在全球业界的大力推动下,第五代移动通信(5G)技术快速发展,当前已进入到概念形成和标准制定工作即将启动的关键阶段。为推动全球5G概念的形 成,我国IMT-2020(5G)推进组对5G主要场景、技术需求和关键技术等进行了深入研究,并从中提炼了5G概念和技术路线。在标准化方面,国际电信 联盟(ITU)即将完成5G标准前期研究,并明确提出了IMT-2020标准工作计划,国际主流移动通信标准组织3GPP近期也启动了5G相关议题讨论。

 

5G面临四大场景技术挑战

面向2020年及未来,移动互联网和物联网将成为5G发展的主要驱动力。5G将满足人们在居住、工作、休闲和交通等各种场景的多样化业务需求。从对移 动互联网和物联网的需求出发,可提炼出 5G的四个主要技术场景:连续广域覆盖场景、热点高容量场景、低功耗大连接场景和低时延高可靠场景。其中,前两种场景主要面向移动互联网应用,后两种场景 主要面向物联网及垂直行业应用。

 

5G面临四大场景的多样化技术挑战。连续广域覆盖场景采用移动通信最基本的覆盖方式,需要随时随地为用户提供100Mbps以上的用户体验速率;热点 高容量场景面向局部热点区域,需要满足用户极高的数据传输速率和区域范围内极高的数据流量需求,主要挑战包括1Gbps用户体验速率、数十Gbps峰值速 率和数十Tbps/平方公里流量密度;低功耗大连接场景主要面向海量的低功耗物联网应用,不仅要求5G网络具备超千亿设备的总连接能力和100万/平方公 里的连接数密度要求,还需保证终端的超低功耗和超低成本;低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的苛刻要求,需要实现毫秒级端到端时延和接 近100%的可靠性。

 

5G创新源自无线和网络两方面

与以往几代移动通信技术不同,5G技术创新的来源将会更加丰富,不仅无线技术会出现重大创新,而且网络技术也会出现重大变革。

 

在无线技术方面,5G将采用大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入四大核心关键技术。大规模天线阵列通过增加天线数可支持数十个独立的空 间数据流,能够数倍提升系统频谱效率和容量。超密集组网通过增加基站密度,可实现频率复用效率的巨大提升。新型多址通过发送信号在码域/空域/时域/频域 的叠加传输,可实现多场景下系统频谱效率和接入能力的显着提升,并可通过免调度传输降低信令开销、时延和终端功耗,潜在技术方案包括SCMA、MUSA、 PDMA和NOMA等。全频谱接入能够有效利用各种移动通信频谱来提升传输速率。其中,6GHz以下频段传播特性较好,可作为5G优选频段;6GHz以上 频段可作为后续补充频段。此外,FBMC、F-OFDM、全双工、灵活双工、D2D、多元LDPC码、网络编码、极化码等也被认为是潜在的5G无线关键技术。

 

面对多样化的5G场景,需采用合适的无线技术以满足相应需求。

——在连续广域覆盖场景,大规模天线阵列能够大幅提升系统频谱效率,提升用户体验速率,是连续广域覆盖场景最主要的使能技术之一,新型多址技术可与大规模天线阵列相结合,进一步提升频谱效率和多用户接入能力。

 

——在热点高容量场景,超密集组网能够极大提升单位面积内的频率复用效率,并能够与大规模天线阵列和新型多址相结合,进一步提升系统频谱效率,全频谱接入能够充分利用低频和高频资源,实现更高的传输速率和更大的系统容量。

 

——在低功耗大连接场景,新型多址能够成倍提升系统的设备连接能力,并可通过免调度机制降低信令开销和终端功耗;F-OFDM和FBMC可灵活使用碎 片频谱,支持窄带和小数据包,并降低功耗与成本;D2D可避免基站与终端间的长距离传输,从而降低功耗和提升传输效率。

 

——在低时延高可靠场景,应采用短帧结构和精简的信令流程,并引入新型多址和D2D等技术以减少信令交互和数据中转,还可采用更先进的调制编码和重传机制以提升传输的可靠性。

 

在网络技术方面,5G将采用“三朵云”的新型网络架构,整个网络将会更加灵活、智能、高效和开放。5G网络将以SDN和NFV作为基础使能技术,网络 架构可分为接入云、控制云和转发云三个域。接入云支持多制式无线接入,融合集中式、分布式及Mesh无线接入网架构,适应各种类型的回传链路,实现更灵活 的组网部署和更高效的无线资源管理。5G网络控制功能和数据转发功能将解耦,从而形成集中统一的控制云和灵活高效的转发云。控制云实现局部和全局会话控制、移动性管理和服务质量保证,并构建面向业务的网络能力开放接口,从而满足业务的差异化需求,并提升业务的部署效率。转发云基于通用的硬件平台,在控制云的高效控制下,实现海量业务数据的高可靠、低时延、均负载的高效传输。

5G概念及技术路线

综合需求与技术趋势,5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。用户体验速率是业界公认的5G最重要的性能指标,它体现了用户可获得的真实数据速率,是用户感受最密切的性能指标。根据5G主要场景的技术需求,5G标志性能力指标应为“Gbps用户体验速率”。在关键技术方面,5G将采用包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构在内的一组关键技术,以满足各种场景的差异化需求。

 

从移动通信技术、标准和产业发展趋势来看,5G存在新空口和4G演进两条技术路线。新空口路线主要面向新场景和新频段进行全新的空口设计,不考虑与 4G框架的兼容,通过新的方案设计或引入创新型技术来满足4G演进路线无法满足的业务需求及挑战, 重点考虑满足物联网场景和高频段应用需求。4G演进路线通过在现有4G框架基础上引入增强型新技术,在保证兼容性的同时进一步提升系统性能,能够在一定程 度上满足5G场景与业务需求。此外,下一代无线局域网(IEEE 802.11ax)将成为5G的重要补充并将与5G深度融合,共同为用户提供服务。

 

ITU 从2012年开始组织全球业界开展5G愿景、技术趋势等前期研究,以达成全球对5G的共识。随着上述工作逐步进入尾声,ITU近期对外发布了IMT- 2020工作计划,将于2016年年初启动5G技术性能需求和评估方法研究,2017年年底启动5G候选提案征集,2020年年底完成标准制定。

 

作为国际主流移动通信标准组织,3GPP在近期启动了5G议题讨论。2015年2月,SA1工作组启动了未来新业务需求研究;2015年3月RAN工作组也启动了5G议题讨论,并计划在2015年9月召开5G研讨会,2015年年底启动5G接入网需求、信道模型等前期研究工作。预计正式的5G标准研究 项目(SI)将于3GPPR14启动,5G标准工作项目(WI)将于R15阶段启动,R16及以后将对5G标准进行进一步完善。