5G若干關(guān)鍵技術(shù)評(píng)述

張平，陶運(yùn)錚，張治

摘要：目的：第5代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（5G）目前得到了全球企業(yè)、研究院所和高校的廣泛關(guān)注和大量研究。詳細(xì)介紹和總結(jié)目前5G研究的發(fā)展歷程和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，分析基于虛擬化的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。從無(wú)線傳輸、無(wú)線接入、網(wǎng)絡(luò)3個(gè)角度，深入全面地介紹5G潛在的關(guān)鍵技術(shù)及最新進(jìn)展，包括大規(guī)模多天線、全雙工、信道建模與信道編碼、多址接入等，分析其中一些關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及未來(lái)可研究方向。最后，展望5G未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)及主要方向。方法：首先介紹分析基于虛擬化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；然后詳細(xì)介紹了目前5G關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，著重從無(wú)線傳輸技術(shù)、無(wú)線接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3個(gè)角度展開(kāi)，同時(shí)分析了這些技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)；最后，對(duì)未來(lái)5G標(biāo)準(zhǔn)化工作和重點(diǎn)任務(wù)做出展望。結(jié)果：（1）5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將是一個(gè)融合多類現(xiàn)有或未來(lái)的無(wú)線接入傳輸技術(shù)和功能的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。一方面通過(guò)引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離，另一方面，進(jìn)一步增強(qiáng)核心網(wǎng)和接入網(wǎng)的功能，更高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)差異化業(yè)務(wù)的按需編排。（2）無(wú)線傳輸技術(shù)中，大規(guī)模多天線技術(shù)是一種能夠同時(shí)大大提升系統(tǒng)容量和峰值速率、減少能量消耗和傳輸時(shí)延的潛在關(guān)鍵技術(shù)之一，不過(guò)目前仍面臨一系列系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)。信道建模技術(shù)隨著5G技術(shù)的研究呈現(xiàn)出了一些新特性：如空間連續(xù)性與移動(dòng)性，大規(guī)模多天線陣列的信道特性以及高頻段通信的信道特性等?；诮诘?GPP標(biāo)準(zhǔn)，5G信道編碼技術(shù)定為低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）和極化碼（Polar）。LDPC碼具有較高的編譯碼復(fù)雜度和較高的頻譜利用率，而 Polar碼則具有較低的編譯碼復(fù)雜度但頻譜利用率不如 LDPC碼，5G正好利用了這兩種編碼技術(shù)在不同碼長(zhǎng)時(shí)各自的優(yōu)勢(shì)；全雙工技術(shù)被認(rèn)為能夠理論上比傳統(tǒng)TDD或FDD模式提高1倍的頻譜效率，同時(shí)還能有效降低端到端的傳輸時(shí)延。不過(guò)目前的研究?jī)H僅只是起步階段，未來(lái)還需要更加全面地思考包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、物理層協(xié)議、與其他技術(shù)結(jié)合等挑戰(zhàn)。（3）無(wú)線接入技術(shù)中，對(duì)多個(gè)新型的多址接入技術(shù)如SCMA、NOMA、PDMA、MUSA等進(jìn)行了介紹和分析，這些技術(shù)都能理論上有效地提升系統(tǒng)容量，同時(shí)也各自存在一些問(wèn)題亟待解決。動(dòng)態(tài) TDD技術(shù)一般應(yīng)用于小覆蓋的小區(qū)中，未來(lái)超密集小小區(qū)組網(wǎng)將成為5G的基本組網(wǎng)方式，因此動(dòng)態(tài) TDD干擾消除是目前的研究熱點(diǎn)，解決方案主要有4種：小區(qū)分簇干擾緩解（CCIM）、eICIC/FeICIC、功率控制、利用MIMO技術(shù)等。（4）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，介紹了云接入架構(gòu)技術(shù)（C-RAN），C-RAN在理論上能夠顯著提升系統(tǒng)容量，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低端到端時(shí)延，集中式控制RRH及協(xié)作；D2D技術(shù)也是適應(yīng)未來(lái)5G場(chǎng)景需求的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠潛在減輕基站壓力，提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能，降低端到端時(shí)延及提高頻譜效率。結(jié)論：詳細(xì)介紹和總結(jié)了5G的發(fā)展歷程和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，分析了基于虛擬化的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。從無(wú)線傳輸、無(wú)線接入、網(wǎng)絡(luò)這3個(gè)角度，深入全面地介紹了5G潛在的關(guān)鍵技術(shù)及最新進(jìn)展，分析了一些關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及未來(lái)可研究方向。未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)將更加開(kāi)放、智能、靈活。為了滿足移動(dòng)通信的發(fā)展及需求，5G預(yù)計(jì)在2020年成為主要的移動(dòng)通信系統(tǒng)。相比現(xiàn)今廣為流行的4G移動(dòng)通信，5G在資源利用率、傳輸速率以及頻譜利用率等各方面都有明顯優(yōu)勢(shì)，而且在用戶體驗(yàn)、傳輸時(shí)延、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能等方面也會(huì)得到大幅度的提高?？傮w來(lái)說(shuō)，目前，5G的研究處于關(guān)鍵發(fā)展階段，各技術(shù)研究進(jìn)展迅速，而未來(lái)圍繞用戶需求、規(guī)模性、成本能耗等因素進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)評(píng)估等，仍有大量工作亟待完成。

來(lái)源出版物：通信學(xué)報(bào), 2016, 37(7): 15-29

入選年份：2016