带如高频段。2）充分利用边角料如Gap band；因此物理层的技术有了新的用武之地。

2.物理层的研究对人员的要求非常高。知识技能要求多：最优化理论、概率论与随机过程、统计估计理论、代数、多项式、矩阵/线性代数、实分析/复分析、微积分、微分几何等。很多知识都是非常抽象的，对这些知识的把握，需要一个人能够忍受孤独，去静思，去理解，去长期一点一滴地积累。这好像跟我们现在各类互联网应用的敏捷开发、快速迭代是截然不同的两个世界。

其实不仅是物理层技术，整个通信系统越来越成为一个幕后英雄了。大家可以看到现在的智能手机评测，看CPU的处理速度，看GPU的能力，看屏幕的分辨率，看音质，…。好像跟通信没有关系了。仿佛回到十多年前，各种电脑杂志对台式机/笔记本、对最新一代的CPU、显卡的评测一样。

我希望未来对手机的评测中（注：当然，未来的终端是不是还是以“手机”这个形态存在还值得探讨），可以看到在戈壁滩上的信号还很好，大型演出会现场也可以，高铁/飞机上可以，能随时连接家里的各种传感器/摄像头，以了解家里的情况，等等。这些才是体现移动通信本质的。

因此，无论你今天预测了如何新奇的各类5G应用，无线通信是根本。

展讯是随着中国的通信标准自主战略一起成长起来的公司，见证、也全程参与了中国的通信标准从空白到跟随、到并进的过程；产业上，也全力支撑了中国的TD标准走向成熟，并为世界所接受的历程。未来，展讯将继续在中国5G标准化过程中实现引领而贡献自己的力量。

展讯已经成立了专门的5G研发团队，在北京、上海、芬兰，在核心技术、系统方案设计方案都进行了精心的布点。专利战略、标准化推进、技术原型验证都制定了详细的里程碑计划。目标是成为5G时代tier 1的终端芯片提供商。

5G物理层空间很大

浙江大学信息与电子工程学院教授张朝阳称，所谓物理层传输技术在提升容量上的空间不大，主要是因为不同编码调制技术离香农界限很近了，这是指在物理层编码调制方面，新的技术带来的增益不大，但是这些新的5G技术有一些特殊的特点。这些新的特点不仅仅是为了提升容量和速率所需要的，这些特点是为了支持SG未来大规模接入等等一些新需求所必需的。

为什么要做物理层新的空口？为什么要做新的传输体制？是因为除了容量和速度之外，还有一些特殊的要求，比如大规模接入、低时延，这些在过去和现有的传输体制里面是无法解决的，所以实际上不是5G物理层的空间不大，恰恰相反是空间很大。因为1G、2G、3G、4G中，目前还没有一个物理层体制能够真正支持大规模的接入和互联。未来刚好也是物联网时代，现有体制是无法支撑的，所以这就是5G为什么在很大程度上被视作革命性的技术，相对2G和3G、4G来说改变是很大的。所以，所谓空间不大是指一些物理层传输技术在传输速率方面提升空间不大，但是在其他方面空间还是很大的，而且是必须要的，如果没有这些技术很多新的应用需求是无法支撑的。

产学联合，用FPGA共创5G未来

Altera公司副总裁兼通信业务总经理Francis Chow称，5G可将数据速率提升千倍，所连接的设备也将增加成百上千倍。要真正实现5G网络，我们必须解决很多技术上和商业上的挑战。仅仅靠半导体产业和系统产业解决不了这些挑战。因此，我们必须充分挖掘同学们的天赋和潜力。这就是我们联合西安电子科技大学、友晶举办2015年首次5G大赛的原因。这次竞赛，共有来自76所大学的184个团队参加大赛，最后30个团队用不到7个周的时间，基于Altera的FPGA平台完成了整个系统的部署，结果非常出色。

关于这次大赛，西南交通大学范平志教授称：大赛分为两个阶段，初赛和决赛。初赛侧重对算法的考察，大赛组委会提供了一套算法的基础方案，看同学们是否能够仿真设计出来。复赛侧重在硬件实现。评选是综合性的，首先看最基本的链路功能是否已经实现；另外就要看学生们实现的性能及优化创新的地方。比如说我负责的SCMA组，一些团队提出了跟参考方案不一样的更具新颖性的低复杂度译码算法，通过仿真验证了其可行性，并在硬件上实现出来。Altera这个板子总体反映应用不错非常给力，有团队在做完了算法链路的基础上，还用视频数据看看传输效果，带来更加直观的演示。

Francis Chow在谈到FPGA作用时称，长期以来，FPGA一直在为通信系统架构做出卓越的贡献。例如，今天如果你拿起电话跟你海外的朋友通话，你的电话有95%以上的可能性是通过Altera的FPGA实现的。FPGA具有极大的灵活性并可驱动创新。我们希望我们的FPGA能够像过去一样为未来的5G网络发展做出贡献。

参考文献：

[1]王莹.5G标准未行，算法等研发已开始预热电子产品世界，2015（7）：27-30

[2]张晨光.展讯已经开始做5G研发电子产品世界，2015（7）：26

[3]苏寒松，钱鑫，来世兵，等LTE系统中宏小区与femtocell的切换方法电子产品世界，2014（6）：33-36