4G的普及與應(yīng)用為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打開(kāi)了大門，伴隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的進(jìn)步與發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)正時(shí)刻改變著人們的生活，同時(shí)也刺激著移動(dòng)通信需求的進(jìn)一步發(fā)展。5G作為面向2020年及以后的移動(dòng)通信系統(tǒng)，其應(yīng)用將深入社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，作為基礎(chǔ)設(shè)施為未來(lái)社會(huì)提供全方位的服務(wù)，促進(jìn)各行各業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)。

5G將提供光纖般的無(wú)線接入速度，“零時(shí)延”的使用體驗(yàn)，使信息突破時(shí)空限制，可即時(shí)予以呈現(xiàn);5G將提供千億設(shè)備的連接能力、***的交互體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)人與萬(wàn)物的智能互聯(lián);5G將提供超高流量密度、超高移動(dòng)性的連接支持，讓用戶隨時(shí)隨地獲得一致的性能體驗(yàn);同時(shí)，超過(guò)百倍的能效提升和極低的比特成本，也將保證產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。超高速率、超低時(shí)延、超高移動(dòng)性、超強(qiáng)連接能力、超高流量密度，加上能效和成本超百倍改善，5G最終將實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”的愿景。

為了實(shí)現(xiàn)5G發(fā)展的愿景，滿足未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，5G應(yīng)該具備的關(guān)鍵技術(shù)能力包括支持0.1~1Gbit/s的用戶體驗(yàn)速率和高達(dá)10Gbit/s以上的峰值速率，支持每平方千米百萬(wàn)量級(jí)的連接數(shù)密度，支持毫秒級(jí)的端到端時(shí)延，支持每平方千米數(shù)十Tbit/s的流量密度，支持500km/h以上的移動(dòng)速率。

此外，為了保持移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，5G還需要進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、部署、運(yùn)營(yíng)方面的效率和便捷程度，如相比4G，頻譜效率提升5~15倍，能源效率提升百倍，成本效率提升百倍以上。

5G技術(shù)如雨后春筍

為了實(shí)現(xiàn)5G的發(fā)展目標(biāo)，ITU、3GPP、NGMN等組織啟動(dòng)了面向5G的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。3GPP在2015年啟動(dòng)了有關(guān)5G的相關(guān)討論，分別從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無(wú)線接入網(wǎng)的角度開(kāi)始了5G的研究和標(biāo)準(zhǔn)化。5G新技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的特征。

面向服務(wù)的云化網(wǎng)絡(luò)使能端到端網(wǎng)絡(luò)切片

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)***的特征就是基于SDN/NFV技術(shù)，通過(guò)面向服務(wù)的云化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的靈活和快速部署，基于SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)切片如圖1所示。而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為了滿足低時(shí)延、高速率、高效率等眾多需求，除基站的架構(gòu)需要引入CU/DU分離之外，還需要引入許多新的技術(shù)和設(shè)計(jì)。

圖1 基于SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)切片

3D-MIMO

如圖2所示，3D-MIMO一般采用大規(guī)模的二維天線陣列，不僅天線端口數(shù)較多，而且可以在水平和垂直維度靈活調(diào)整波束方向，形成更窄、更精確的指向性波束，從而極大地提升終端接收信號(hào)能量，增強(qiáng)小區(qū)覆蓋。傳統(tǒng)的2D-MIMO天線端口數(shù)較少，導(dǎo)致波束較寬，并且只能在水平維度調(diào)整波束方向，無(wú)法將垂直維度的能量集中于終端，且僅能在水平維度區(qū)分用戶也導(dǎo)致其同時(shí)同頻可服務(wù)的用戶數(shù)受限。3D-MIMO可充分利用垂直和水平維度的天線自由度，同時(shí)同頻服務(wù)更多的用戶，極大地提升系統(tǒng)容量，還可通過(guò)多個(gè)小區(qū)垂直維波束方向的協(xié)調(diào)，起到降低小區(qū)間干擾的目的。

圖2 3D-MIMO的技術(shù)原理

3D-MIMO無(wú)論是在提升接收和發(fā)送的效率、多用戶MIMO的配對(duì)用戶數(shù)，還是在降低小區(qū)間的干擾方面，相對(duì)于傳統(tǒng)天線都有更好的性能，是5G提升頻譜效率的最核心技術(shù)。

非正交多址

面對(duì)5G提出的更高頻譜效率、更大容量、更多連接以及更低時(shí)延的總體需求，5G多址的資源利用效率必須更高。因此，在近兩年的國(guó)內(nèi)外5G研究中，資源非獨(dú)占的用戶多址接入方式廣受關(guān)注。在這種多址接入方式下，沒(méi)有哪一個(gè)資源維度下用戶是具有獨(dú)占性的，因此在接收端必須進(jìn)行多個(gè)用戶信號(hào)的聯(lián)合檢測(cè)。得益于芯片工藝和數(shù)據(jù)處理能力的提升，接收端的多用戶聯(lián)合檢測(cè)已成為可實(shí)施的方案。

5G新型多址的設(shè)計(jì)將從物理層最基本的調(diào)制、映射等模塊出發(fā)，引入功率域和碼率的混合非正交編碼疊加，同時(shí)在接收端引入多用戶聯(lián)合檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)非正交數(shù)據(jù)層的譯碼。

發(fā)送端在單用戶信道編碼之后，進(jìn)入核心的碼本映射模塊，包括調(diào)制映射、碼域擴(kuò)展和功率優(yōu)化，這3個(gè)部分也可聯(lián)合設(shè)計(jì)，以獲得額外編碼增益。在接收端經(jīng)過(guò)多用戶聯(lián)合檢測(cè)后的軟信息可輸入單用戶糾錯(cuò)編碼的譯碼模塊進(jìn)行譯碼，也可以將信道譯碼的結(jié)果返回代入多用戶聯(lián)合檢測(cè)器進(jìn)行大迭代譯碼，進(jìn)一步提升性能。在這個(gè)通用結(jié)構(gòu)圖中，上下行多接入的區(qū)別在于多用戶信號(hào)疊加的位置不同，下行多用戶信號(hào)在經(jīng)過(guò)信道前，在發(fā)送端疊加，而上行多用戶信號(hào)則在經(jīng)過(guò)無(wú)線信道后，在接收端疊加。

對(duì)比4G OFDMA正交多址的物理層過(guò)程，5G新型非正交多址物理層過(guò)程引入新模塊變化的動(dòng)機(jī)主要有如下幾個(gè)方面：通過(guò)新的(多維)調(diào)制映射設(shè)計(jì)，獲得編碼增益和成型增益，提升接入頻譜效率;通過(guò)(稀疏)碼域擴(kuò)展，獲得分集增益，增強(qiáng)傳輸頑健性，也白化小區(qū)內(nèi)或小區(qū)間數(shù)據(jù)流間的干擾;通過(guò)非正交層間的功率優(yōu)化，***化多用戶疊加的容量區(qū)。

自包含幀結(jié)構(gòu)

5G系統(tǒng)為了進(jìn)一步降低發(fā)送的時(shí)延，對(duì)時(shí)隙的結(jié)構(gòu)和收發(fā)的反饋進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。對(duì)于TDD系統(tǒng)，通過(guò)引入更多的上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)，縮短發(fā)送和反饋之間的響應(yīng)時(shí)間，這種幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也叫自包含的幀結(jié)構(gòu);對(duì)于FDD系統(tǒng)，則可以通過(guò)更短的調(diào)度和傳輸周期，縮短傳輸時(shí)延，5G定義的子幀格式如圖3所示。

圖3 5G定義的子幀格式

更快速的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

5G為了實(shí)現(xiàn)更低的控制面時(shí)延，如10ms，在4G已有的連接態(tài)和空閑態(tài)中引入了一個(gè)新的中間狀態(tài)，叫去激活態(tài)，如圖4所示。該狀態(tài)保留核心網(wǎng)的連接狀態(tài)，而刪除無(wú)線側(cè)的連接狀態(tài)，當(dāng)需要時(shí)，可以快速建立無(wú)線側(cè)的連接，從而大幅降低從原空閑態(tài)到連接態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)延。

用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)需要針對(duì)用戶的行為、偏好和終端、網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和能力，提供***的用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)部署，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要設(shè)計(jì)理念如圖5所示。

圖5 5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

用戶與業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能感知

以智能無(wú)線管道為目標(biāo)，通過(guò)引入更精細(xì)化的業(yè)務(wù)與用戶區(qū)分機(jī)制，根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景、用戶能力、用戶偏好及網(wǎng)絡(luò)能力等，自適應(yīng)配置空口技術(shù)、系統(tǒng)參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)端到端的精細(xì)而多樣化的網(wǎng)絡(luò)連接、業(yè)務(wù)和內(nèi)容區(qū)分與處理。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將能支持基于對(duì)業(yè)務(wù)與用戶的預(yù)測(cè)、分析、響應(yīng)和處理能力，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的空口接入與管理、端到端的精細(xì)而多樣化的業(yè)務(wù)和內(nèi)容區(qū)分與處理，提供更精準(zhǔn)、更完備的用戶個(gè)性化、定制化的資源配置和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以滿足多樣化的用戶及業(yè)務(wù)需求，并確保一致的、高質(zhì)量的用戶體驗(yàn)。

業(yè)務(wù)下沉與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地化處理

在邏輯功能上，基于核心網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)的功能重構(gòu)，促使核心網(wǎng)專注于用戶簽約與策略管理以及集中控制。而其用戶面與業(yè)務(wù)承載功能繼續(xù)下沉，業(yè)務(wù)承載的管理與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的路由和分發(fā)可部署在更靠近用戶的接入網(wǎng)，從而構(gòu)建更加優(yōu)化的業(yè)務(wù)通道，使得業(yè)務(wù)的路由通道更加簡(jiǎn)化，避免業(yè)務(wù)瓶頸，降低集中傳輸負(fù)荷。同時(shí)，基于對(duì)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)內(nèi)容的精細(xì)化感知，接入網(wǎng)不僅可以在本地生成、映射、緩存、分發(fā)數(shù)據(jù)，還可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地就近智能分發(fā)和推送。

支持多網(wǎng)融合與多連接傳輸

在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)，4G/5G/Wi-Fi等多種網(wǎng)絡(luò)將長(zhǎng)期共存，因此，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須支持多種網(wǎng)絡(luò)的深度融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)于多種無(wú)線技術(shù)/資源的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)管理，并基于承載與信令分離，信令與制式解耦，實(shí)現(xiàn)與接入方式無(wú)關(guān)的統(tǒng)一控制，使得無(wú)線資源的利用達(dá)到***化。同時(shí)，未來(lái)的終端也將普遍具備多制式、多無(wú)線的同時(shí)連接和傳輸能力。在多維度業(yè)務(wù)接納與控制的基礎(chǔ)上，5G網(wǎng)絡(luò)將基于時(shí)延容忍度、丟包敏感度以及不同的APP、業(yè)務(wù)提供商，支持精確的網(wǎng)絡(luò)選擇與無(wú)線傳輸路徑與方式，實(shí)現(xiàn)***資源匹配。

5G技術(shù)4G用

4G在全球市場(chǎng)已經(jīng)廣為普及，在深刻地改變著人們生活的同時(shí)，也在不斷創(chuàng)造新的需求，推動(dòng)著4G技術(shù)的演進(jìn)和發(fā)展。而5G大規(guī)模商用將在2020年以后，在此之前的市場(chǎng)需求只能由4G及其演進(jìn)技術(shù)來(lái)滿足。目前，3GPP已經(jīng)在考慮將面向5G應(yīng)用的技術(shù)提前引入到4G系統(tǒng)，在不影響后向兼容的條件下，對(duì)4G系統(tǒng)的技術(shù)能力、服務(wù)效率進(jìn)行提升和增強(qiáng)，使其盡可能地滿足5G網(wǎng)絡(luò)的要求，并且在現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)上早日應(yīng)用。

3D-MIMO

LTE詳細(xì)定義了各種基于線陣的MIMO和智能天線的模式，在4G網(wǎng)絡(luò)中得到了大規(guī)模應(yīng)用，特別是在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中，8天線得到了很好的普及和驗(yàn)證。隨著5G技術(shù)的研究，3D-MIMO技術(shù)成為業(yè)界的熱點(diǎn)，為此3GPP也進(jìn)行了相關(guān)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化(FD-MIMO)工作。特別對(duì)于TD-LTE系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，利用信道的互易性，可以基于實(shí)現(xiàn)而不對(duì)標(biāo)準(zhǔn)有任何改動(dòng)，就可以把3D-MIMO技術(shù)引入到TD-LTE網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，既能兼容已有的終端，又能大幅提升現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的容量。TD-LTE產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)展領(lǐng)先的企業(yè)，如中興、華為都已經(jīng)發(fā)布了支持128天線、64個(gè)獨(dú)立射頻通道的2.6GHz的3D-MIMO商用產(chǎn)品，并開(kāi)始在中國(guó)移動(dòng)的4G網(wǎng)絡(luò)中部署?，F(xiàn)網(wǎng)測(cè)試表明，3D-MIMO技術(shù)可大幅度提升網(wǎng)絡(luò)容量，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷越高，容量增益越大。

時(shí)延縮短

3GPP已經(jīng)在LTE R14中考慮了進(jìn)一步降低傳輸時(shí)延的技術(shù)方案，允許將LTE的傳輸間隔(TTI)由原有的1ms進(jìn)一步縮短，比如FDD可以支持2個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度的TTI，而TDD可以支持0.5ms的TTI傳輸，優(yōu)化后的傳輸時(shí)延可分別降低到1ms和4ms(TDD的配置2)以內(nèi)。但是，對(duì)于4G系統(tǒng)而言，如果網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不隨之調(diào)整，這樣的時(shí)延降低對(duì)整個(gè)端到端網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延來(lái)說(shuō)，減少量是微乎其微的，難以真正地滿足低時(shí)延業(yè)務(wù)的要求，LTE演進(jìn)中的時(shí)延降低情況如圖6所示。

圖6 LTE演進(jìn)中的時(shí)延降低

基于上下文感知的業(yè)務(wù)分發(fā)和MEC

在4G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際業(yè)務(wù)拓展過(guò)程中，為滿足企業(yè)級(jí)用戶的應(yīng)用需求，以及垂直行業(yè)的應(yīng)用需求，4G網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行一些針對(duì)位置和特定環(huán)境的業(yè)務(wù)部署優(yōu)化，以提升網(wǎng)絡(luò)的效率和用戶體驗(yàn)，也即需要引入MEC技術(shù)。但是對(duì)于現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，無(wú)線側(cè)對(duì)業(yè)務(wù)是無(wú)感知的，也就是說(shuō)無(wú)線網(wǎng)對(duì)業(yè)務(wù)的感知是通過(guò)核心網(wǎng)來(lái)被動(dòng)感知的，業(yè)務(wù)的發(fā)送不能真正做到無(wú)線側(cè)的智能化?？梢栽诰W(wǎng)絡(luò)中靠近無(wú)線側(cè)的地方增加DPI的功能，對(duì)業(yè)務(wù)的內(nèi)容等進(jìn)行解析，使MEC能更好地適配業(yè)務(wù)的傳輸。但是這種方式的處理效率較低，3GPP開(kāi)始考慮基于用戶上下文的業(yè)務(wù)發(fā)送優(yōu)化，即終端可以主動(dòng)上報(bào)用戶業(yè)務(wù)的相關(guān)信息，基站可以據(jù)此進(jìn)行傳輸優(yōu)化，大大提升傳輸?shù)目煽啃?。目前針?duì)視頻業(yè)務(wù)的優(yōu)化已進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)制定，有望在4G演進(jìn)中走向應(yīng)用。

輕連接(light connection)

在時(shí)延降低方面，3GPP也已經(jīng)在進(jìn)行輕連接的標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)引入連接態(tài)和空閑態(tài)之外的非激活態(tài)，可以進(jìn)一步提升終端的節(jié)能效果，同時(shí)降低終端接入的時(shí)延。

至于其它5G技術(shù)的4G用，如非正交多址等，3GPP已討論過(guò)功率域的非正交多址接入(NOMA)，而碼域的非正交技術(shù)也可能得到應(yīng)用。

為了滿足5G的需求，3GPP從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無(wú)線幀的設(shè)計(jì)、3D-MIMO、非正交多址、協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)換等方面對(duì)5G系統(tǒng)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)，在傳輸效率、時(shí)延等方面都有大幅的性能提升。考慮到5G的商用要到2020年，真正形成實(shí)際網(wǎng)絡(luò)能力還需時(shí)日，將這些5G技術(shù)提早應(yīng)用到現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)，并提早發(fā)揮作用，是5G技術(shù)4G化的***吸引力。目前移動(dòng)通信行業(yè)的專家們正致力于此，3D-MIMO、MEC技術(shù)等已在4G網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)始應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)有核心網(wǎng)的SDN/NFV改造也已經(jīng)開(kāi)始試點(diǎn)，基于上下文感知的業(yè)務(wù)分發(fā)和輕連接正在3GPP標(biāo)準(zhǔn)化。相信這些技術(shù)終將會(huì)在4G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)中得到驗(yàn)證和應(yīng)用，為4G的發(fā)展做出應(yīng)用的貢獻(xiàn)。