5G移动通信网络发展探究（二）

柳虔林

（云南省军区，昆明 650051）

4.2 高频传输技术

前几代移动通信网络频段是在3GHz以内的微波频段。随着用户激增，频谱资源紧张的矛盾日益突出。但在毫米波频段，带宽高达284.6GHz，是微波带宽的12倍，元器件的尺寸也会小很多，技术也日渐成熟，能更好地实现高速短距通信，满足5G传输速率和容量需求，因而毫米波通信被认为是5G 网络物理层设计的关键技术之一。6GHz以下频段因其较好的信道传播特性，可作为5G的优选频段，6-100GHz高频段具有更加丰富的空闲频谱资源，可作为5G的辅助频段。业界探讨的频段包含较高的频段，如10GHz，28GHz，32GHz，43GHz，46-50GHz，56-76GHz 以及81-86GHz[13，14]。尽管这些频段目前尚处于提议阶段，但已引起足够重视。信道测量与建模、低频和高频统一设计、高频接入回传一体化、毫米波前端天线一体化等是该项技术面临的主要挑战[4，10，11]。

4.3 超密集网络技术

可以预见，5G网络和4G网络一样，主要是覆盖陆地上人口密集地区。IMT-2020归纳了6大典型的超密集网络场景，即密集住宅区、密集商务区、公寓、购物中心及交通枢纽、大型活动场馆、地铁[10]。针对5G网络智能化、宽带化、多元化、综合化要求，需采用更加密集的高达200个以上扇区的方案，通过增加基站部署密度，实现频率复用效率提升，但考虑到频率干扰、站址资源、部署成本等问题，采用UDN超密集网络技术能够缩短节点与终端的距离，提升功率效率及频谱效率，进而提高系统容量，尤其是可在局部热点区域实现百倍量级的容量提升[10]。相应地，干扰管理与抑制、小区虚拟化技[8，11，12]术、接入与回传联合设计等是密集网络技术的重要研究方向。

4.4 新型网络架构技术

为满足高容量、大规模用户需求，解决低时延、低成本、易维护、扁平化等技术难题，5G网络基于SDN、NFV、云计算及C-RAN（Cloud Radio Access Network）等先进技术，结合网络动态部署技术，准确感知各个相邻节点，完成选择网络、协调节点间距、实现网络业务等工序，为QoE（Qual ity of Experience）和QoS需求所带来的差异性提供优化举措，构建更加灵活、智能、高效、开放的，以用户为中心的新型网络[15]。5G网络架构包括接入云、控制云和转发云三个域。其中，接入云融合集中式和分布式两种无线接入网架构，支持多种无线制式的接入，适应各种类型的回传链路，实现灵活组网和资源高效管理；控制云实现局部和全局的会话控制、移动性管理和服务质量保证，并构建面向业务的网络能力开放接口，从而满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率；转发云基于通用的硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现海量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。业界研究内容包括基于 三朵云 的新型5G网络架构，网络切片（Network Slicing），C-RAN架构、功能以及基于C-RAN的更紧密协作的基站族、虚拟小区等[2，12]。

4.5 调制编码技术

作为一种新的数字调制技术，基于滤波器组的多载波（Filter Bank Multi-Carrier，FBMC）调制技术被认为是5G网络物理层设计的关键技术之一，其在灵活使用碎片频谱、支持窄带和小数据包、降低功耗与成本方面具有显著优势[7，14]。索引调制（Index Modulat ion，IM）技术在业界也颇受关注，目前最具潜力的两种方案分别是空间调制（Spatial Modulation，SM）和基于索引调制正交频分复用（Or thogonal Frequency Division Multiplexing with IM，OFDM-IM）[17]，其中SM 是将一组数据映射为信号的星座图和发射天线的序号两份信息，发送端通过空间调制映射，为这组数据选择合适的调制方式和天线序号，再通过多天线将其发送出去；OFDM-IM是一种新型的多载波传输技术，它把SM应用到多载波系统中，选择一部分激活的子载波携带数字调制信息进行传输，而激活子载波索引同样携带信息，这比OFDM 系统获得更高的速率和更好的误码性能。作为5G 信道编码标准热门候选技术的低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）和极化（Polar）码各有其特点。LDPC初期是基于二元域的，现已扩展到多元域，且取得了显著成果，已被802.11ac作为信道编码标准。Polar码是一种在二进制离散无记忆信道中通信系统容量能够达到香农极限的编码方式，其理论基础是信道极化（Chanel Polarization），当码长趋于无穷大时，会出现极化现象，即多个独立的信道将等效为信道容量接近1 的无噪信道，其余信道则趋于传输速率接近零全噪信道，Polar码的编码策略正是应用了这种现象，利用无噪信道传输用户有用信息，全噪信道传输约定的信息或者不传信息。在编译码的复杂度上，Polar 码具有较低的复杂度，实现起来较为简单，并且能达到信道容量极限，但是使用多元LDPC的系统具有更好的频带利用率，并且在中短码长上的表现也比 Polar码更为出众[7，14，18]。

4.6 D2D通信技术

针对5G网络用户规模大、数据流量大、功耗低等要求，以传统基站模式为中心的组网技术难以满足要求。设备到设备（Device to Device，D2D）通信技术可以完成终端设备的直接通信，从而降低基站负载，以此提供比基站转发更高速率、更低功耗的短距离传输服务，能够改善现有网络的通信质量，提高频谱利用率，具有潜在的提高系统性能和提升用户体验的前景。D2D通过使用丰富的频谱资源、高频谱效率和近距离低功率提供的高空间重用因子，实现大容量、低成本的通信。采用D2D通信技术，在没有基站的情况下也能实现5G通信设备间的直接通信，避免了基站与终端间的长距离传输，能更好实现功耗的有效降低，极大地提高了5G网络接入方式和网络连接性能。目前D2D的方案有广播、组播、单播，未来还将研发其增强技术，包括基于D2D的中继技术、多天线技术、联合编码技术、发送功率控制技术、资源分配技术等[3，11，12]。

4.7 新型多址技术

新型多址技术通过发送信号在空/时/频/码域的叠加传输来实现多种场景下系统频谱效率和接入能力的显著提升，还可实现免调度传输，将显著降低信令开销、缩短接入时延、节省终端功耗。目前业界提出的技术方案主要包括滤波正交频分复用（Filtered Or thogonal Frequency Division Multiplexing，F-OFDM），循环前缀正交频分复用（Cyclic Prefix Or thogonal Frequency Division Multiplexing，CPOFDM），通用滤波正交频分复用（Universal Filtered Or thogonal Frequency Multiplex，UF-OFDM），射束分割多址（Beam Division Multiple Access，BDMA），基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址（Sparse Code Multiple Access，SCMA）技术，基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入（Multi-User Shared Access，MUSA）技术，基于非正交特征图样的图样分割多址（Pattern Division Multiple Access，PDMA）技术以及基于功率叠加的非正交多址（Nonorthogonal Multiple Access，NOMA）技术，这些技术可在相同带宽下提高接入数量、频谱效率和系统容量[3，14，16]。此外，同时同频全双工技术突破TDD（时分双工）、FDD（频分双工）方式的频谱资源使用限制，在相同信道上对两个方向的信号进行传输，在通信双工节点的接收机处通过抵消自身发射信号干扰，在发射信号时接收另一节点的相同频信号，该技术在理论上可使频谱效率成倍提高[11]。

4.8 射频器件技术

由于5G网络的高速率、低延迟、低能耗，其基础设施也会移到更高的频率以拓宽数据带宽，从手机、基站、测试、封装等方面都对射频器件提出了新的要求[8]。其中，氮化镓（GaN）是一种直接能隙（Direct Bandgap）的半导体材料，能够耐受更高的电压；GaN器件的功率密度和工作温度更高，可用在高功率、高速的光电器件中，其工艺随着LTE迈向更高频率；GaN功率放大器已经能处理50GHz 或以上的毫米波频率，用GaN来制造基站使用的射频功率管以及手机中的PA是一种理想选择[19]。相控阵器件多采用标准CMOS工艺和硅锗（SiGe）工艺，已在毫米波相控阵/主动天线中得以应用；硅锗材料可以把先进CMOS工艺和片上无源器件集成在一起，减小系统级芯片（SoC）的面积以提高集成度，并在成本与性能的平衡上做到更好。目前，5G 基站和通信设备高频性能功放设计与制造、GaN材料工艺、高频器件测试与封装、波导腔内功率合成技术等备受业界关注[13，19]。

4.9 安全技术

5G时代，人们对于数据业务的需求呈现爆炸式增长，加之政府机构、行业部门和大量用户的敏感和机密信息通过无线信道传输，其安全问题不言而喻，提供无与伦比的安全服务是5G网络设计和实施上的一个首要任务[8]。传统的信息加密机制是在数据链路层或应用层上通过一定的密码算法对信息流进行加密，这种基于计算复杂度的加解密算法和密钥协商机制难以满足5G通信安全要求。而基于信号调制的方向调制技术因其无需考虑窃听者的计算能力，通过扰乱非期望方向上的信号星座图来实现信息安全传输，成为5G系统安全技术的研究重点。为此，业界将大规模MIMO技术和方向调制技术相结合，在大规模天线阵的前提下，采用基于天线子集选择和混合阵的方向调制技术，并辅以高强度密码算法对信息流进行加密，确保所有用户在移动支付、金融数据、电子媒体、电子标志、医疗记录、客户档案等方面安全保密 [20，21]。

4.10 智能化技术

智能化技术是实现5G网络的关键技术。在由大型服务器组成的云计算平台，通过交换机网络及数据交换功能的路由器与基站相连接的5G中心网络，其宏基站具有大数据存储功能和云计算功能，当需要对时效性特强或特别大的数据进行处理时，可提交到云计算中心进行网络处理，不同业务选取不同频段、不同连接方式和多样化天线。其中，自动模式切换、智能配置、智能识别、智能组网、协作认知无线电网络（Cooperative Cognitive Radio Network，CCRN）等是该项技术面临的主要挑战[2，3，8，14]。

5 5 G在4G基础上创新发展

5G不仅仅是 比4G多1G，而是在其基础上作更进一步、更深层次的创新和发展，其技术已走出实验室，悄然来到了人们身边，它将开辟移动通信发展新时代。国内外高新技术企业通过研发测试表明：在产业链上游的5G技术、系统设备等环节已经具备商用条件，并且蓄势待发。与此同时，芯片、系统厂商以及下游终端应用企业也全面投入到5G的产业化进程中，并积极营造环境，为促进5G预商用（Pre-commercial Trials）创造条件。5G将带动相关产业转型发展，将拓展出新的应用领域、催生出新的商业模式、衍生出新的产业行业[22]。

5.1 研发测试深层次推进

世界主要国家和地区高度重视5G的发展，纷纷出台了战略规划，部署一些重大项目，发布一些频谱规划来推动5G发展。2012年，欧盟的5G PPP 就已宣布用5000万欧元促进5G移动通信技术的研发，并计划于2020年正式商用[3]。2013年，韩国三星公司联合5G论坛宣布：已经成功研发出有关5G的关键技术并破解了4G有关于传输速率低下的难题，计划在2018年2月在平昌冬奥会上开始5G预商用试验[5]。2015年，日本的5G MF也宣布开始正式对5G 的户外承载能力展开测试，日本运营商将在2020年奥运会上提供5G商用服务[3]。2013年，英国电信运营商也对5G网络进行了100米内的传送数据测试，取得了预期结果[3]。2015年9月，美国移动运营商Verzion宣布其已成功做到了高达3.7Gbps的数据传输速率，经过2016年的测试以及完善后，推出5G 试商用，2017年开始5G商业运营[8]。以WLAN为代表的宽带无线接入技术也在向更大带宽、更高速率方向发展，下一代WLAN（802.11ax）制定工作已经于2014年初启动，预计将于2019年完成，它将与5G 深度融合，并且衍生出诸多新的应用方向，包括支持物联网应用的802.11ah、支持车联网的802.11p、支持低时延大带宽的802.11ad等，共同为用户提供服务[14]。从3G研发时起，我国科研人员就不忘初心、牢记使命，本着以充分准备好 后天 技术来赢得 明天 胜券的理念，着手考虑5G相关技术研发工作，并在2012年启动。2013年6月，由工信部、发改委、科技部联合推动、发起、组建的中国IMT-2020（5G）推进组发布的 5G愿景与需求 白皮书中，明确指出我国5G研发的重点主要分布在5G无线网络构架关键技术、5G无线传输关键技术、5G移动通信系统总体技术和5G移动通信技术评估与测试验证技术4个部分，具体研究能够支持高速移动互联的新型网络架构、高密度新型分布式协作与自组织组网、异构系统无线资源联合调配等技术，目标为重点突破大规模协作所涉及的技术瓶颈，研究大规模协作配置情况下的无线传输、阵列天线及低功率可配置射频等新型关键技术以及5G业务应用与需求、商业发展模式、用户体验模式、网络演进及发展策略、频谱需求与空中接口技术需求等[6，10，22]。2016年1月，我国全面启动了5G技术研发试验，分为关键技术验证、技术方案验证和系统方案验证三个阶段推进实施。其中，第一步是2016年到2018年底，为5G技术研发试验，主要目标是参与支撑5G 国际标准制定；第二步是2018年到2020年底，为5G 产品研发实验，主要目标是开展5G预商用测试[12]。5G技术实验将迎来第三阶段，将遵循ITU在2018年6月发布的国际标准，并基于面向商用的硬件平台，在3.4-3.6GHz和4.8-5.0GHz两个频段上重点开展预商用设备的单站、组网性能、网络规划、新老网络互操作以及系统、芯片、仪表等产业链上下游的互联互通测试，使整个产业具备商用的能力。

5.2 预商用条件正日趋成熟

没有信息化就没有现代化；网络强、技术强、产业强是建设网络强国的重要基础。在历代通信技术的更迭中，不管是2G，还是3G、4G，产业链里的各个角色谁先占领了产业制高点，谁在后期的市场角逐中就多了几分赢的胜算。5G被认为是未来关键网络的基础设施，已成为新一代信息技术的发展方向和制高点。5G时代最大的特点是传统通信行业需要与各行各业深度融合，从过去的单一领域向跨领域协同创新转变，围绕物联网、车联网等领域，共同推动基础通信能力和行业市场发展[3，6，22]。在2017 年9月中国国际信息通信展览会上，以5G技术为支撑的各种行业应用令人啧啧称奇，系统设备已经达到小型化和低成本这样一个接近于实用状态，领跑5G似乎成为此次参展国内外企业一致的主题和宣言。令人振奋的是：从3G跟跑，到4G并跑，再到如今5G领跑，中国以 弯道超车 、 变道超车 的方式，使5G多项技术指标领跑世界，中国信息通信产业从高原向高峰迈进的速度让世界瞠目和惊叹，预计2018年能与西方发达国家一样率先进入预商用状态。在预商用准备进程中，华为公司主推的 信道编码方案 及多项关键技术被采纳为5G国际核心标准，在中国5G试验第二阶段测试中率先集成了所有5G关键新空口技术，包括新波形技术、新型编码、新参数集、新帧结构、大规模天线、新型多址等，同时还加入欧洲5G架构研究联盟，主导5G网络切片从标准到技术、商用等端到端产业链的构建[6]。中国电信是5G网络架构、密集组网等多项5G关键技术研究牵头与主要贡献单位，在国际通信标准组织3GPP中主导了移动大视频、多网融合等6项与5G相关的3GPP国际标准，下一步将在雄安、苏州、深圳、成都、兰州、上海等六地首批开展5G现场试验，目标是结合积极推动网络技术与产业应用紧密结合，加强垂直行业创新应用合作研发[6]。中兴通讯携5G 高、低频系列产品，全面参与中国5G试验第二阶段测试，率先完成高频测试，成为唯一提供全系列设备参与七大场景测试的厂家，并率先完成mMTC场景外场测试，还携手中国移动和日本运营商验证了5G端到端能力，实现了3.5GHz频段下100MHz带宽单终端下行峰值速率达到2Gb/s以上，小区峰值速率达到5Gb/s以上测试[6]。如今，从政策扶持、市场需求、资金投入、技术进步、产业融合等方面来看，国内外企业在技术、系统和终端设备等环节，已经初步具备了5G预商用条件。

5.3 应用领域进一步拓展

今天， 用一张网络满足所有需求 的夙愿仍将面临巨大的技术挑战，5G以及5G之后的未来移动通信基础理论与关键技术孕育突破，传统无线移动通信频谱资源正日趋枯竭，开发毫米波、太赫兹、可见光等新的频谱资源迫在眉睫。5G是移动通信智能化迈出的第一步，是智能移动通信的1.0，移动通信智能化将持续几十年或更长[2]。在VR领域，5G 能实现随时随地和全球朋友实现虚拟现实交流。通过VR技术实现身临其境的信息交互，是游戏爱好者、旅游爱好者以及社交达人的福音，5G的传输速度、信息容量和网络覆盖，使得VR在各种场景中的应用成为可能，你可以和家人、同事进行高保真视频通话，就像他们真的在你身边一样[4]。在无人驾驶领域，汽车安装了传感器和5G通信模块，5G的高带宽和低时延足以保持汽车与控制中心、汽车与汽车之间的高速数据传输以及快速响应，自动驾驶的智能化反应不仅可以提前获知前方道路的拥堵情况，路过的汽车都以相互通信来精确操控行驶，能把刹车误差控制在20厘米以内，以避免可能发生的碰撞，而驾驶者的双手被解放，可以在车上阅读或休息，这将给广大驾乘人员带来新的体验，也将给汽车行业增添新的活力、激发新的动力，还将给汽车行业带来革命性变革[12]。在远程医疗领域，5G可使 远在天涯的医生，近在咫尺的诊疗 成为可能。医生通过远程视频进行诊断和手术设备操控，即使人们在世界的不同地方，都可以得到及时诊疗[11]。此外，5G与其他通信技术协同发展也在开拓新领域，如5G与光通信协同发展[23]，在促进高速光纤通信网发展的同时，也将促进5G无线网络的进一步发展；5G与卫星导航技术融合发展[24]，将极大地扩展导航的范围，提升导航的精度，使导航和通信相辅相成，互相促进，不但能从根本上提高应急救援的时效性，而且还能促进 一带一路 沿线国家和地区的经济增长。

6 结束语

纵观国内外关于5G移动通信网络的研究和发展工作，2020年遍布全球已势在必行，而谁能在未来的竞争市场中占得先机，谁就能影响未来的移动通信走向。创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑。在推进5G发展进程中，我国只有通过创新驱动来提高核心竞争力，才能赢得主动权，也才谈得上为世界各国5G和后5G发展提供方案智慧。未来几年，我国移动通信将转为兼顾4G，以5G为重点，以运营商应用为龙头带动整个产业链发展， 提速降费 将会在更大程度和更大范围迈进。随着我国进入新时代、开启新征程，一大批仁人志士力争用中国创新来点亮5G屏幕，使我们国家在5G时代成为全球移动通信领域领跑者，以此推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合，带动相关产业发展并让发展成果惠及千家万户，为建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国提供坚强支撑和服务保障。（全文完）

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