第五代移动通信中的核心技术

第五代移动通信中的核心技术

摘要：在移动通信的演进历程中，我国依次经历了“2G跟踪，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“新一代宽带无线移动通信网”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、标准化及知识产权等各个方面，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，实现客观有效的第三方评估，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。

关键词：5G；服务技术；资源管理

一、概述

2013年12月，我国第四代移动通信（4G）牌照发放，4G技术正式走向商用。与此同时，面向下一代移动通信需求的第五代移动通信（5G）的研发也早已在世界范围内如火如荼地展开。在国内，华为、中兴、爱立信、诺基亚和上海贝尔、大唐、英特尔等公司均参与了2016年的5G技术研发试验第一阶段测试。为尽早实现5G商用，在2017年，运营商、设备商，及相关产业链应结合5G研发试验第一阶段测试结果，对5G关键技术进行突破。

2017年12月21日，在国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上，5G NR首发版本正式发布。此举意味着各方已经对5G 网络标准达成了一致的意见，距离5G 商用网络的设立和运行又迈出了坚实的一步，因为它给各个公司划下了一个硬性的标准。

作为国家无线电管理技术机构，国家无线电监测中心（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、科研院所及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系统测试与验证环境，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关键技术的跟踪梳理与研究工作当中，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读。

二、5G核心技术详解

2.1 高频段传输技术

众说周知，无线通信依托于电磁波传播，最宝贵的资源莫过于频带。目前，电信业者已开始研究毫米波技术，以便找到最适合移动应用的频率范围。为了统一全球的毫米波频率标准，国际电信联盟（ITU）在近期的世界无线电通讯大会结束后，公布了24GHz到86GHz之间的全球可用频率的建议列表，最后28GHz、39GHz与73GHz三个频带逐渐脱颖而出（1）。

基于28GHz在美国、韩国与日本的可用性，加之美国电信业者早期现场测试的投入，该频谱无论是否成为国际标准，都可能直接成为美国的移动技术应用。此外，韩国于2018年奥运展示5G技术的目标，也可能在标准组织确定5G标准之前，率先推动28GHz技术用于消费型产品上。尽管目前仍无法确认28GHz是否可以广泛用于5G应用，但该频率在现阶段绝对非常重要。

在进行28GHz相关研究的同时，E波段(E-band)频率在近几年也引起了移动通讯领域的关注。开篇所说的华为与沃达丰，正是在E-Band微波上对5G进行室外现场测试。此外，区分73GHz与28GHz、39GHz三者关系的其中一项特性，就是可用的连续带宽。

73GHz中有2GHz的连续带宽可用于移动通讯，这是拟议频率频谱中范围最广的；28GHz仅提供850MHz的带宽；在美国，39GHz附近就有两个频带提供1.6GHz与1.4GHz带宽。此外，根据Shannon定律，即更高的带宽代表更高的数据传输量，73GHz与另外两个频率相较更具优势。

高频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有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，但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。

2.2新型多天线传输技术

为了满足未来无线数据传输爆炸式的增长,5G(第五代移动通信技术)移动通信系统对频谱效率和能耗效率提出了更高的要求。在5G关键技术探索中,大规模MIMO(Massive MIMO)技术能够深度挖掘空间维度无线资源,大幅度提升无线通信系统的频谱效率和能耗效率,脱颖而出,成为支撑未来新一代宽带绿色移动通信

最具潜力的研究方向之一。而有关研究工作尚处于起步阶段,存在着具有挑战性

的基础理论和关键技术问题有待深入系统的研究。因此需要在此领域展开大规模MIMO无线通信理论和技术研究,包括复杂无线环境中大规模MIMO信道模型和信道容量分析、信道状态信息获取理论和技术等。

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技术，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。

大规模多天线（又叫大范围多入多出技术和大范围天线系统）是一种多入多出（MIMO, multiple inputand multiple output）的通信系统，在系统中基站的天线数远高于终端的天线数目，通过建立极大数目达到终端的信道实现信号的顽健高速传输，并通过大规模天线简化MAC 层设计来最终实现信号的低时延传输。在下一代无线通信系统中，大规模多天线的应用场景如图6 所示。在5G 的大规模天线场景下，小区为宏蜂窝和微蜂窝2 种小区共存，网络分类可以为同构网络也可为异构网络，场景分为室外和室内这2 种场景，从相关测试文献得知，陆地移动通信系统70%的通信来自于室内，因此，大规模天线的信道可以分为宏小区基站对室外用户、室内用户，微小区基站对室外用户、室内用户，同时微小区也可作为中继基站进行传输，信道也包括从宏小区基站到微小区基站。基站天线数可以趋于无限大，同时用户天线数目也可增大。大规模多天线技术在整个5G 系统中会带来以下的一系列优点（2）19。

1) 相比于传统的多入多出系统，大规模多天线多入多出系统的空间分辨率被极

大地提升了。大规模多天线技术可以在没有基站分裂的条件下实现空间资源的深度挖掘。

2) 波束赋形技术能够让能量极小的波束集中在一块小型区域，因此干扰能够被

极大地减少。波束赋形技术可以与小区分裂、小区分簇相结合，并与毫米波高频段共同应用于无线短距离传输系统中，将信号强度集中于特定方向和特定用户群，实现信号的可靠高速传输。

3) 相比于单一天线系统，大规模多天线技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域）提升频谱利用效率和能量利用效率。因为这些可实现的优点，大规模多天线技术被认为是5G 中的一项关键可行技术。

目前研究人员正在针对大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。

2.3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，这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