第五代移动通信（5G）关键技术之空口技术综述

丁丽萍 杜文俊

摘 要： 随着全球范围内第五代移动通信（5G）的逐步发展，5G的各种应用场景和关键能力使得现有的通信网络面临的问题日益凸显，而空口技术为通信网络带来体制性变革的技术可行性的同时也提供了全新的运营观念和模式。

1概述

1.1 第5代移动通信基本要求

从目前来看，移动互联网和物联网（internet of things，IoT）将成为未来移动通信发展的主要驱动力，并给移动通信带来新的技术挑战。5G将满足人们在生活、工作和交通等各种区域的多样化业务需求，与此同时，5G还将渗透到物联网及各种行业领域，与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样化业务需求，实现真正的“万物互联”。为此，各界达成共识的5G基本要求如下：1）传输速率要求：a. 10Gbit/s峰值速率；b. 10-100Mbit/s的用户体验速率。2）连接与流量器件数：a. 100倍的连接器件数；b. 1000倍的流量增长。3）时延和可靠性要求：a. 用户面和控制面时延相对4G缩短为1/5-1/10；b. 更高的安全可靠性。4）能耗和成本要求：a. 网络综合能效提升1000倍；b. 综合成本持续下降。

1.2 全球5G研发推进概况

目前，世界上主要标准化组织、国家和公司都在大力研发和发展5G技术、标准与试验系统。我国5G技术研发试验在政府的领导下，依托国家科技重大专项，由IMT-2020（5G）推进组负责实施。在5G即将进入国际标准研究的关键时期，我国启动5G研发技术试验，搭建开放的研发试验平台，将有力推动全球5G统一标准的形成，促进5G技术研发与产业发展，为我国2020年启动5G商用奠定良好基础。欧洲在5G研发方面与日本、中国、美国等地区的相关组织签订了相关协议，目标是形成全球统一的标准和协调全球的频率，这一工作将使全球的互操作最大化、经济规模最大化；据估计欧盟的5G网络将在2020年～2025年之间投入运营。美国方面，由美国通信运营商和移动通信设备制造商组成的业内团体-4G Americas于2016年2月12日宣布更名为“5G Americas”。开展的活动包括支持向5G演进的第三代合作伙伴计划，在美洲开展LTE通信及5G推广活动。日本成立5G移动推进论坛（5GMF）、韩国成立5G论坛来推动5G的研究。

1.3 5G空口技术框架

5G空中接口技术框架应当具有统一、灵活、可配置的技术特性。面对不同场景差异化的性能需求，客观上需要专门设计优化的技术方案。然而，从标准和产业化角度考虑，结合5G新空口和4G演进两条技术线路的特点，5G应尽可能基于统一的技术框架进行设计。针对不同场景的技术需求，通过关键技术和参数的灵活配置形成相应的优化技术方案。

根据移动通信系统的功能模块划分，5G空中接口技术框架包括帧结构、双工、波形、多址、调制编码、天线、协议等基础技术模块，通过最大可能地整合共性技术内容，从而达到“灵活但不复杂”的目的，各模块之间可相互衔接，协同工作。根据不同场景的技术需求，对各技术模块进行优化配置，形成相应的空中接口技术方案。

5G空中接口技术框架可针对具体场景、性能需求、可用频段、设备能力和成本等情况，按需选取最优化技术组合并优化参数配置，形成相应的空中接口技术方案，实现对场景及业务的“量体裁衣”，并能够有效应对未来可能出现的新场景和新业务需求，从而实现“前向兼容”。

25G专利情况分析

2.1国内外申请量

在空口多址技术中，非正交多址接入技术NOMA的申请量最大，NOMA虽然在某些方面依然采用了4G的技术，如NOMA的子信道传输依然采用OFDM技术。但同时也引入了一些新的技术，如：SIC技术，功率域复用技术，并且提高了系统的鲁棒性。这些技术都使得NOMA在保证移动业务速率的前提下，极大的提高了频谱的利用率。

在多载波技术中，滤波器组多载波技术FBMC的申请量最大，作为通用滤波OFDM的UFMC技术和广义频分复用传输GFDM技术的申请量都不是很大。FBMC在1960s被首次研究，使用滤波器组对多载波信号进行综合和分析。尽管FBMC的技术复杂度高于OFDM，但随着人们对高可靠、高速度通信需求的增加，以及频谱资源受限和传输环境复杂等通信瓶颈问题日益凸显，以及信号处理和电子设备的显著进步，FBMC再次引起了研究者们的关注。

2.2重点申请人

关于空口多址技术中，NTT DOCOMO公司的申请量最多，因为非正交多址接入（NOMA）技术在2014年9月由日本著名通信营研发商NTT DOCOMO正式提出，因此，该公司的申请量大是很正常的。关于多载波技术，华为公司独树一帜，申请量最大。作为在中国的通信领域发展最快的厂家，华为公司也在新型多址多载波技术领域做出了极大的贡献。对于在5G面向2020年以后移动通信需求和发展的新一代移动通信系统中，对多址多载波传输技术提出了更加苛刻的要求。

3结语

通过对多址多载波技术的专利申请情况的反响，从总体的专利申请情况来看，中国申请量不论是在多址技术还是多载波技术中都是遥遥领先，结合重点申请人的分布可以看出，华为公司在5G系统中的空口技术中的研究仍然处于前沿位置。提高多址接入效率的多址技术受到香农定理的限制，所以5G提高多址接入效率或提高萬物接入的高多址接入率，不仅可以多址接入技术，还可以考虑更高的频谱、更大的传输带宽等条件。

最后，通过本文的分析，可知多址多载波技术作为5G通信系统中最基础也最核心的技术，使用何种特点的技术，是本领域的通信运营商所要考虑和决定的事情。要满足5G通信系统中传输速率要求、连接与流量器件数、时延和可靠性要求以及能耗和成本要求，则需要结合多址多载波技术的各自的特点来考量和决定。

参考文献

[1] IMT-2020， 5G概念白皮书，2015年12月.

[2] IMT-2020， 5G网络技术架构白皮书，2015年5月.

[3] 谢显中，第5代移动通信基本要求与新型多址复用技术，自然科学报，2015年8月.