前言

　　隨著4GLTE進入規(guī)模商用，面向未來的第五代移動通信技術（5G）已成為全球通信界的重點課題，5G的研發(fā)也在世界范圍內(nèi)如火如荼地展開。2014年5月底，“IMT-2020(5G)峰會”上，第一份5G白皮書——《5G愿景與需求白皮書》也已經(jīng)亮相，預示著未來5到10年，5G將成為整個行業(yè)最熱門的話題。

　　5G的展望

　　讓我們一起想像，5G會帶給我們什么樣的場景？未來的世界，就像一部科幻片一樣，高清視頻、醫(yī)療、教育、智能家居、購物、導航等等都可通過各種移動終端輕松實現(xiàn)；房子、車子、各種消費品，都能夠聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)字化生存，展望未來的生活，5G能實現(xiàn)千億個海量鏈接，幾乎所有的消費品、工業(yè)品、物流等都可以連在網(wǎng)上，實現(xiàn)萬物互聯(lián)互通，5G的應用將開啟物聯(lián)網(wǎng)的新時代。對于普通用戶來說，一部手機就可以幫你完成所有事情。無處不在的網(wǎng)絡，讓我們的生活變得輕松自在，可經(jīng)通過手機經(jīng)常“泡”在網(wǎng)上，可以隨時訂購誘人的美食，挑選款式新穎的服裝，觀看最新的電影，而5G技術就會帶來革命性的突破，讓人們體驗到更真實的虛擬世界。5G還會打開用戶嶄新的體驗，如視覺通信可能會成為主流應用，人們可以實現(xiàn)跨越遠距離的即時視頻互動，帶來身臨其境的信息盛宴。

　　對大多數(shù)用戶而言，5G技術最直觀的特性在于速率是4G的100倍，可以達到幾個Gbps,用5G手機上網(wǎng)的速率與目前家庭光纖接入速率類似。5G技術將提供超級容量的帶寬，短距離傳輸速率達10Gbps，這意味著用戶幾乎不受限制地傳輸大量數(shù)據(jù)文件，瞬間下載一部電影，在線視頻、3D電影和游戲等高帶寬的應用也暢通無阻。當用戶以任何方式接入移動網(wǎng)絡、讀取任何數(shù)據(jù)時都不需要網(wǎng)絡的等待，用戶感受的不僅僅是速度，而是高質(zhì)量的業(yè)務體驗，可以實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的愿景。到5G規(guī)模應用的時候，整個世界越來越成為一個‘地球村’，物理上的距離將被信息高速公路大大縮小。

　　業(yè)界人士認為，5G技術會大大地刺激互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也將極大帶動經(jīng)濟發(fā)展。萬物互聯(lián)的背景下，加上高速率的保證，移動信息消費潛力巨大。2020年前后，5G技術或將可以實現(xiàn)商用應用。

　　5G原理和關鍵技術

　　5G需要具備比4G更高效，其頻譜效率、能效和成本效率將會大幅改善，從而保證5G的可持續(xù)發(fā)展。5G技術支持0.1～1Gbps的用戶體驗速率，每平方公里一百萬的連接數(shù)密度，毫秒級的端到端時延，每平方公里幾十Tbps的流量密度，每小時500Km以上的移動性和數(shù)十Gbps的峰值速率。同時，5G還需要大幅提高網(wǎng)絡部署和運營的效率，相比4G，頻譜效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。

　　5G的關鍵能力，猶如一株綻放的鮮花，其性能需求和效率需求共同定義了5G的關鍵能力，猶如一株綻放的鮮花，紅花綠葉，相輔相成?；ò甏砹?G的六大性能指標，體現(xiàn)了5G滿足未來多樣化業(yè)務與場景需求的能力，其中花瓣頂點代表了相應指標的最大值；綠葉代表了三個效率指標，是實現(xiàn)5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障。

　　在關鍵技術方面，高頻段通信，非正交傳輸、多天線陣列、超密集組網(wǎng)、C-RAN架構、軟件定義網(wǎng)絡（SDN）、網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡（CDN）等均被認為是5G的潛在關鍵技術。先介紹一下主要的關鍵技術：

　　1．高頻段通信

　　移動網(wǎng)絡通常的工作頻段主要集中在3GHz以下，這使得頻譜資源十分有限，而在高頻段（如毫米波、厘米波頻段）可用頻譜資源豐富。高頻段在移動通信中的應用是未來的發(fā)展趨勢，它能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實現(xiàn)極高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求。足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設備、較高的天線增益是高頻段毫米波移動通信的主要優(yōu)點，但也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點。射頻器件、系統(tǒng)設計等方面的問題也有待進一步研究和解決。

　　目前已經(jīng)有研發(fā)機構利用一種毫米波的技術進行測試，采用64個天線組，克服高頻段不利傳播難題，在兩公里多距離內(nèi)，每秒鐘傳輸超過千兆字節(jié)數(shù)據(jù)。

　　2．多天線陣列

　　多天線技術經(jīng)歷了從無源到有源，從2D二維到3D三維，從高階MIMO到大規(guī)模陣列的發(fā)展，將有望實現(xiàn)頻譜效率提升數(shù)十倍甚至更高，是目前5G技術重要的研究方向之一。由于引入了有源天線陣列，基站側可支持的協(xié)作天線數(shù)量將達到128根。此外，原來的2D天線陣列拓展成為3D天線陣列，形成新穎的3D-MIMO技術，支持多用戶波束智能賦型，減少用戶間干擾，結合高頻段毫米波技術，將進一步改善無線信號覆蓋性能。

　　目前研究人員正在針對大規(guī)模天線信道測量與建模、陣列設計與校準、導頻信道、碼本及反饋機制等問題進行研究，未來將支持更多的用戶空分多址（SDMA），顯著降低發(fā)射功率，實現(xiàn)綠色節(jié)能，提升覆蓋能力。

　　3．D2D終端間直傳

　　傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式是以基站為中心實現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中繼站無法移動，其網(wǎng)絡結構在靈活度上有一定的限制。隨著無線多媒體業(yè)務不斷增多，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務提供方式已無法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務需求。

　　D2D技術無需借助基站的幫助就能夠實現(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展網(wǎng)絡連接和接入方式。由于短距離直接通信，信道質(zhì)量高，D2D能夠實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時延和較低的功耗；通過廣泛分布的終端，能夠改善覆蓋，實現(xiàn)頻譜資源的高效利用；支持更靈活的網(wǎng)絡架構和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡可靠性。目前，D2D采用廣播、組播和單播技術方案，未來將發(fā)展其增強技術，包括基于D2D的中繼技術、多天線技術和聯(lián)合編碼技術等。

　　4.同時同頻全雙工

　　最近幾年，同時同頻全雙工技術吸引了業(yè)界的注意力。利用該技術，在相同的頻譜上，通信的收發(fā)雙方同時發(fā)射和接收信號，與傳統(tǒng)的TDD和FDD雙工方式相比，從理論上可使空口頻譜效率提高1倍。

　　全雙工技術能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制，使得頻譜資源的使用更加靈活。然而，全雙工技術需要具備極高的干擾消除能力，這對干擾消除技術提出了極大的挑戰(zhàn)，同時還存在相鄰小區(qū)同頻干擾問題。在多天線及組網(wǎng)場景下，全雙工技術的應用難度更大。

　　5.新型網(wǎng)絡架構

　　目前，LTE接入網(wǎng)采用網(wǎng)絡扁平化架構，減小了系統(tǒng)時延，降低了建網(wǎng)成本和維護成本。未來5G可能采用C-RAN接入網(wǎng)架構。C-RAN通過結合集中化的基帶處理、高速的光傳輸網(wǎng)絡和分布式的遠端無線模塊，形成綠色清潔、集中化處理、協(xié)作化無線電、云計算化的無線接入網(wǎng)構架。C-RAN的基本思想是通過充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡，直接在遠端天線和集中化的中心節(jié)點間傳送無線信號，以構建覆蓋上百個基站服務區(qū)域，甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng)。C-RAN架構適于采用協(xié)同技術，能夠減小干擾，降低功耗，提升頻譜效率，同時便于實現(xiàn)動態(tài)使用的智能化組網(wǎng)，集中處理有利于降低成本，便于維護，減少運營支出。目前的研究內(nèi)容包括C-RAN的架構和功能，如集中控制、基帶池RRU接口定義、基于C-RAN的更緊密協(xié)作，如基站簇、虛擬小區(qū)等。

　　6．超密集組網(wǎng)

　　在未來的5G通信中，無線通信網(wǎng)絡正朝著網(wǎng)絡多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向演進。隨著各種智能終端的普及，數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)井噴式的增長。未來數(shù)據(jù)業(yè)務將主要分布在室內(nèi)和熱點地區(qū)，這使得超密集網(wǎng)絡成為實現(xiàn)未來5G的1000倍流量需求的主要手段之一。超密集網(wǎng)絡能夠改善網(wǎng)絡覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并且對業(yè)務進行分流，具有更靈活的網(wǎng)絡部署和更高效的頻率復用。未來，面向高頻段大帶寬，將采用更加密集的網(wǎng)絡方案，部署小小區(qū)/扇區(qū)將高達100個以上。

　　與此同時，愈發(fā)密集的網(wǎng)絡部署也使得網(wǎng)絡拓撲更加復雜，小區(qū)間干擾已經(jīng)成為制約系統(tǒng)容量增長的主要因素，極大地降低了網(wǎng)絡能效。干擾消除、小區(qū)快速發(fā)現(xiàn)、密集小區(qū)間協(xié)作、基于終端能力提升的移動性增強方案等，都是目前密集網(wǎng)絡方面的研究熱點。

　　5G進展分享

　　近2年，IMT-2020(5G)推進組一如既往地與全球5G相關組織、運營商，設備廠商、高校和科研機構一道，共同推動5G的發(fā)展。歐盟METIS、韓國5G論壇、日本ARIB等組織參與過5G技術討論。

　　2013年5月28日，IMT-2020(5G)峰會在北京召開，會議主題為“5G愿景展望”，各單位代表圍繞5G目標、能力及關鍵技術等問題進行了深入交流。5G研究組織的代表介紹了各自在5G愿景、需求、目標、能力、關鍵技術、標準化和頻譜等方面的研究進展及觀點。峰會對全球業(yè)界在5G目標、能力及關鍵技術等方面達成共識起到了重要的推動作用。

　　上海貝爾的技術專家也參加了峰會，并介紹了對5G目標、關鍵能力和潛在技術的理解，以及在5G無線傳輸及網(wǎng)絡技術上的最新研發(fā)成果。其中，2010年貝爾實驗室提出了大規(guī)模MIMO陣列天線技術，包括3D-MIMO，可使能量效率提升10倍，很可能成為5G網(wǎng)絡最具革命性的技術之一。阿爾卡特朗訊/上海貝爾已經(jīng)開始了5G戰(zhàn)略布局,以搶占5G產(chǎn)業(yè)先機,目前已有上百人投入到5G標準討論和測試研發(fā)工作，保持在通信基礎研究領域的世界第一梯隊。

　　5G之所以強大而獨特，是因為它更注重于改善終端用戶體驗而不單單聚焦在空口速率上。在今年6月中旬的亞洲通信展上，上海貝爾將帶您感受貝爾實驗室創(chuàng)新之道，打破覆蓋、容量和成本的制約，一起加速5G技術的創(chuàng)新。