第五代移動通信（5G）關(guān)鍵技術(shù)之空口技術(shù)綜述

丁麗萍 杜文俊

摘 要： 隨著全球范圍內(nèi)第五代移動通信（5G）的逐步發(fā)展，5G的各種應(yīng)用場景和關(guān)鍵能力使得現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)面臨的問題日益凸顯，而空口技術(shù)為通信網(wǎng)絡(luò)帶來體制性變革的技術(shù)可行性的同時也提供了全新的運營觀念和模式。

1概述

1.1 第5代移動通信基本要求

從目前來看，移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）將成為未來移動通信發(fā)展的主要驅(qū)動力，并給移動通信帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)。5G將滿足人們在生活、工作和交通等各種區(qū)域的多樣化業(yè)務(wù)需求，與此同時，5G還將滲透到物聯(lián)網(wǎng)及各種行業(yè)領(lǐng)域，與工業(yè)設(shè)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(wù)需求，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。為此，各界達成共識的5G基本要求如下：1）傳輸速率要求：a. 10Gbit/s峰值速率；b. 10-100Mbit/s的用戶體驗速率。2）連接與流量器件數(shù)：a. 100倍的連接器件數(shù)；b. 1000倍的流量增長。3）時延和可靠性要求：a. 用戶面和控制面時延相對4G縮短為1/5-1/10；b. 更高的安全可靠性。4）能耗和成本要求：a. 網(wǎng)絡(luò)綜合能效提升1000倍；b. 綜合成本持續(xù)下降。

1.2 全球5G研發(fā)推進概況

目前，世界上主要標準化組織、國家和公司都在大力研發(fā)和發(fā)展5G技術(shù)、標準與試驗系統(tǒng)。我國5G技術(shù)研發(fā)試驗在政府的領(lǐng)導(dǎo)下，依托國家科技重大專項，由IMT-2020（5G）推進組負責(zé)實施。在5G即將進入國際標準研究的關(guān)鍵時期，我國啟動5G研發(fā)技術(shù)試驗，搭建開放的研發(fā)試驗平臺，將有力推動全球5G統(tǒng)一標準的形成，促進5G技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為我國2020年啟動5G商用奠定良好基礎(chǔ)。歐洲在5G研發(fā)方面與日本、中國、美國等地區(qū)的相關(guān)組織簽訂了相關(guān)協(xié)議，目標是形成全球統(tǒng)一的標準和協(xié)調(diào)全球的頻率，這一工作將使全球的互操作最大化、經(jīng)濟規(guī)模最大化；據(jù)估計歐盟的5G網(wǎng)絡(luò)將在2020年～2025年之間投入運營。美國方面，由美國通信運營商和移動通信設(shè)備制造商組成的業(yè)內(nèi)團體-4G Americas于2016年2月12日宣布更名為“5G Americas”。開展的活動包括支持向5G演進的第三代合作伙伴計劃，在美洲開展LTE通信及5G推廣活動。日本成立5G移動推進論壇（5GMF）、韓國成立5G論壇來推動5G的研究。

1.3 5G空口技術(shù)框架

5G空中接口技術(shù)框架應(yīng)當具有統(tǒng)一、靈活、可配置的技術(shù)特性。面對不同場景差異化的性能需求，客觀上需要專門設(shè)計優(yōu)化的技術(shù)方案。然而，從標準和產(chǎn)業(yè)化角度考慮，結(jié)合5G新空口和4G演進兩條技術(shù)線路的特點，5G應(yīng)盡可能基于統(tǒng)一的技術(shù)框架進行設(shè)計。針對不同場景的技術(shù)需求，通過關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)的靈活配置形成相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)方案。

根據(jù)移動通信系統(tǒng)的功能模塊劃分，5G空中接口技術(shù)框架包括幀結(jié)構(gòu)、雙工、波形、多址、調(diào)制編碼、天線、協(xié)議等基礎(chǔ)技術(shù)模塊，通過最大可能地整合共性技術(shù)內(nèi)容，從而達到“靈活但不復(fù)雜”的目的，各模塊之間可相互銜接，協(xié)同工作。根據(jù)不同場景的技術(shù)需求，對各技術(shù)模塊進行優(yōu)化配置，形成相應(yīng)的空中接口技術(shù)方案。

5G空中接口技術(shù)框架可針對具體場景、性能需求、可用頻段、設(shè)備能力和成本等情況，按需選取最優(yōu)化技術(shù)組合并優(yōu)化參數(shù)配置，形成相應(yīng)的空中接口技術(shù)方案，實現(xiàn)對場景及業(yè)務(wù)的“量體裁衣”，并能夠有效應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的新場景和新業(yè)務(wù)需求，從而實現(xiàn)“前向兼容”。

25G專利情況分析

2.1國內(nèi)外申請量

在空口多址技術(shù)中，非正交多址接入技術(shù)NOMA的申請量最大，NOMA雖然在某些方面依然采用了4G的技術(shù)，如NOMA的子信道傳輸依然采用OFDM技術(shù)。但同時也引入了一些新的技術(shù)，如：SIC技術(shù)，功率域復(fù)用技術(shù)，并且提高了系統(tǒng)的魯棒性。這些技術(shù)都使得NOMA在保證移動業(yè)務(wù)速率的前提下，極大的提高了頻譜的利用率。

在多載波技術(shù)中，濾波器組多載波技術(shù)FBMC的申請量最大，作為通用濾波OFDM的UFMC技術(shù)和廣義頻分復(fù)用傳輸GFDM技術(shù)的申請量都不是很大。FBMC在1960s被首次研究，使用濾波器組對多載波信號進行綜合和分析。盡管FBMC的技術(shù)復(fù)雜度高于OFDM，但隨著人們對高可靠、高速度通信需求的增加，以及頻譜資源受限和傳輸環(huán)境復(fù)雜等通信瓶頸問題日益凸顯，以及信號處理和電子設(shè)備的顯著進步，F(xiàn)BMC再次引起了研究者們的關(guān)注。

2.2重點申請人

關(guān)于空口多址技術(shù)中，NTT DOCOMO公司的申請量最多，因為非正交多址接入（NOMA）技術(shù)在2014年9月由日本著名通信營研發(fā)商NTT DOCOMO正式提出，因此，該公司的申請量大是很正常的。關(guān)于多載波技術(shù)，華為公司獨樹一幟，申請量最大。作為在中國的通信領(lǐng)域發(fā)展最快的廠家，華為公司也在新型多址多載波技術(shù)領(lǐng)域做出了極大的貢獻。對于在5G面向2020年以后移動通信需求和發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)中，對多址多載波傳輸技術(shù)提出了更加苛刻的要求。

3結(jié)語

通過對多址多載波技術(shù)的專利申請情況的反響，從總體的專利申請情況來看，中國申請量不論是在多址技術(shù)還是多載波技術(shù)中都是遙遙領(lǐng)先，結(jié)合重點申請人的分布可以看出，華為公司在5G系統(tǒng)中的空口技術(shù)中的研究仍然處于前沿位置。提高多址接入效率的多址技術(shù)受到香農(nóng)定理的限制，所以5G提高多址接入效率或提高萬物接入的高多址接入率，不僅可以多址接入技術(shù)，還可以考慮更高的頻譜、更大的傳輸帶寬等條件。

最后，通過本文的分析，可知多址多載波技術(shù)作為5G通信系統(tǒng)中最基礎(chǔ)也最核心的技術(shù)，使用何種特點的技術(shù)，是本領(lǐng)域的通信運營商所要考慮和決定的事情。要滿足5G通信系統(tǒng)中傳輸速率要求、連接與流量器件數(shù)、時延和可靠性要求以及能耗和成本要求，則需要結(jié)合多址多載波技術(shù)的各自的特點來考量和決定。

參考文獻

[1] IMT-2020， 5G概念白皮書，2015年12月.

[2] IMT-2020， 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書，2015年5月.

[3] 謝顯中，第5代移動通信基本要求與新型多址復(fù)用技術(shù)，自然科學(xué)報，2015年8月.