【行业新闻201710】5G通信核心关键技术及各国研究进展

1、5G通信简介

5G（5th-generation）是第五代移动通信技术的简称。5G弥补了4G技术的不足，在吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面进一步提升系统性能。它采取数字全IP技术，支持和分组交换，它既不是单一的技术演进，也不是几个全新的无线接入技术，而是整合了新型无线接入技术和现有无线接入技术（WLAN，4G、3G、2G等），通过集成多种技术来满足不同的需求，是一个真正意义上的融合网络。并且，由于融合，5G可以延续使用4G、3G的基础设施资源，并实现与4G、3G、2G的共存。

随着用户需求的驱动，对包括传输技术和网络技术在内的5G关键技术提出了极大的挑战。5G将通过更高的频谱效率、更多的频谱资源以及更密集的小区部署等，共同满足移动业务流量增长的需求。在网络容量方面，5G通信技术将比4G实现单位面积移动数据流量增长1000倍；在传输速率方面，典型用户数据速率将提升10到100倍，峰值传输速率可达10Gbps（4G为100Mbps）；同时，端到端时延缩短5-10倍，频谱效率提升5-10倍，网络综合能效提升1000倍。

5G通信下手机的无线下载速度最快可达每秒3.6Gbps（千兆，数据传输速度单位，1Gbps = 1024Mbps），较LTE（泛称准4G）的75Mbps（兆）快数百倍。使用该技术下载一部超高清电影文件最多仅需1秒时间，容量较大的3D电影和游戏等亦能实现秒传。

2、6大关键技术

关键技术1： 高频段传输

移动通信传统工作频段主要集中在3GHz以下的频段，使得频谱资源十分拥挤，而在高频段（如毫米波、厘米波频段）可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现极高速短距离通信，支持5G容量和传输速率等方面的需求。目前，韩国三星在28GHz高频段，利用64根天线，采用自适应波束赋形技术，在2公里的距离内实现了1Gbps的峰值下载速率，用户只需要不到一秒钟的时间下载一部完整的电影。

高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，业界对此高度关注。足够bh量的可用带宽，小型化的天线和设备，较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点。但是，也存在着传输距离短，穿透和绕射能力差，容易受到气候环境影响等缺点。同时，射频器件、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。

监测中心目前正在积极开展高频段需求研究以及潜在候选频段的遴选工作。高频段资源虽然目前较为丰富，但是仍需要进行科学规划，统筹兼顾，从而使宝贵的频谱资源得到最优配置。

关键技术2 ：新型多天线传输

作为近年来备受关注的技术之一，多天线技术经历了从无源到有源，从二维（2D）到三维（3D），从高阶MIMO到大规模阵列的发展，将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术重要的研究方向之一。

由于引入了有源天线阵列，基站侧可支持的天线协作数将达到128。此外，原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波的技术，将进一步改善无线信号覆盖性能。

目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制等问题进行研究，未来将支持更多的用户空分多址（SDMA），显著降低发射功率，实现绿色节能和提升覆盖能力。

关键技术3: 同时同频全双工

最近几年，同时同频全双工技术吸引了业界的注意。该技术在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率提高1倍。

全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制，使得频谱资源的使用更加灵活。然而，全双工技术需要具备极高的干扰消除能力，这对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时，还存在着邻小区同频干扰问题。在多天线及组网场景下，全双工技术的应用难度更大。

关键技术4 ：终端直通技术（D2D）

传统的蜂窝通信系统的组网方式，是以基站为中心实现小区覆盖，而基站及中继站无法移动，其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务不断增多，传统的以基站为中心的业务提供方式，已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。

D2D技术能够无需借助于基站的帮助实现通信终端之间直接通信，拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信，信道质量高，能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。

关键技术5 ：密集网络

在未来的5G通信中，无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及，数据流量将发生井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得超密集网络成为了实现未来5G的1000倍流量需求的主要手段之一。超密集网络将能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。未来，面向高频段大带宽，将采用更加密集的网络方案，部署高达100个以上小小区/扇区。

与此同时，愈发密集的网络部署，也使得网络拓扑更加复杂，小区间干扰已经成为制约系统容量增长的主要因素，极大地降低了网络能效。干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前密集网络方面的研究热点。

关键技术6： 新型网络架构

目前，LTE接入网采用网络扁平化架构，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。未来5G可能采用C-RAN接入网架构。C-RAN是基于集中化处理(Centralized Processing)，协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)的绿色无线接入网构架(Clean system)。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出。目前，研究的内容包括C-RAN的架构和功能，如集中控制，基带池RRU接口定义，基于C-RAN的更紧密协作，如基站簇、虚拟小区等。

3、各国研究进展

目前全球都已开展5G的研究工作。

中国

我国启动5G移动通信系统研发

2013年10月，我国启动了国家863计划“第五代移动通信系统研究开发”项目，今年投入1.6亿元人民币，在2020年之前，系统地研究5G移动通信体系架构、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键技术，完成性能评估及原型系统设计，进行技术试验与测试。实现支持业务总速率10Gbps，将目前4G系统的频谱、功率效率提升10倍，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。目前，此项目参加单位除了国内55家通信企业、学术研究机构外，还首次吸纳了三星、诺西、爱立信公司等数家国际企业作为研发合作伙伴，5G研究正在成为全球移动通信领域新一轮技术竞争焦点。