什么是5G?5G的關鍵技術有哪些?5G的主要應用場景又是什么?
盡管5G已經成為ICT領域的熱點名詞，但是圍繞5G的一連串疑問仍亟待解答。當前，隨著4G進入規(guī)模商用階段，面向2020年及未來的第五代移動通信(5G)已成為全球研發(fā)的熱點。確定統(tǒng)一的5G概念，制定全球統(tǒng)一的5G標準，已經成為業(yè)界的共同呼聲。為了促使全球業(yè)界在5G概念與關鍵技術方面盡快達成共識，不久前，中國的IMT-2020(5G)推進組發(fā)布了5G概念白皮書。白皮書從5G愿景與需求出發(fā)，分析歸納了5G主要技術場景、關鍵挑戰(zhàn)和適用關鍵技術，提取了關鍵能力與核心技術特征形成了5G概念。同時，還在此基礎上結合標準與產業(yè)趨勢提出了5G適合的技術路線。
什么是5G
5G概念圖
什么是5G?相信很多人看到5G這個名詞時都會有如此疑問。從字義上看，5G指的是第五代移動通信。然而，5G究竟應該如何定義?目前，全球業(yè)界對于5G的概念尚未達成一致。中國IMT-2020(5G)推進組發(fā)布的5G概念白皮書認為，綜合5G關鍵能力與核心技術，5G概念可由“標志性能力指標”和“一組關鍵技術”來共同定義。其中，標志性能力指標為“Gbps用戶體驗速率”，一組關鍵技術包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡架構。
回顧移動通信的發(fā)展歷程，每一代移動通信系統(tǒng)都可以通過標志性能力指標和核心關鍵技術來定義。其中，1G采用頻分多址(FDMA)，只能提供模擬語音業(yè)務;2G主要采用時分多址(TDMA)，可提供數字語音和低速數據業(yè)務;3G以碼分多址(CDMA)為技術特征，用戶峰值速率達到2Mbps至數十Mbps，可以支持多媒體數據業(yè)務;4G以正交頻分多址(OFDMA)技術為核心，用戶峰值速率可達100Mbps~1Gbps，能夠支持各種移動寬帶數據業(yè)務。
5G關鍵能力比前幾代移動通信更加豐富，用戶體驗速率、連接數密度、端到端時延、峰值速率和移動性等都將成為5G的關鍵性能指標。然而，與以往只強調峰值速率的情況不同，業(yè)界普遍認為用戶體驗速率是5G最重要的性能指標，它真正體現了用戶可獲得的真實數據速率，也是與用戶感受最密切的性能指標?；?G主要場景的技術需求，5G用戶體驗速率應達到Gbps量級。
面對多樣化場景的極端差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術為基礎形成針對所有場景的解決方案。此外，當前無線技術創(chuàng)新也呈現多元化發(fā)展趨勢，除了新型多址技術之外，大規(guī)模天線陣列、超密集組網、全頻譜接入、新型網絡架構等也被認為是5G主要技術方向，均能夠在5G主要技術場景中發(fā)揮關鍵作用。
四大技術場景
5G主要技術場景與關鍵性能挑戰(zhàn)
5G是面向2020年及未來的移動通信技術，5G究竟將滿足人們怎樣的應用需求?暢想未來，5G會擁有哪些主要技術場景?5G概念白皮書指出，連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠，是5G的四大主要技術場景。
面向2020年及未來，移動互聯網和物聯網業(yè)務將成為移動通信發(fā)展的主要驅動力。5G將滿足人們在居住、工作、休閑和交通等領域的多樣化業(yè)務需求，即便在密集住宅區(qū)、辦公室、體育場、露天集會、地鐵、快速路、高鐵和廣域覆蓋等具有超高流量密度、超高連接數密度、超高移動性特征的場景，也可以為用戶提供超高清視頻、虛擬現實、增強現實、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務體驗。與此同時，5G還將滲透到物聯網及各種行業(yè)領域，與工業(yè)設施、醫(yī)療儀器、交通工具等深度融合，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務需求，實現真正的“萬物互聯”。
5G將解決多樣化應用場景下差異化性能指標帶來的挑戰(zhàn)，不同應用場景面臨的性能挑戰(zhàn)有所不同，用戶的體驗速率、流量密度、時延、能效和連接數都可能成為不同場景的挑戰(zhàn)性指標。從移動互聯網和物聯網主要應用場景、業(yè)務需求及挑戰(zhàn)出發(fā)，可歸納出連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四個5G主要技術場景。
具體而言，連續(xù)廣域覆蓋和熱點高容量場景主要滿足2020年及未來的移動互聯網業(yè)務需求，也是傳統(tǒng)的4G主要技術場景。低功耗大連接和低時延高可靠場景主要面向物聯網業(yè)務，是5G新拓展的場景，重點解決傳統(tǒng)移動通信無法很好地支持物聯網及垂直行業(yè)應用的問題。
連續(xù)廣域覆蓋——這是移動通信最基本的覆蓋方式，以保證用戶的移動性和業(yè)務連續(xù)性為目標，為用戶提供無縫的高速業(yè)務體驗。該場景的主要挑戰(zhàn)在于隨時隨地(包括小區(qū)邊緣、高速移動等惡劣環(huán)境)為用戶提供100Mbps以上的用戶體驗速率。
熱點高容量——主要面向局部熱點區(qū)域，為用戶提供極高的數據傳輸速率，滿足網絡極高的流量密度需求。1Gbps用戶體驗速率、數十Gbps峰值速率和數十Tbps/km2的流量密度需求是該場景面臨的主要挑戰(zhàn)。
低功耗大連接——主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、智能農業(yè)、森林防火等以傳感和數據采集為目標的應用場景，具有小數據包、低功耗、海量連接等特點。這類終端分布范圍廣、數量眾多，不僅要求網絡具備超千億連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數密度指標要求，而且還要保證終端的超低功耗和超低成本。
低時延高可靠——主要面向車聯網、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應用需求，這類應用對時延和可靠性具有極高的指標要求，需要為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業(yè)務可靠性保證。
兩條技術路線
5G工作計劃
從技術特征、標準演進和產業(yè)發(fā)展角度分析，白皮書認為，5G存在新空口和4G演進空口兩條技術路線。
新空口路線主要面向新場景和新頻段進行全新的空口設計，不考慮與4G框架的兼容，通過新的技術方案設計和引入創(chuàng)新技術來滿足4G演進路線無法滿足的業(yè)務需求及挑戰(zhàn), 特別是各種物聯網場景及高頻段需求。
4G演進路線通過在現有4G框架的基礎上引入增強型新技術，在保證兼容性的同時實現現有系統(tǒng)性能的進一步提升，在一定程度上滿足5G場景與業(yè)務需求。
此外，無線局域網(WLAN)已成為移動通信的重要補充，主要在熱點地區(qū)提供數據分流。下一代WLAN標準(802.11ax)制定工作已于2014年年初啟動，預計將于2019年完成。面向2020年及未來，下一代WLAN將與5G深度融合，共同為用戶提供服務。
當前，制定全球統(tǒng)一的5G標準已成為業(yè)界共同的呼聲，國際電信聯盟(ITU)已啟動了面向5G標準的研究工作，并明確了IMT-2020(5G)工作計劃：2015年將完成IMT-2020國際標準前期研究，2016年將開展5G技術性能需求和評估方法研究，2017年年底將啟動5G候選方案征集，2020年年底完成標準制定。
3GPP作為國際移動通信行業(yè)的主要標準組織，將承擔5G國際標準技術內容的制定工作。3GPP R14階段被認為是啟動5G標準研究的最佳時機，R15階段可啟動5G標準工作項目，R16及以后將對5G標準進行完善增強。
一組關鍵技術
5G主要場景和適用技術
白皮書認為，5G概念可由“標志性能力指標”和“一組關鍵技術”來共同定義。其中，“一組關鍵技術”包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡架構。
5G技術創(chuàng)新主要來源于無線技術和網絡技術兩方面。在無線技術領域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網、新型多址和全頻譜接入等技術已成為業(yè)界關注的焦點;在網絡技術領域，基于軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)的新型網絡架構已取得廣泛共識。此外，基于濾波的正交頻分復用(F-OFDM)、濾波器組多載波(FBMC)、全雙工、靈活雙工、終端直通(D2D)、多元低密度奇偶檢驗(Q-ary LDPC)碼、網絡編碼、極化碼等也被認為是5G重要的潛在無線關鍵技術。
5G無線關鍵技術
大規(guī)模天線陣列在現有多天線的基礎上通過增加天線數可支持數十個獨立的空間數據流，將數倍提升多用戶系統(tǒng)的頻譜效率，對滿足5G系統(tǒng)容量與速率需求起到重要的支撐作用。大規(guī)模天線陣列應用于5G需解決信道測量與反饋、參考信號設計、天線陣列設計、低成本實現等關鍵問題。超密集組網通過增加基站部署密度，可實現頻率復用效率的巨大提升，但考慮到頻率干擾、站址資源和部署成本，超密集組網可在局部熱點區(qū)域實現百倍量級的容量提升。干擾管理與抑制、小區(qū)虛擬化技術、接入與回傳聯合設計等是超密集組網的重要研究方向。
新型多址技術通過發(fā)送信號在空/時/頻/碼域的疊加傳輸來實現多種場景下系統(tǒng)頻譜效率和接入能力的顯著提升。此外，新型多址技術可實現免調度傳輸，將顯著降低信令開銷，縮短接入時延，節(jié)省終端功耗。目前業(yè)界提出的技術方案主要包括基于多維調制和稀疏碼擴頻的稀疏碼分多址(SCMA)技術、基于復數多元碼及增強疊加編碼的多用戶共享接入(MUSA)技術、基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址(PDMA)技術以及基于功率疊加的非正交多址(NOMA)技術。
全頻譜接入通過有效利用各類移動通信頻譜(包含高低頻段、授權與非授權頻譜、對稱與非對稱頻譜、連續(xù)與非連續(xù)頻譜等)資源來提升數據傳輸速率和系統(tǒng)容量。6GHz以下頻段因其較好的信道傳播特性可作為5G的優(yōu)選頻段，6GHz~100GHz高頻段具有更加豐富的空閑頻譜資源，可作為5G的輔助頻段。信道測量與建模、低頻和高頻統(tǒng)一設計、高頻接入回傳一體化以及高頻器件是全頻譜接入技術面臨的主要挑戰(zhàn)。
5G網絡關鍵技術
未來的5G網絡將是基于SDN、NFV和云計算技術的更加靈活、智能、高效和開放的網絡系統(tǒng)。5G網絡架構包括接入云、控制云和轉發(fā)云三個域。接入云支持多種無線制式的接入，融合集中式和分布式兩種無線接入網架構，適應各種類型的回傳鏈路，實現更靈活的組網部署和更高效的無線資源管理。5G的網絡控制功能和數據轉發(fā)功能將解耦，形成集中統(tǒng)一的控制云和靈活高效的轉發(fā)云?？刂圃茖崿F局部和全局的會話控制、移動性管理與服務質量保證，并構建面向業(yè)務的網絡能力開放接口，從而滿足業(yè)務的差異化需求并提升業(yè)務的部署效率。轉發(fā)云基于通用的硬件平臺，在控制云高效的網絡控制和資源調度下，實現海量業(yè)務數據流的高可靠、低時延、均負載的高效傳輸。
基于“三朵云”的新型5G網絡架構是移動網絡未來的發(fā)展方向，但實際網絡發(fā)展在滿足未來新業(yè)務和新場景需求的同時，也要充分考慮現有移動網絡的演進途徑。5G網絡架構的發(fā)展會存在局部變化到全網變革的中間階段，通信技術與IT技術的融合會從核心網向無線接入網逐步延伸，最終形成網絡架構的整體演變。
5G場景和關鍵技術的關系
連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低時延高可靠和低功耗大連接四個5G典型技術場景具有不同的挑戰(zhàn)性指標需求，在考慮不同技術共存可能性的前提下，需要合理選擇關鍵技術的組合來滿足這些需求。
在連續(xù)廣域覆蓋場景，受限于站址和頻譜資源，為了滿足100Mbps用戶體驗速率需求，除了需要盡可能多的低頻段資源外，還要大幅提升系統(tǒng)頻譜效率。大規(guī)模天線陣列是其中最主要的關鍵技術之一，新型多址技術可與大規(guī)模天線陣列相結合，進一步提升系統(tǒng)頻譜效率和多用戶接入能力。在網絡架構方面，綜合多種無線接入能力以及集中的網絡資源協(xié)同與QoS控制技術，為用戶提供穩(wěn)定的體驗速率保證。
在熱點高容量場景，極高的用戶體驗速率和極高的流量密度是該場景面臨的主要挑戰(zhàn)，超密集組網能夠更有效地復用頻率資源，極大地提升單位面積內的頻率復用效率;全頻譜接入能夠充分利用低頻和高頻的頻率資源，實現更高的傳輸速率;大規(guī)模天線、新型多址等技術與前兩種技術相結合，可實現頻譜效率的進一步提升。
在低功耗大連接場景，海量的設備連接、超低的終端功耗與成本是該場景面臨的主要挑戰(zhàn)。新型多址技術通過多用戶信息的疊加傳輸可成倍提升系統(tǒng)的設備連接能力，還可通過免調度傳輸有效降低信令開銷和終端功耗;F-OFDM和FBMC等新型多載波技術在靈活使用碎片頻譜、支持窄帶和小數據包、降低功耗與成本方面具有顯著優(yōu)勢。此外，終端直接通信(D2D)可避免基站與終端間的長距離傳輸，可實現功耗的有效降低。
在低時延高可靠場景，應盡可能降低空口傳輸時延、網絡轉發(fā)時延及重傳概率，以滿足極高的時延和可靠性要求。為此，需采用更短的幀結構和更優(yōu)化的信令流程，引入支持免調度的新型多址和D2D等技術以減少信令交互和數據中轉，并運用更先進的調制編碼和重傳機制來提升傳輸可靠性。此外，在網絡架構方面，控制云通過優(yōu)化數據傳輸路徑，控制業(yè)務數據靠近轉發(fā)云和接入云邊緣，可有效降低網絡傳輸時延。
結語
面向2020年及未來的移動互聯網和物聯網業(yè)務需求，5G將重點支持連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四個主要技術場景，將采用大規(guī)模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡架構等核心技術，通過新空口和4G演進兩條技術路線，實現Gbps用戶體驗速率，并保證在多種場景下的一致性服務。
此次5G概念白皮書的發(fā)布，從概念、核心能力、技術特征等多個角度對5G進行了定義和解讀。同時，這也是IMT-2020(5G)推進組繼去年發(fā)布5G愿景與需求白皮書后的又一力作?？梢灶A見，未來，隨著中國政府更加重視5G發(fā)展且采取更加開放的姿態(tài)，在產業(yè)界的共同努力下，我國將在全球5G發(fā)展中扮演越來越重要的角色，全球5G產業(yè)也將在統(tǒng)一標準下闊步前行。
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