呂邦國，楊健，于濤（吉林吉大通信設(shè)計院股份有限公司，長春 130012）

5G標(biāo)準(zhǔn)進展及關(guān)鍵技術(shù)

呂邦國，楊健，于濤
（吉林吉大通信設(shè)計院股份有限公司，長春 130012）

本文簡要說明了5G標(biāo)準(zhǔn)的全球活動以及目前5G的愿景和需求，針對5G的需求從提高系統(tǒng)頻譜效率、提高系統(tǒng)帶寬和增加站址密度3個方面入手，詳細的介紹了各條脈絡(luò)的發(fā)展歷程和目前的備選技術(shù)，并分析了技術(shù)的適用場景和使用時的注意點。

5G標(biāo)準(zhǔn)；高頻段頻譜；異構(gòu)網(wǎng)

1　5G全球活動

世界各國都在積極的研發(fā)5G技術(shù)，其中比較重要的5G標(biāo)準(zhǔn)組織有METIS（歐盟）、5GPPP（歐盟）、5G Forum（韓國）、NGMN（英國）和IMT-2020（中國）。而中國也沒有落下研究5G技術(shù)的腳步。早在2013年2月，中國工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部就聯(lián)合推動成立了IMT-2020推進組，成員包括中國主要高校、研究機構(gòu)、運營商和制造商，集中力量研究5G技術(shù)。

與4G類似，5G的標(biāo)準(zhǔn)化組織也有ITU和3GPP兩個。其中ITU是聯(lián)合國下的一個重要機構(gòu)，目標(biāo)是推動5G技術(shù)發(fā)展，平衡各國利益關(guān)系，制定5G的相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)；3GPP是全球電信產(chǎn)業(yè)的聯(lián)盟，其目標(biāo)是根據(jù)ITU的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，制定詳細的技術(shù)規(guī)范與產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范產(chǎn)業(yè)的行為，確保5G技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

ITU日前已經(jīng)確定了5G的時間表：截止到2015年底，完成5G宏觀描述； 2016～2017年底，技術(shù)準(zhǔn)備；2017年底～2020年底，收集候選技術(shù)。計劃在2020年底正式發(fā)布5G標(biāo)準(zhǔn)。

在ITU-R WP5D#19會議上，各國家/公司提出了自己研究的5G需求。其中我國提出的愿景和需求引起了非常廣泛的關(guān)注，也成為了ITU最終確定5G需求的重要依據(jù)。我國提出的愿景為“信息隨心至，萬物觸手及”，需求包括了六大技術(shù)指標(biāo)和三大效率指標(biāo)，匯集成了一朵鮮花的形狀，如圖1所示。

ITU最終發(fā)布的愿景包含了8個關(guān)鍵能力，如表1所示。

2　5G愿景

5G愿景和能力主要是移動互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)激發(fā)的。滿足這些關(guān)鍵能力，通常有3條途徑：提高系統(tǒng)的頻譜效率、提高系統(tǒng)的帶寬和增加站址密度。

2.1提高系統(tǒng)的頻譜效率

移動通信人一直在致力于提高系統(tǒng)的頻譜效率，2G時代，獲利于模擬到數(shù)字的技術(shù)革命，頻譜效率相對于模擬通信提升了近10倍。但是隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，譜效率的提升難度越來越大，LTE的頻譜效率相對于HSPA+提升的就已經(jīng)非常少了。想要進一步提升頻譜效率，可以從物理層手段、MIMO技術(shù)、干擾控制技術(shù)3個方面入手。

圖1　中國5G愿景

表1　ITU 5G關(guān)鍵能力

2.1.1物理層手段

無論是多址技術(shù)（GMSK/CDMA/OFDMA）、調(diào)制技術(shù)（QPSK/ 16QAM/64QAM）、編碼技術(shù)（卷積碼/ Turbo碼）、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)（話音圖像壓縮/分組頭壓縮）、雙工技術(shù)（時分/頻分）等，目前技術(shù)均已接近香農(nóng)極限，物理層可挖掘的空間不大。目前學(xué)術(shù)界從物理層的各個方面都有一定的突破，有希望的技術(shù)包括非正交傳輸、Filtered OFDM、Polar Codes、全雙工等。然而，需要承認(rèn)的是，這些技術(shù)所帶來的復(fù)雜度和功耗是巨大的，而增益卻并不是那么可觀。

2.1.2MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)將傳統(tǒng)的時/頻/碼三維擴展為了時/頻/碼/空四維，新增的緯度為頻譜效率的提升帶來了廣大的可能。目前已經(jīng)廣泛使用的MIMO為2×2 MIMO，并且可以2用戶進行MU-MIMO。未來MIMO技術(shù)的演進方向是向著更多的層數(shù)、更多的用戶數(shù)發(fā)展，最終形成網(wǎng)狀的MIMO，也就是海量的多天線多用戶MIMO。但是MIMO技術(shù)受限于天線能力和芯片處理能力，成本太高，同時，隨著天線數(shù)的增加，空間相關(guān)性提高，性能也會隨之下降。

2.1.3干擾控制技術(shù)

干擾控制的原理是通過信息交互，多基站協(xié)同工作，降低干擾。但是隨著干擾控制要求的增加，需要交換的信息增多，開銷會增大。同時，干擾控制的性能還受限于交互時延，這也是目前比較難解決的一個問題。2.2 提高系統(tǒng)的帶寬

圖2　頻譜資源情況

頻譜資源是非常緊張的戰(zhàn)略資源，根據(jù)目前的頻譜情況，如圖2所示，提高系統(tǒng)帶寬有兩種思路：充分利用現(xiàn)有頻譜，提高現(xiàn)有頻譜的使用效率；使用更高的頻譜，研究其使用的可能性和方案。

2.2.1充分利用現(xiàn)有頻譜

學(xué)者通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)目前已經(jīng)獲得授權(quán)的無線頻譜資源使用率是非常低的，平均利用率為15%～85%，有些頻譜只在部分區(qū)域使用，有些頻譜只在部分時間使用，有些頻譜甚至已經(jīng)空閑未被使用。在頻譜資源如此寶貴的今天，如何更加合理的使用已經(jīng)授權(quán)的“頻譜空洞”成為了學(xué)者思考的問題，而這些已經(jīng)授權(quán)的頻譜所占用的頻譜資源多為低頻段，有非常好的傳播特性，而且產(chǎn)業(yè)成熟度高，設(shè)備實現(xiàn)容易，充分使用此類頻譜會帶來可觀的經(jīng)濟效益。沿著這個思路，目前有兩大技術(shù)成為了熱點：頻譜重耕和智能頻譜利用。

2.2.1.1頻譜重耕

頻譜重耕是指一些頻譜由于某些原因，可以被釋放出來，重新開發(fā)使用此類頻譜的技術(shù)。目前最主流的重耕頻譜為白頻譜和2G頻譜。

隨著數(shù)字化的發(fā)展，電視已經(jīng)全面的從模擬轉(zhuǎn)換成了數(shù)字，由于數(shù)字化使用的物理層技術(shù)效率更高，因此所需要的帶寬降低，部分頻譜空閑，這部分頻譜被稱為“數(shù)字紅利”或者“白頻譜”。此段頻譜集中在470～790 MHz，非常適合無線通信。

隨著新技術(shù)的發(fā)展演進，2G通信也逐漸成為了落后的技術(shù)，目前2G占用900 MHz和1 800 MHz的頻段，如果將用戶從2G遷移到4G或更新的通信制式上來，則2G頻譜可以被重耕。

頻譜重耕是非常簡單可靠的方案，但最大的難點在于政策風(fēng)險，因此此方案需要各方不斷的推進和共同的努力。

2.2.1.2智能頻譜利用（認(rèn)知無線電）

對于頻譜利用率低，但并不能完全釋放的頻譜，可以采取智能的頻譜使用方案，多個系統(tǒng)時分、空分等復(fù)用頻譜，而不是由一個系統(tǒng)獨占頻譜。對于后來加入的系統(tǒng)，需要具有智能頻譜識別功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)頻譜空閑時，啟動系統(tǒng)，當(dāng)預(yù)測到頻譜要被使用時，關(guān)閉系統(tǒng)，以保證原有系統(tǒng)的可靠工作。

認(rèn)知無線電技術(shù)最大的問題在于安全性和可靠性。后加入系統(tǒng)對原系統(tǒng)的監(jiān)測很可能失敗，會造成安全隱患，此外，監(jiān)測設(shè)備的復(fù)雜度也是需要考慮的一個問題。

2.2.2使用更高的頻譜

目前移動通信頻段主要集中在3 GHz以下，想要獲取更多更大帶寬的頻譜資源，需要開發(fā)更高的頻譜，目前學(xué)者研究的重點頻譜在6～15 GHz頻譜、60 GHz頻譜等。

2.2.2.16～15 GHz頻譜

6～15 GHz頻譜資源目前通常用于固定無線通信，分配情況如圖3所示。

圖3　6～15 GHz頻譜資源

從圖中可以看出，6～15 GHz的頻譜資源非常豐富。但此部分頻段的傳播特性較2 GHz要差不少，室內(nèi)站點的損耗情況如表2、3所示，在多阻擋場景下高頻段使用仍然受限。

表2　室內(nèi)站點穿墻損耗

表3　室內(nèi)站點跨層損耗　

因此，此頻段應(yīng)用時應(yīng)考慮充分與低頻段進行優(yōu)勢互補，一個提供容量和熱點，另一個提供基礎(chǔ)的覆蓋。

2.2.2.260 GHz頻譜

60 GHz主要用于軍方衛(wèi)星間保密通信，目前全球的可用資源共有4個頻段9 GHz，如圖4所示。

圖4　全球60 GHz頻段

相比于6～15 GHz， 60 GHz頻段的傳播特性更差，工作距離小于10 m，并且無法穿墻，還受天氣影響大。60 GHz的使用場景有限，技術(shù)問題和使用問題都需要進一步探討。

2.3增加站址密度

使用小站可以有效的提高系統(tǒng)的傳輸速率，進而提高系統(tǒng)容量，如圖5所示。

此外，未來容量需求更多發(fā)生在室內(nèi)場景，因此密集部署的立體分層網(wǎng)絡(luò)和各種靈活的組網(wǎng)形式將成為未來的趨勢。這里的主要技術(shù)包括異構(gòu)網(wǎng)和D2D通信。

2.3.1異構(gòu)網(wǎng)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均為相同無線傳輸制式、統(tǒng)一基站類型的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)則能提供相同的覆蓋、相似的服務(wù)。但是，隨著用戶的數(shù)量不斷增多，以及帶寬需求的增加，同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也會面臨瓶頸，不能滿足高容量和高覆蓋的要求。這就要求網(wǎng)絡(luò)向立體分層的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由不同類型、不同大小的小區(qū)構(gòu)成，其宏蜂窩覆蓋小區(qū)中可以放置如微蜂窩、皮蜂窩、飛蜂窩等低功率節(jié)點。此外，異構(gòu)網(wǎng)的傳輸制式和頻段使用也可以是差異化的。目前異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在現(xiàn)網(wǎng)中，也已經(jīng)出現(xiàn)了一些簡單的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署，實測效果比同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有了顯著的改善。

當(dāng)然，相對復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟泊嬖谝恍┤秉c。在網(wǎng)絡(luò)部署越來越密集的情況下，小區(qū)之間的干擾將會制約系統(tǒng)容量的增長。因此，如何進行干擾消除、如何快速發(fā)現(xiàn)小區(qū)、如何協(xié)調(diào)密集小區(qū)之間的協(xié)作、如何基于終端的不同能力提升移動性增強方案，都是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究需要解決的重點問題。

2.3.2D2D通信

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)通信雙方的信息交互需要經(jīng)過各自的基站設(shè)備，通過核心網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)互通。但是在海量用戶和海量的數(shù)據(jù)需求下，基站設(shè)備和核心網(wǎng)絡(luò)的壓力過大。為了降低網(wǎng)絡(luò)壓力，提出了D2D通信，通信雙方無需通過網(wǎng)絡(luò)，而是直接進行信息溝通，或者是通過中繼設(shè)備（包括其他用戶、小站等）進行信息溝通。

D2D通信距離短，信道條件較好，因此其速率快、時延短、功耗低。D2D通信的中繼設(shè)備非常的豐富，分布均勻，因此其覆蓋好，并且通信可選路徑多，網(wǎng)絡(luò)連接更靈活，網(wǎng)絡(luò)可靠性強。

圖5　使用小站可以有效的提高系統(tǒng)的傳輸速率

同樣的，D2D通信中仍存在一些需要業(yè)界繼續(xù)思考和探索的問題。需要考慮怎樣進行合法的監(jiān)聽，以確保信息安全。怎樣保證用戶的信息安全，隱私不被侵犯，并激勵用戶把自已的終端用作中繼終端。由于涉及到海量數(shù)據(jù)中繼和傳輸，用戶終端的電池電量消耗也勢必會增加，如何控制也是一個值得研究的問題。

3　總結(jié)

在移動互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)的浪潮下，人們對移動通信的需求激增，5G技術(shù)成為了目前的研究熱點。本文梳理了5G技術(shù)的脈絡(luò)，整理了各個脈絡(luò)的最新技術(shù)發(fā)展方向，并分析了技術(shù)的適用場景和使用時的注意點。5G技術(shù)還需要進一步的跟進，并需要引起更多人的思考和重視。

［1］ 閆麗生. 5G系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與進展［J］. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化， 2015（4）.

Brief introduction of 5G standard development and key technology

LV Bang-guo， YANG Jian， YU Tao
（Jilin Jlu Communication Design Institute Co.， Ltd.， Changchun 130012， China）

This paper briefl y introduces 5G standard global technology activities， current visions and needs. Then it discusses 5G's technology from three aspects: how to improve system's spectrum efficiency， how to increase the system band width， how to increase site density. For each aspect， the technology's development history， current alternative technologies， technologies' applicable scenarios and tips for implementation are elaborated.

5G standard； high frequency spectrum； heterogeneous network

TN929.5

A

1008-5599（2016）08-0039-05

2016-02-16