5G技術(shù)挑戰(zhàn)與未來走向大盤點

　　在全球業(yè)界的大力推動下，第五代移動通信（5G）技術(shù)快速發(fā)展，當(dāng)前已進(jìn)入到概念形成和標(biāo)準(zhǔn)制定工作即將啟動的關(guān)鍵階段。為推動全球5G概念的形成，我國IMT-2020（5G）推進(jìn)組對5G主要場景、技術(shù)需求和關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了深入研究，并從中提煉了5G概念和技術(shù)路線。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，國際電信聯(lián)盟（ITU）即將完成5G標(biāo)準(zhǔn)前期研究，并明確提出了IMT-2020標(biāo)準(zhǔn)工作計劃，國際主流移動通信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP近期也啟動了5G相關(guān)議題討論。

　　5G面臨四大場景技術(shù)挑戰(zhàn)

　　面向2020年及未來，移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)將成為5G發(fā)展的主要驅(qū)動力。5G將滿足人們在居住、工作、休閑和交通等各種場景的多樣化業(yè)務(wù)需求。從對移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的需求出發(fā)，可提煉出 5G的四個主要技術(shù)場景：連續(xù)廣域覆蓋場景、熱點高容量場景、低功耗大連接場景和低時延高可靠場景。其中，前兩種場景主要面向移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，后兩種場景主要面向物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用。

　　5G面臨四大場景的多樣化技術(shù)挑戰(zhàn)。連續(xù)廣域覆蓋場景采用移動通信最基本的覆蓋方式，需要隨時隨地為用戶提供100Mbps以上的用戶體驗速率；熱點高容量場景面向局部熱點區(qū)域，需要滿足用戶極高的數(shù)據(jù)傳輸速率和區(qū)域范圍內(nèi)極高的數(shù)據(jù)流量需求，主要挑戰(zhàn)包括1Gbps用戶體驗速率、數(shù)十Gbps峰值速率和數(shù)十Tbps/平方公里流量密度；低功耗大連接場景主要面向海量的低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，不僅要求5G網(wǎng)絡(luò)具備超千億設(shè)備的總連接能力和100萬/平方公里的連接數(shù)密度要求，還需保證終端的超低功耗和超低成本；低時延高可靠場景主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的苛刻要求，需要實現(xiàn)毫秒級端到端時延和接近100%的可靠性。

　　5G創(chuàng)新源自無線和網(wǎng)絡(luò)

　　在無線技術(shù)方面，5G將采用大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入四大核心關(guān)鍵技術(shù)。大規(guī)模天線陣列通過增加天線數(shù)可支持?jǐn)?shù)十個獨立的空間數(shù)據(jù)流，能夠數(shù)倍提升系統(tǒng)頻譜效率和容量。超密集組網(wǎng)通過增加基站密度，可實現(xiàn)頻率復(fù)用效率的巨大提升。新型多址通過發(fā)送信號在碼域/空域/時域/頻域的疊加傳輸，可實現(xiàn)多場景下系統(tǒng)頻譜效率和接入能力的顯著提升，并可通過免調(diào)度傳輸降低信令開銷、時延和終端功耗，潛在技術(shù)方案包括SCMA、MUSA、 PDMA和NOMA等。全頻譜接入能夠有效利用各種移動通信頻譜來提升傳輸速率。其中，6GHz以下頻段傳播特性較好，可作為5G優(yōu)選頻段；6GHz以上頻段可作為后續(xù)補充頻段。此外，F(xiàn)BMC、F-OFDM、全雙工、靈活雙工、D2D、多元LDPC碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、極化碼等也被認(rèn)為是潛在的5G無線關(guān)鍵技術(shù)。

　　面對多樣化的5G場景，需采用合適的無線技術(shù)以滿足相應(yīng)需求。

　　——在連續(xù)廣域覆蓋場景，大規(guī)模天線陣列能夠大幅提升系統(tǒng)頻譜效率，提升用戶體驗速率，是連續(xù)廣域覆蓋場景最主要的使能技術(shù)之一，新型多址技術(shù)可與大規(guī)模天線陣列相結(jié)合，進(jìn)一步提升頻譜效率和多用戶接入能力。

　　——在熱點高容量場景，超密集組網(wǎng)能夠極大提升單位面積內(nèi)的頻率復(fù)用效率，并能夠與大規(guī)模天線陣列和新型多址相結(jié)合，進(jìn)一步提升系統(tǒng)頻譜效率，全頻譜接入能夠充分利用低頻和高頻資源，實現(xiàn)更高的傳輸速率和更大的系統(tǒng)容量。

　　——在低功耗大連接場景，新型多址能夠成倍提升系統(tǒng)的設(shè)備連接能力，并可通過免調(diào)度機(jī)制降低信令開銷和終端功耗；F-OFDM和FBMC可靈活使用碎片頻譜，支持窄帶和小數(shù)據(jù)包，并降低功耗與成本；D2D可避免基站與終端間的長距離傳輸，從而降低功耗和提升傳輸效率。

　　——在低時延高可靠場景，應(yīng)采用短幀結(jié)構(gòu)和精簡的信令流程，并引入新型多址和D2D等技術(shù)以減少信令交互和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，還可采用更先進(jìn)的調(diào)制編碼和重傳機(jī)制以提升傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

　　在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，5G將采用“三朵云”的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，整個網(wǎng)絡(luò)將會更加靈活、智能、高效和開放。5G網(wǎng)絡(luò)將以SDN和NFV作為基礎(chǔ)使能技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為接入云、控制云和轉(zhuǎn)發(fā)云三個域。接入云支持多制式無線接入，融合集中式、分布式及Mesh無線接入網(wǎng)架構(gòu)，適應(yīng)各種類型的回傳鏈路，實現(xiàn)更靈活的組網(wǎng)部署和更高效的無線資源管理。5G網(wǎng)絡(luò)控制功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能將解耦，從而形成集中統(tǒng)一的控制云和靈活高效的轉(zhuǎn)發(fā)云?？刂圃茖崿F(xiàn)局部和全局會話控制、移動性管理和服務(wù)質(zhì)量保證，并構(gòu)建面向業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能力開放接口，從而滿足業(yè)務(wù)的差異化需求，并提升業(yè)務(wù)的部署效率。轉(zhuǎn)發(fā)云基于通用的硬件平臺，在控制云的高效控制下，實現(xiàn)海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高可靠、低時延、均負(fù)載的高效傳輸。

　　5G概念及技術(shù)路線

　　綜合需求與技術(shù)趨勢，5G概念可由“標(biāo)志性能力指標(biāo)”和“一組關(guān)鍵技術(shù)”來共同定義。用戶體驗速率是業(yè)界公認(rèn)的5G最重要的性能指標(biāo)，它體現(xiàn)了用戶可獲得的真實數(shù)據(jù)速率，是用戶感受最密切的性能指標(biāo)。根據(jù)5G主要場景的技術(shù)需求，5G標(biāo)志性能力指標(biāo)應(yīng)為“Gbps用戶體驗速率”。在關(guān)鍵技術(shù)方面，5G將采用包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在內(nèi)的一組關(guān)鍵技術(shù)，以滿足各種場景的差異化需求。

　　從移動通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢來看，5G存在新空口和4G演進(jìn)兩條技術(shù)路線。新空口路線主要面向新場景和新頻段進(jìn)行全新的空口設(shè)計，不考慮與4G框架的兼容，通過新的方案設(shè)計或引入創(chuàng)新型技術(shù)來滿足4G演進(jìn)路線無法滿足的業(yè)務(wù)需求及挑戰(zhàn)， 重點考慮滿足物聯(lián)網(wǎng)場景和高頻段應(yīng)用需求。4G演進(jìn)路線通過在現(xiàn)有4G框架基礎(chǔ)上引入增強(qiáng)型新技術(shù)，在保證兼容性的同時進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，能夠在一定程度上滿足5G場景與業(yè)務(wù)需求。此外，下一代無線局域網(wǎng)（IEEE 802.11ax）將成為5G的重要補充并將與5G深度融合，共同為用戶提供服務(wù)。