5G為移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展描繪美好的藍(lán)圖

　　4G的普及與應(yīng)用為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打開(kāi)了大門(mén)，伴隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的進(jìn)步與發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)正無(wú)時(shí)無(wú)刻地改變著人們的生活，同時(shí)也刺激著移動(dòng)通信需求的進(jìn)一步發(fā)展。5G作為面向2020年及以后的移動(dòng)通信系統(tǒng)，其應(yīng)用將深入到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，作為基礎(chǔ)設(shè)施為未來(lái)社會(huì)提供全方位的服務(wù)，促進(jìn)各行各業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)。

　　為此，5G將提供光纖般的接入速度，“零”時(shí)延的使用體驗(yàn)，使信息突破時(shí)空限制，為用戶即時(shí)呈現(xiàn)；5G將提供千億設(shè)備的連接能力，極佳的交互體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)人與萬(wàn)物的智能互聯(lián)；5G將提供超高流量密度、超高移動(dòng)性支持，讓用戶隨時(shí)隨地獲得一致的性能體驗(yàn)；同時(shí)，超過(guò)百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，也將保證產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。超高速率、超低時(shí)延、超高移動(dòng)性、超強(qiáng)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(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”的愿景［1］。

　　身臨其境的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)處不在的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)是5G發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)IMT-2020（5G）推進(jìn)組的預(yù)測(cè)［1］，2010年到2020年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)將超過(guò)200倍，2010年到2030年將增長(zhǎng)近20 000倍，其中熱點(diǎn)區(qū)域的增長(zhǎng)速度更快，達(dá)到十年千倍；同時(shí)，到2030年，包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在內(nèi)的全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總數(shù)將達(dá)到1 000億量級(jí)，其中我國(guó)超過(guò)200億。

　　5G的應(yīng)用場(chǎng)景由相關(guān)地點(diǎn)和該地點(diǎn)發(fā)生的業(yè)務(wù)組成。5G應(yīng)用場(chǎng)景主要包括移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)兩大類(lèi)，而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)類(lèi)又可以抽象為低移動(dòng)性高速率和高移動(dòng)性廣覆蓋兩個(gè)子類(lèi)；移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)類(lèi)可以抽象為低功耗大連接和低時(shí)延高可靠?jī)蓚€(gè)子類(lèi)，如圖1所示。其中：

　?。?）低移動(dòng)性高速率類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景主要包括辦公室、密集住宅區(qū)、城市熱點(diǎn)如CBD和大型集會(huì)等，其對(duì)應(yīng)的主要業(yè)務(wù)有高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及云存儲(chǔ)等。這類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景的主要挑戰(zhàn)在于高速率、高連接密度等；

　?。?）高移動(dòng)性廣覆蓋類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景主要發(fā)生在高鐵、快速路以及地鐵等對(duì)移動(dòng)性要求較高的地點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的主要業(yè)務(wù)有網(wǎng)頁(yè)瀏覽、實(shí)時(shí)在線游戲、云端辦公等，主要挑戰(zhàn)在于有一定移動(dòng)性的前提下保持一定的體驗(yàn)速率；

　?。?）低功耗大連接類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景主要面向傳感器類(lèi)應(yīng)用，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能報(bào)表和可穿戴設(shè)備等方面，主要挑戰(zhàn)在于連接數(shù)巨大且功耗要求低；

　　（4）低時(shí)延高可靠類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景主要包括工業(yè)及醫(yī)療行業(yè)的自動(dòng)控制類(lèi)業(yè)務(wù)、交通行業(yè)的自動(dòng)駕駛、智能電網(wǎng)等，主要挑戰(zhàn)在于時(shí)延和移動(dòng)性等方面的要求。

　　基于對(duì)上述四類(lèi)場(chǎng)景的分析，5G的整體需求可以用下面的“5G之花”來(lái)表征。如圖2，花瓣代表了5G的六大性能指標(biāo)，體現(xiàn)了5G滿足未來(lái)多樣化業(yè)務(wù)與場(chǎng)景需求的能力，其中花瓣頂點(diǎn)代表了相應(yīng)指標(biāo)的最大值，分別體現(xiàn)為：5G要支持0.1～1 Gb/s的用戶體驗(yàn)速率、每平方公里一百萬(wàn)的連接數(shù)密度、毫秒級(jí)的端到端時(shí)延、每平方公里數(shù)十Tb/s的流量密度、每小時(shí)500 km以上的移動(dòng)性和數(shù)十Gb/s的峰值速率。其中，用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度和時(shí)延為5G最基本的3個(gè)性能指標(biāo)。需要注意的是，并非所有的性能指標(biāo)都需要同時(shí)滿足。另外，綠葉代表了3個(gè)效率指標(biāo)，是實(shí)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(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的需求。

　　為了滿足5G對(duì)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(shù)來(lái)提升無(wú)線傳輸?shù)男?，達(dá)到3~5倍于4G系統(tǒng)的頻譜效率，以及現(xiàn)有空口時(shí)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(diào)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(hào)能量，增強(qiáng)小區(qū)覆蓋；而傳統(tǒng)的2D-MIMO天線端口數(shù)較少，導(dǎo)致波束較寬，并且只能在水平維度調(diào)整波束方向，無(wú)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(dǎo)致其同時(shí)同頻可服務(wù)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(shí)同頻服務(wù)更多的用戶，極大地提升系統(tǒng)容量，還可通過(guò)多個(gè)小區(qū)垂直維波束方向的協(xié)調(diào)，起到降低小區(qū)間干擾的目的。

　　3D-MIMO無(wú)論是在提升接收和發(fā)送的效率，提升多用戶MIMO的配對(duì)用戶數(shù)，還是降低小區(qū)間的干擾方面，都相對(duì)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(shù)。

　　2.2 非正交多址［3］

　　面對(duì)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(shí)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(guó)內(nèi)外5G研究當(dāng)中，資源非獨(dú)占的用戶多址接入方式廣受關(guān)注。在這種多址接入方式下，沒(méi)有任何一個(gè)資源維度下用戶是具有獨(dú)占性的，因此在接收端必須進(jìn)行多個(gè)用戶信號(hào)的聯(lián)合檢測(cè)。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(cè)已成為可實(shí)施的方案。

　　5G新型多址的設(shè)計(jì)將從物理層最基本的調(diào)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(shí)在接收端引入多用戶聯(lián)合檢測(cè)來(lái)實(shí)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(jìn)入核心的碼本映射模塊，包括調(diào)制映射、碼域擴(kuò)展和功率優(yōu)化，這三個(gè)部分也可聯(lián)合設(shè)計(jì)，獲得額外編碼增益；在接收端經(jīng)過(guò)多用戶聯(lián)合檢測(cè)后的軟信息可輸入單用戶糾錯(cuò)編碼的譯碼模塊進(jìn)行譯碼，也可以將信道譯碼的結(jié)果返回代入多用戶聯(lián)合檢測(cè)器進(jìn)行大迭代譯碼，進(jìn)一步提升性能。在這個(gè)通用結(jié)構(gòu)圖中，上下行多接入的區(qū)別在于多用戶信號(hào)疊加的位置不同，下行多用戶信號(hào)在過(guò)信道前，在發(fā)送端疊加，而上行多用戶信號(hào)則在經(jīng)過(guò)無(wú)線信道后，在接收端疊加。

　　對(duì)比4G OFDMA正交多址的物理層過(guò)程，5G新型非正交多址物理層過(guò)程引入新模塊變化的動(dòng)機(jī)主要有如下幾個(gè)方面：

　?。?）通過(guò)新的（多維）調(diào)制映射設(shè)計(jì)，獲得編碼增益和成型增益，提升接入頻譜效率；

　?。?）通過(guò)（稀疏）碼域擴(kuò)展，獲得分集增益，增強(qiáng)傳輸魯棒性，也白化小區(qū)內(nèi)或小區(qū)間數(shù)據(jù)流間的干擾（interference whitening）；

　?。?）通過(guò)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(jié)構(gòu)［4］

　　5G系統(tǒng)為了進(jìn)一步降低發(fā)送的時(shí)延，對(duì)時(shí)隙的結(jié)構(gòu)和收發(fā)的反饋進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。對(duì)于TDD系統(tǒng)，通過(guò)引入更多的上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)，縮短發(fā)送和反饋之間的響應(yīng)時(shí)間，這種幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也叫自包含的幀結(jié)構(gòu)。對(duì)于FDD，則可以通過(guò)更短的調(diào)度和傳輸周期，縮短傳輸時(shí)延。

　　5G定義的子幀格式如圖5，這種幀結(jié)構(gòu)可以大大縮短收發(fā)之間的時(shí)間間隔，對(duì)于TDD而言，還可以提升上行信道探測(cè)的有效信息，進(jìn)一步提升下行的MIMO的傳輸和檢測(cè)效率，從而提升系統(tǒng)頻譜效率。

　　2.4 更快速的狀態(tài)轉(zhuǎn)換［5］

　　5G為了實(shí)現(xiàn)更低的控制面時(shí)延，如10 ms，在4G已有的連接態(tài)和空閑態(tài)中引入了一個(gè)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(wú)線側(cè)的連接狀態(tài)，當(dāng)需要時(shí)，可以快速建立無(wú)線側(cè)的連接，從而大幅降低從原空閑態(tài)到連接態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)延。新的去激活狀態(tài)如圖6。

　　為了支持靈活的應(yīng)用場(chǎng)景，和差異化的網(wǎng)絡(luò)能力需求，5G需要更加靈活有效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足未來(lái)運(yùn)營(yíng)商靈活組網(wǎng)、快速業(yè)務(wù)部署的需求。下面介紹5G的新技術(shù)特征［6］。

　　3.1 三云一層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一而不靈活，很難滿足未來(lái)5G多場(chǎng)景、差異化QoS需求等實(shí)際部署需求。 面向未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)，基于控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離和控制功能重構(gòu)的技術(shù)設(shè)計(jì)新興網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高接入網(wǎng)在面向5G發(fā)雜場(chǎng)景下的整體接入性能。簡(jiǎn)化核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提供靈活高效的控制轉(zhuǎn)發(fā)功能，支持高智能運(yùn)營(yíng)，開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)能力，提升全網(wǎng)整體服務(wù)水平。控制功能的抽離和聚合，有利于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制平面從全局視角來(lái)感知和調(diào)度資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的可編程。三云一層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7。

　　3.2 面向服務(wù)的云化網(wǎng)絡(luò)使能端到端網(wǎng)絡(luò)切片

　　5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最大的特征就是基于SDN/NFV技術(shù)，通過(guò)面向服務(wù)的云化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的靈活和快速部署。同時(shí)，通過(guò)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(luò)中的任意需要的位置，對(duì)通用硬件資源實(shí)現(xiàn)按需分配和動(dòng)態(tài)伸縮，既以達(dá)到最優(yōu)的資源利用率，也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)、快速和按需部署?；赟DN/NFV的網(wǎng)絡(luò)切片如圖8。

　　3.3 用戶為中心的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)［7］

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

　　5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要設(shè)計(jì)理念如下：

　?。?）用戶與業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能感知

　　以智能無(wú)線管道為目標(biāo)，通過(guò)引入更精細(xì)化的業(yè)務(wù)與用戶區(qū)分機(jī)制，根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景、用戶能力、用戶偏好及網(wǎng)絡(luò)能力等，自適應(yīng)配置空口技術(shù)、系統(tǒng)參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)端到端的精細(xì)而多樣化的網(wǎng)絡(luò)連接、業(yè)務(wù)和內(nèi)容區(qū)分與處理。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將能支持基于對(duì)業(yè)務(wù)與用戶的預(yù)測(cè)、分析、響應(yīng)和處理能力，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的空口接入與管理、端到端的精細(xì)而多樣化的業(yè)務(wù)和內(nèi)容區(qū)分與處理，提供更精準(zhǔn)、更完備的用戶個(gè)性化、定制化的資源配置和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以滿足多樣化的用戶及業(yè)務(wù)需求，并確保一致的、高質(zhì)量的用戶體驗(yàn)。

　　（2）業(yè)務(wù)下沉與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地化處理（MEC）

　　在邏輯功能上，基于核心網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)的功能重構(gòu)，促使核心網(wǎng)專(zhuān)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(wù)承載功能繼續(xù)下沉，業(yè)務(wù)承載的管理與業(yè)務(wù)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(gòu)建更加優(yōu)化的業(yè)務(wù)通道，使得業(yè)務(wù)的路由通道更加簡(jiǎn)化，避免業(yè)務(wù)瓶頸，降低集中傳輸?shù)呢?fù)荷。同時(shí)，基于對(duì)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)內(nèi)容的精細(xì)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(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地就近智能分發(fā)和推送。

　?。?）支持多網(wǎng)融合與多連接傳輸

　　在可見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)，4G/5G/WiFi等多種網(wǎng)絡(luò)將長(zhǎng)期共存，因此，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須支持多種網(wǎng)絡(luò)的深度融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)于多種無(wú)線技術(shù)/資源的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)管理，并基于承載與信令分離，信令與制式解耦，實(shí)現(xiàn)與接入方式無(wú)關(guān)的統(tǒng)一的控制，使得無(wú)線資源的利用達(dá)到最大化。同時(shí)，未來(lái)的終端也將普遍具備多制式多無(wú)線的同時(shí)連接和傳輸能力。在多維度業(yè)務(wù)接納與控制的基礎(chǔ)上，5G網(wǎng)絡(luò)將基于時(shí)延容忍度、丟包敏感度以及不同的APP、業(yè)務(wù)提供商，支持精確的網(wǎng)絡(luò)選擇與無(wú)線傳輸路徑與方式，實(shí)現(xiàn)最佳資源匹配。

　　5G為移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展描繪了一個(gè)美好的藍(lán)圖。為了實(shí)現(xiàn)5G要求的超高頻率效率、超低時(shí)延、超高連接數(shù)密度、超低能耗，5G需要在空中接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(jié)構(gòu)、新的協(xié)議狀態(tài)、三云一層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、端到端的網(wǎng)絡(luò)切片、以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)等。