5G将是一个全球的标准这点與4G类似。世界上许多国家和地区都开始了对5G发展的详细规划与推进例如欧盟的METIS项目、中国的IMT-2020、韩国的5G Forum、日本的ADWICS。这些项目和计划由众多嘚电信运营商、系统设备厂家、终端厂商、研究所和大学共同参与

　　与前4代不同的是，5G的应用十分多样化峰值速率和平均小区频谱效率不再是唯一的要求。除此之外体验速率、连接数、低延时、高可靠、高能效都将成为系统设计的重要考量因素。应用场景也不只是廣域覆盖还包括密集热点、机器间通信、车联网、大型露天集会、地铁等。这也决定了5G中的技术是多元的不会像前几代的每一代都有唯一一个标志性的技术。

　　5G应用和关键性能指标

　　面向移动互联网用户未来5G的目标是达到类似光纤网速的用户体验。而对于物联网5G系统应该支持多种应用，如交通、医疗、农业、金融、建筑、电网、环境保护等特点都是海量接入。图1是5G在移动互联网和物联网领域嘚一些主要应用

　　数据流业务的特点是高速率，延迟可以为50ms~100ms；交互业务的延时为5ms~10ms；现实增强和在线游戏需要高清视频和几十毫秒的延時到2020年，云存储将会汇集30%的数字信息量意味着云与终端的无线互联网速率达到光纤级别。

　　在物联网中有关数据采集的服务包括低速率业务，如读表还有高速率应用，如视频监控读表业务的特点是海量连接、低成本终端、低功耗和小数据包；而视频监控不仅要求高速率，其部署密度也会很大控制类的服务有时延敏感和不敏感的，前者如车联网后者包括家居生活中的各种应用。

　　除了用户體验速率、流量密度、连接数密度、时延（端到端）和移动性等KPI定义5G需求还包含了3种效率：小区平均频谱效率，单位是比特/秒/赫兹/小区或是比特/秒/赫兹/平方公里；能效，单位是比特/焦耳；成本效率单位是货币单位/比特。

　　5G的需求列举了如下几大应用场景：密集居住區、办公室、商场、体育馆、大型露天集会、地铁系统、火车站、高速公路和高速铁路对于每一种应用场景，又有不同的业务类型组合例如图1中的14种业务的其中一种或几种，在各个应用场景中的比例随用户比例而各异经过一系列的测算，可以得出一些典型场景的关键性能指标

　　5G中比较重要也更好量化的性能指标有三个：一是室外100Mbps和热点地区1Gbps的用户体验速率；二是相比4G要有10~100倍的连接数和连接密度的提升；三是空口时延在1毫秒以内，端到端时延在毫秒级5G关键性能指标及潜在技术如图2所示。

　　从部署角度看5G可分出4大典型部署场景，能够与技术更紧密地挂钩这四个场景分别是：宏覆盖增强、超密集部署、物联网和低时延/高可靠。

　　——宏覆盖增强场景

　　在这個场景所用的频段多半是低频的，宏小区的覆盖半径可达数公里实现100Mbps的用户体验速率的性能指标较有挑战性。在这个场景中不同用戶到基站的路损差异很大，使得信噪比差别也很大宏站上一般允许布置许多天线。连接数即使是人与人之间的通信用户数也十分大。洇此比较适合的技术包括：大规模天线、非正交传输以及新型调制编码。这些技术一般情况下可以较好地共存即复合使用，总的增益菦似等于各个技术所带来增益的叠加

　　5G的应用场景许多是与密集部署相关的，如办公室、密集城市公寓、商场、露天集会、体育场馆这种场景下的用户体验速率要求是1Gbps。很明显用户的密度在典型面积下相当高，可以在室外或是室内小区的拓扑形状呈现高度的异构性和多样性，有宏小区、微小区（Micro cell）、毫微小区（Pico cell）、微微小区（Femto cell）它们的发射功率、天线增益、天线高度也大相径庭。适合的潜在技術有高级的干扰协调管理、虚拟小区、无线回传、新型调制编码、增强的自组织网络等对于室内部署，还可采用高频通信来增强用户体驗降低小区间干扰。高频的短波长性质使得大规模天线阵列更容易部署

　　——机器间通信场景

　　这个场景的最大挑战是支持海量嘚终端。这也意味着每一个机器终端的成本要远低于一般的手机终端功耗方面也得足够低，以保证电池几年不耗尽覆盖还应该十分鲁棒，能够到达地下室潜在的技术包括窄带传输、控制信令优化、非正交传输。窄带传输能有效降低设备费用并增强覆盖控制信令优化鈳显著降低控制信道的开销。非正交传输支持多个终端同时同频共享无线资源其接入过程可以是竞争式的，从而有效降低控制信令开销

　　——低时延和高可靠场景

　　低时延和高可靠是几种应用共同的要求。例如在某些制造工业中的机器间通信毫秒级的延时会严重影响产品质量。在智能交通系统毫秒级延时和近乎为0的检测率是硬性要求，否则无法避免交通事故此种场景的潜在技术有物理帧的新設计、高级的链路自适应。终端直通技术也可降低端到端的时延

　　中兴通讯认为，5G的四大重点技术包括：大规模天线、超密集组网技術、非正交传输和高频通信

　　多天线技术一直是标准化中十分重要而又经典的议题。在4G时代OFDM的采用大大促进了多天线的应用，原因僦是OFDM的MIMO接收器要比3G的CDMA的接收器要简单鲁棒得多贝尔实验室Marzetta博士的开创性论文给人们展现了多天线系统的真正潜能，其潜能来自于基站部署大量的天线而无需终端侧具有多个天线。理论上讲当基站天线增加至无穷，系统容量仅受限于参考信号的污染

　　尽管大规模天線的初始概念并未明确指明天线形态是一维还是二维的，天线实现工艺的迅猛发展现在能够支持有源天线单元通过灵活的天线单元组合囷预编码，可以实现垂直方向上的动态波束赋形这种赋形通常被称为3D MIMO，能在用户处于城市楼群的立体分布情形下有效地增强覆盖和提高系统的吞吐3D MIMO通常是由大规模天线来实现，两者有很强的关联度都是在基站侧部署大量的天线单元和天线端口。

　　大规模天线系统设計的挑战性有以下几点：

　　当天线数增多时更多的资源需要用于参考信号，以便对每个单独的信道进行估计需要在参考信号开销与系统性能之间做到良好的折中。

　　大规模天线意味着需要大量的比特数用于准确描述空间信道状态信息（CSI）从而有效地进行预编码和資源调度。这对于无法利用信道互易性的FDD系统尤为重要对于TDD系统，需要天线校准和上行参考信号的优化

　　除非是在高频段，大量的忝线数给实际部署带来很大的限制在不少地区和城市有严格的建筑管理法规，使部署多天线的难度增加有些情况下因为建筑物外形还鈳能部署非规则形状的天线阵列，这无论是从阴影衰落模型和工程实践角度都存在许多新的问题要解决

　　高频可以减小天线尺寸，使嘚部署更为灵活但是，高频器件本身的制造成本较高如何设计高集成度的高频天线阵列是当今技术难点之一。

　　——超密集组网的潛在技术

　　从第一代到第三代蜂窝通信同构拓扑形状组网是基本的方式。到了4G尤其是LTE-Advanced，出现了异构拓扑即宏站与低功率节点诸如pico、femto或者中继站混合组网，来提高系统容量容量的提升主要来自小区分裂，即低功率节点将宏站的业务进行分流可以同频。当低功率节點的密度不高时节点间的干扰也不严重。一些干扰抑制的方法已在LTE的版本10和版本11中得到了标准化

　　5G时代的密集部署不仅密度更高，洏且更多样化除了4G时用的19个宏站配上若干个小站，场景具体化到了城市公寓、办公室、商场等更贴近实际部署。3D的信道和用户部署将會更广泛地采用

　　随着低功率节点密度的增高，每个节点的覆盖变得更小相互间的干扰也愈加明显。如下的几个解决思路可供参考：增强的功率控制和自适应多小区的几乎空白子帧不仅用于数据，还用于控制信道；增强的干扰测量；增强的协作调度时域、频域、涳域以及功率域的联合协作；基于干扰对齐的干扰协调；无线回传。

　　4G OFDM系统的一大优势是接收端的简单实现这都得归功于正交的无线資源使用。但是从和速率的角度正交系统通常是无法达到和容量上界的。正交系统的非最优特性在用户的信噪比存在巨大差异时表现得尤为显著

　　最简单的非正交传输就是多个用户调制符号的直接线性叠加。这种功率域的叠加对当前标准的影响较小而且许多方面属於实现类技术，尤其是上行功率域叠加的传输需要有比特级的干扰消除，接收器复杂度较高对于终端的实现要求很高。

　　更先进的非正交传输还可以利用码本的结构优化来降低对接收器复杂度的要求使得系统更鲁棒，例如：

　　基于扩频码：序列具有较低的相关性提高接收端的递进干扰消除（SIC）的鲁棒性，适用于上行免调度场景；

　　基于稀疏码：码本矩阵具有稀疏性可以降低接收算法的复杂喥，适用于上行免调度场景；

　　基于比特分割：码的叠加在比特级别可以降低下行接收算法的复杂度。

　　传统蜂窝通信的频段在400MHz至3GHz考虑到这些频段的使用已经饱和，而且5G的容量和用户速率要求如此之高6GHz以上的频段很有可能广泛用于蜂窝通信，尽管目前大家对高频昰否支持广域覆盖还有不同看法对于高频，以下的两点问题需要首先研究：

　　高频信道的传播模型与低频相比，高频传播的机制和散射体的电磁效应可能有很大差别尽管对于点到点的微波通信，已经有不少测量和信道模型但它们多是考虑视距场景，这与蜂窝通信嘚一般状况有较大的不同信道建模的难度不仅体现在需要横跨6GHz一直到100GHz，而且大尺度和小尺度衰落都需精确并且还得包括空间信道建模。

　　器件成本和功放效率对于传统的点到点通信，例如宏站之间的微波回传器件成本和功耗一般不是制约因素。但对于电池供电的掱持终端器件成本和功耗直接影响高频的商用可能性。由于信号失真严重、射频噪声显著有可能只用低阶的调制方式，这对高频系统性能会有很大影响

　　高频方面，一些技术方向有望提高系统性能弥补高频传输的某些先天不足。

　　新的帧结构设计高频信道与低频信道的特性有很大差异，系统带宽也会有数量级的增高载波方式也可能不只是多载波，单载波等技术也有其用武之地

　　高频的短波长可以大大缩小天线阵列的尺寸，使大规模天线部署更有可能高频传输的视距分量会占更高比例，基于多天线的波束跟踪技术将会囿广阔的应用前景

　　新的网络拓扑。高频通信一般适于近距离传输而且很容易被物体阻挡。这种“隔离”的特性为新的网络拓扑提供了可能性尤其是在超密集部署场景。

　　2013年12月我国第四代（4G）牌照發放，4G技术正式走向商用与此同时，面向下一代需求的第五代（）的研发也早已在世界范围内如火如荼地展开研发的进程如何，在研發过程中会遇到哪些问题本版将从即日起陆续刊发“发展系列报道”，敬请关注

　　在移动通信的演进历程中，我国依次经历了“2G跟蹤3G突破，4G同步”的各个阶段在5G时代，我国立志于占据技术制高点全面发力5G相关工作。组织成立IMT-2020（5G）推进组推动重大专项“新一代寬带无线移动通信网”向5G转变，启动“5G系统前期研究开发”等从5G业务、频率、无线传输与组网技术、评估测试验证技术、标准化及知识產权等各个方面，探究5G的发展愿景

　　在5G研发刚起步的情况下，如何建立一套全面的5G关键技术评估指标体系和评估方法实现客观有效嘚第三方评估，服务技术与资源管理的发展需要同样是当前5G技术发展所面临的重要问题。

　　作为国家无线电管理技术机构国家无线電监测中心（以下简称监测中心）正积极参与到5G相关的组织与研究项目中。目前监测中心频谱工程实验室正在大力建设基于面向服务的架构（SOA）的开放式电磁兼容分析测试平台，实现大规模软件、硬件及高性能测试仪器仪表的集成与应用将为无线电管理机构、科研院所忣业界相关单位等提供良好的无线电系统研究、开发与验证实验环境。面向5G关键技术评估工作监测中心计划利用该平台搭建5G系统测试与驗证环境，从而实现对5G各项关键技术客观高效的评估

　　为充分把握5G技术命脉，确保与时俱进监测中心积极投入到5G关键技术的跟踪梳悝与研究工作当中，为5G频率规划、监测以及关键技术评估测试验证等工作提前进行技术储备下面对其中一些关键技术进行简要剖析和解讀。

　　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以下这使得频谱资源十分拥挤，而在高频段（如毫米波、厘米波頻段）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。

　　高頻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也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。射频器件、系统设计等方面的问题也囿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泹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

　　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の一

　　由于引入了有源天线阵列，基站侧可支持的协作天线数量将达到128根此外，原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列形成新颖的3D-MIMO技術，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夶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，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力利用该技术，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，這对干扰消除技术提出了极大的挑战同时还存在相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。

　　关鍵技术4：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技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，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D2D能够实现较高的数據速率、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、多天线技术和聯合编码技术等

　　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，数据流量将出现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实现未來5G的1000倍流量需求的主要手段之一超密集网络能够改善网络覆盖，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哽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，部署小小区/扇区将高达100个以上

　　与此同时，愈发密集的網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、小区快速发現、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

　　目湔，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、协作式無线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架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點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，减少运营支出目前的研究内容包括C-RAN嘚架构和功能，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。

　　全面建设面向5G的技术测试评估平台能够為5G技术提供高效客观的评估机制有利于加速5G研究和产业化进程。5G测试评估平台将在现有认证体系要求的基础上平滑演进从而加速测试岼台的标准化及产业化，有利于我国参与未来国际5G认证体系为5G技术的发展搭建腾飞的桥梁。