1.5　第五代移動通信技術的發展和關鍵技術

1.5.1　5G概述

如今的人類社會邁進了高效率的信息化時代，5G是面向未來移動通信需求而發展的新一代移動通信系統，與4G相比，5G業務將更加多樣化，可滲透到各行各業，實現真正的萬物互聯，下面通過幾個場景說明5G的服務功能。

1. 在密集人群中的優質服務

當用戶被密集人群包圍時，就不能擁有良好的移動和無線互聯網接入服務的用戶體驗。另外，由于高端設備的滲透率提高及移動計算等具有挑戰性的服務，將使網絡負載增加，這可能會進一步降低傳統網絡的用戶體驗。在5G網絡中，盡管流量增加，或者在非常擁擠的地方，用戶也能擁有優質的服務。

2. 最好的用戶體驗

此場景致力于為移動中的終端用戶帶來與靜態用戶（家里或辦公室中的用戶）類似的用戶體驗。無論在哪里或如何移動，如在火車、地鐵或在高速公路行駛的汽車上，終端用戶都可以享受可靠穩定的通信質量和極好的用戶體驗。此外，通過提供連接大量傳感器的平臺，5G將成為物聯網的關鍵推動因素。

3. 無處不在的互聯

當今，以人為中心的通信與機器型通信相輔相成，基本形成了一個人與人、物與物、人與物間完全互聯的社會。大多數連接的機器型設備是盡可能簡單的，如傳感器和驅動器，其主要需求是低能耗和低成本。此場景解決了無處不在的機器型設備大規模部署的通信需求。

4. 超級實時可靠的連接

通信系統中的可靠性和延遲是考慮用戶的需求而設計的。對于未來的無線通信系統，我們設想設計具有實時性的機對機（M2M）通信，實現用于交通安全、交通效率、智能電網、高效工業通信的新功能，這樣的新應用需要更高的可靠性和更低的延遲。

據思科預測報告顯示：到2021年，將近3/4連接到移動網絡的設備將成為智能設備。從全球范圍來看，到2021年，74.7%的移動設備將成為智能設備，高于2016年的36.7%，到2021年絕大多數移動數據流量（98%）將從這些智能設備中產生，高于2016年的89%。2016年，全球移動設備和連接數量從2015年的76億個增長到80億個，新增移動設備和連接數量超過4億個。在全球范圍內，到2021年，移動設備和連接將增長到16億個，然而僅能支撐每秒百兆傳輸速率的4G通信很難滿足未來移動通信的應用需求。因此，提升頻譜效率和用戶體驗速率，增強移動性，接入海量設備和縮短時延等需求成為5G通信需要繼續面對的挑戰，同時還要滿足物聯網多樣化的業務需求。

1.5.2　5G研究進展

5G的研究雖然取得了系列進展，但還需要在頻譜效率、能效和成本效率上進一步優化，并且隨著物聯網、車聯網及機器通信（MTC）的發展，5G通信要有1×106km2的連接密度、超高的流量密度、超高速的網絡傳輸速度、毫秒時延和高速移動性能。無論從增強的移動寬帶業務需要，海量機器類通信的人與物，還是從低時延高可靠的物與物的通信需求，都要求未來挖掘更多的頻譜資源及更大帶寬的頻譜，特別是用戶業務需求和應用的增長，以及設備連接數的百億級需求對于無線新技術新頻譜都提出了更高的要求。為實現這些目標及提升業務支撐能力，5G在無線傳輸技術方面都有了新的突破，并且進一步挖掘了提升頻譜效率的技術，如先進的多址接入技術、大規模天線陣列、編碼調制技術、基于濾波器組的多載波技術、全雙工復用技術、毫米波技術等。

1.5.3　5G關鍵技術

1. 毫米波通信

5G通信必須支持海量通信，根據香農公式，增加帶寬是增加容量和傳輸速率最直接的方法。毫米波通信的主要優勢有：可用頻帶寬，可提供幾十吉赫茲的帶寬；波束集中，能大幅度提高能效；方向性好、受干擾影響小等。但同時也面臨著諸多技術實現挑戰，主要有如下幾點：

（1）路徑損耗大，不適合遠程通信。

（2）受空氣和雨水等的影響較大。

（3）繞射能力差，非視距（Non-Line of Sight，NLOS）通信受限。

（4）如何實現隨機接入。

（5）硬件實現復雜度高。

2. 可見光通信

可見光通信（Visible Light Communication，VLC）也是5G移動通信中的一種頻譜拓展技術，它可在5G中用于室內短距離通信、車聯網通信、水下通信。可見光通信是利用發光二極管（Light Emitting Diode，LED）發出的可見光來進行通信的一種技術，通過對可見光的光強進行調制實現信號的傳輸。由于可見光通信技術可以兼顧通信與照明，且較傳統無線通信系統具有體積、成本、安全性等優勢，因此受到學術界的廣泛關注。

可見光通信通過對LED的發光強度進行調制，通常是在一定直流偏置情況下疊加包含信號的交流調制成分，通過這種方式，可見光通信可以在兼顧照明的情況下進行信號傳輸和通信，具有非常廣闊的發展前景。其具體的實現過程是：在發射端，對待發送的數據進行基帶調制，得到發射基帶信號；然后在LED驅動器上進行光強度調制（Intensity Modulation）并疊加直流偏置，形成發射光信號，進入空間傳播；在接收端，一般采用直接檢測（Direct Detect）方法，首先通過光電二極管對接收的光信號進行光電轉換，得到電信號，再進行信號調理后送入解調器進行解調，得到接收數據。

由于可見光通信采用LED來調制和發送可見光，相比傳統射頻無線通信系統，其發射功率可以更低，設備也可以更小型化。與射頻無線通信相比，它的主要優勢如下。

（1）無電磁干擾。由于可見光通信采用光作為傳播媒介，相當于將信號調制到光波頻率上，因此與傳統無線電系統之間不存在電磁干擾問題。

（2）節能環保。可見光通信無須上下變頻器即可發送，將LED作為信號發射器，能有效降低通信設備的成本；同時，由于可見光通信系統還可滿足照明的需求，因而有效地節約了通信系統的能耗。

（3）安全性高。首先，信號可以被不透明材料所阻隔，室內信息更難泄露到室外；其次，由于不使用射頻頻帶，因此不會受到射頻無線通信信號的干擾，可以在射頻干擾很強的環境下進行通信。

（4）無須許可。由于可見光通信不使用射頻通信頻譜資源，因此無須申請無線電頻譜許可證。目前，免授權的頻譜資源（如2.4GHz頻段）非常緊張，Wi-Fi、藍牙、Zigbee等無線通信協議普遍都使用免授權的頻譜進行通信。可見光通信開發了新的可用頻譜資源，能有效解決目前免授權頻譜信道擁擠的問題。

目前，雖然可見光通信相對傳統射頻通信具有多種優勢，但也有很多因素阻礙了可見光通信技術的發展。首先是數據雙向傳輸的問題，目前采用的方案通常是使用兩個獨立的單向VLC通信鏈路構成雙向數據傳輸鏈路，或者使用射頻、紅外線或其他發射機實現數據上行鏈路，這樣增加了設備的復雜性，降低了VLC系統的實用性。其次是干擾問題，人工光源或自然光源會在VLC接收機處產生噪聲（散彈噪聲），降低通信信噪比，影響通信效果。其中，太陽光產生的噪聲功率較大，但其參數通常固定；人工光源產生的噪聲功率較小但參數不固定，通常較難濾除。再者是光的多徑傳輸產生的碼間干擾問題，即多徑信道問題。正如其他無線通信技術一樣，VLC系統最典型的應用特征便是信道的不確定性，因此，有效可靠的信道估計方法也是VLC需要發展的關鍵技術之一。這些問題促使相關研究人員不斷研究和探索新方法，以使VLC技術更加成熟和實用。

3. 大規模MIMO技術

隨著無線設備的增加和無線業務（如物聯網和車聯網等）的持續增長，為了適應時代的發展和滿足未來通信的需求，商用5G通信需要實現無線設備連接數提高10～100倍，數據傳輸速率提高10～100倍，系統容量提高1000倍的目標。為了實現這個目標，5G通信采用多種新技術適應不同的應用場景。其中，由于大規模MIMO技術具有較高的頻效和能效，以及鏈路穩定可靠等優勢，已經成為5G通信的關鍵技術之一，近年來受到企業和學校的廣泛關注。

MIMO技術演進是從3G開始的，在3G開始階段的WCDMA HSPA標準下還只能采用SISO技術，其下行峰值速率為7.2Mb/s；到了3G的最后階段，即WCDMA HSPA+標準階段，系統就支持2×2的MIMO，其下行峰值速率為42Mb/s。在4G的初始階段3GPP LTE標準時，系統由原來2×2的MIMO過渡到4×4的MIMO，其下行峰值速率可達100Mb/s；現在的3GPP LTE+標準，系統可支持8×8的MIMO，其下行峰值速率可達1Gb/s。5G基站使用大規模天線陣列（幾十甚至上百根天線），也就是說，5G是真正意義上的大規模MIMO系統。所謂大規模天線，就是大量天線為相對少的用戶提供同傳服務，大規模MIMO系統的主要優勢如下：

（1）系統容量和能量效率大幅度提升，系統容量提高10倍，能量效率提高100倍。

（2）上行和下行發射能量都將減少，發射能量僅為原來的（M為發射天線數）。

（3）用戶間信道正交，干擾和噪聲將被消除。

（4）信道的統計特性趨于穩定。

大規模MIMO系統同時也帶來了4個挑戰：

（1）如何在導頻污染下進行信道狀態的信息獲取。

（2）如何在不同場景下進行信道測量與建模。

（3）如何設計低復雜度的發射機和接收機。

（4）如何設計低能耗的天線單元及陣列設計。

4. 新型傳輸波形技術——濾波器組多載波調制技術

學術界提出物理層濾波器組多載波調制技術（Filter-Bank Multi Carrier，FBMC）作為5G通信技術的調制技術之一，它用一組優化的濾波器組代替OFDM中的矩形窗函數，實現時頻本地性，從而達到降低外帶衰減的目的。它可以針對不同的信道環境，應用不同的濾波器組，來針對性地提高誤碼率性能；同時又不需要像OFDM那樣引入CP循環前綴，可以大大提高頻譜的利用率。FBMC因具有靈活的資源分配、高的頻譜效率、較強的抗雙選擇性衰落的能力，較好地解決了高速率無線通信和復雜均衡接收技術之間的矛盾，很有可能在5G中成為替代OFDM的空中接口技術。但在FBMC系統中，符號是相互疊加的，相鄰子信道之間不是正交的，需要引入偏移正交幅度調制（Offset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM）技術，以保證相鄰子信道的數據正交。OQAM存在不能消除的虛數干擾，在多徑信道下，特別是在大時延多徑數目較多的情況下，各子信道相互干擾仍然嚴重，信道估計比較復雜，不能完全使用簡單系統函數來補償接收的數據。同時，結合Massive MIMO技術的FBMC系統的信道參數隨天線數目的增加而成指數級增加，計算復雜度也相應地成指數級增加。為了提高信道估計的準確性，會使用大量訓練序列或導頻，這在一定程度上損耗了通信的頻譜資源。由于使用了大規模天線技術，系統的頻偏會影響估計精度，信道估計成了亟待解決的問題之一。

FBMC技術還存在信道估計難題。在5G通信技術中，為了提高傳輸速率，通信系統必須采用同時同頻全雙工技術。但是，目前全雙工技術的效率受自身干擾的嚴重影響，特別是全雙工技術使原來的信道發生了改變，干擾消除和干擾沒有消除的信道特性差別很大。信道估計除了要保證傳輸質量，還要配合后續的多樣化技術要求，信道估計過程需要估計更多參數，這更增加了信道估計的復雜性和難度。因此，研究基于FBMC技術的5G通信系統的信道估計機理和實現技術具有特別重要的科學意義和實際應用價值，有助于我國在5G通信的發展過程中引領世界。

5. 同時同頻全雙工技術

同時同頻全雙工技術是指發射機和接收機同時共享頻帶進行數據傳輸。它相比傳統的頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）兩種模式的效率提高1倍，因此已經成為5G通信的潛在技術之一。要想未來通信能夠實現同時同頻全雙工技術，需要克服的主要困難就是干擾的消除，不僅需要解決時域上的干擾，還需要解決頻域上的干擾。雖然國內外很多學者都在進行這一方面的研究，但是這個問題都沒有得到很好的解決。

1.5.4　國內外5G研發現狀

1. 國外5G發展現狀

1）歐洲的5G發展現狀

歐盟委員會副主席Andrus Ansip在2015年2月28日巴塞羅那世界移動通信大會上發表演講時指出，下一代無線通信（5G）將“推動數字化革命”。他強調，網絡速度加快、數據量增加和容量提升將改變人們的生活、工作、娛樂和溝通方式，以及從汽車到醫療等許多行業的現狀。但這種新一代技術的發展需要數十億歐元的投資，以及跨電信運營商、行業、成員國和第三方國家之間的共同努力。各地區應就標準達成一致，歐盟各國政府必須以協調的方式釋放急需的頻譜，而私營部門應攜起手來，共同致力于5G技術的最終應用。Ansip要求業界更積極地參與這一過程，以便加快歐洲發布這些應用的速度。他要求各成員國協調頻譜使用的經濟條件，包括牌照的簽發和有效期。他警告說：“另一種選擇將使我們面臨被快速連接時代遺棄的風險。”他呼吁各國和各地區共同努力，確立正確的標準。

2）美國的5G發展現狀

2019年4月15日，美國總統特朗普在白宮發表關于美國5G部署的講話，宣布了多項旨在刺激美國5G網絡發展的舉措。根據計劃，美國政府和私營企業部門共計劃在5G網絡上投資2750億美元（約合1.84萬億元人民幣），創造300萬個就業崗位，并為美國經濟最終增加5000億美元的效益。特朗普在講話中宣稱，美國已在全球5G競賽中處于領先地位，對此，有資深電信從業人士表示，不像3G和4G時代，5G技術當前更呈現出百花齊放的狀態，美國所稱的領先地位并不明顯。

美國聯邦通信委員會在當天宣布，從2019年12月10日起，將推出“美國史上最大規模的頻譜拍賣”，運營商可以競標37GHz、39GHz和47GHz 3個新的高頻段。該委員會自2018年11月起開始啟動5G頻譜拍賣，陸續發放5G牌照。在頻譜拍賣后，獲得牌照的運營商還需要建設大量新型基站，才能開始提供5G服務。在美國無線通信和互聯網協會2019年4月初發布的一份報告中顯示，美國在高頻5G頻譜方面領先，但中頻頻譜部署落后。高頻段的特點是容量更高，但覆蓋面較窄，主要適用于在城市熱點地區部署；中頻頻譜兼具高容量和廣覆蓋的特點，對發展5G至關重要。

威瑞森（Verizon）的5G網絡正在與大量合作伙伴合作，包括思科、愛立信、英特爾、LG、諾基亞、高通和三星。在2019年2月初的一次活動中，美國電話電報公司（AT&T）宣布在接下來的幾個月中，將在奧斯汀和印第安納波利斯兩座城市率先啟動“5G Evolution Markets”，并有望在2019年年底之前在部分地區達到1Gb/s。

在5G的應用領域，美國電信運營商的5G爭奪大戰已經開始，Verizon和AT&T已經推出了5G網絡，第三大運營商T-Mobile和第四大運營商Sprint也有計劃推出5G網絡。AT&T于2018年12月宣布在美國12個城市試點5G網絡，但該公司發送給部分用戶手機的信號被標記為“5G E”信號，即所謂的“5G進化版”。因此AT&T被指責并非真正提供5G網絡服務，相關服務仍在4G網絡運行。T-Mobile和Sprint這兩家運營商正在計劃合并，成立新的運營商New T-Mobile，如果最終得到監管部門的許可，用戶規模可能會超過AT&T，未來美國電信市場將形成三分天下的格局，如此，兩家基站資源和頻譜資源可以互補，有利于更快速建成密集的5G網絡。

3）韓日的5G發展現狀

韓國作為全球網速最快的國家早已開始部署千兆網絡。當全球將5G商用時間定在2020年之時，韓國就宣布將提前在2018年實現5G商用，并在韓國平昌冬季奧運會上首次使用5G移動通信技術。2016年7月，韓國電信（KT）與美國運營商Verizon就5G網絡建立全球標準和開發技術達成了一致，將就加快預計于2020年商用的5G技術的商業化與標準問題進行合作。2016年10月，韓國最大移動通信運營商SK Telecom宣布，他們將在韓國設立5G移動網絡研究中心——5G Playground。在建立這個中心時，SKT與包括三星電子、諾基亞、英特爾、愛立信、Rhode & Schwartz在內的諸多科技巨頭進行合作，他們表示2017年就能建成測試網絡，他們因此可能成為世界上第一個5G運營商。

日本軟銀（Soft Bank）株式會社（簡稱“軟銀”）于2018年12月5日向相關媒體公開了28GHz頻段的5G通信實測試驗情況。軟銀表示，在首都中心區域開始28GHz的實測試驗尚處于早期階段，沒有公布本次試驗的具體數據，但提及為了確保穩定的通信，比特率上行、下行控制在1Gb/s以下，延遲在1～2s。該公司此前也在東京首都中心區域開展過5G的實測試驗，但使用的是4.7GHz的較低頻段，2018年11月14日軟銀取得在品川、芝大門、澀谷三處首都中心區域的28GHz試驗許可，本次試驗正是基于此項許可進行的。

日本總務省為5G準備了3.7GHz、4.5GHz、28GHz 3個頻段，其中28GHz是頻寬最大的頻段，其直線性和高衰減的特性區別于以往的手機通信模式，需要相關技術的積累。軟銀表示將持續此類試驗，積累28GHz的相關技術，面向商業應用做好準備。特別是對于難以覆蓋的20層以上高樓，考慮通過靈活布局28GHz基站實現區域拓展。

NTT Docomo于2019年開始部分5G通信商業服務，為此將全面展開5G的實測。NTT Docomo計劃與日本各地方政府、企業、大學合作，在全日本開展遠程醫療、觀光、辦公自動化等領域的試驗，希望可以發揮4G LTE模式100倍以上的高速通信性能，推出實用化服務，促進日本地方提高活力。

2．國內研發現狀

韓國、日本、美國、歐盟等國家和地區都在加速研發和推廣5G，競爭非常激烈。我國從政府到企業都非常重視移動通信的發展和投入。2005年10月，在國家發展和改革委員會、科學技術部、工業和信息化部的共同支持下，由國內外移動通信運營企業、設備制造企業、科研機構、高等院校等26家單位共同發起成立的未來移動通信論壇成為一個促進未來移動通信領域的技術交流與信息溝通，加強國際間技術研發與合作的非常重要的非營利性國際社團組織。該組織加強國與美國、歐盟、韓國、日本等國家和地區，以及與華為公司、中興通訊、大唐電信、愛立信、諾基亞、高通、是德科技、上海無線通信研究中心等設備制造企業、測試廠商、科研機構的通力合作。2013年年初，該組織在前期合作基礎上成立了MT2020 5G推進組，明確了5G發展愿景、業務、頻譜與技術需求及發展方向，并利用國內外各方力量聯合開發，為5G通信技術標準制定打下堅實基礎。2019年11月，首屆世界5G大會在北京舉辦，會議發布了具有國際影響力的《北京5G產業發展白皮書》。2016年11月，華為公司擊敗通信巨頭美國高通，成為5G增強移動寬帶場景的信道編碼技術方案的制定者。2017年3月初，我國宣布建成全球最大的5G試驗外場。

2016年1月13日，中國聯通攜手華為在上海完成了業界首個FDD制式Massive MIMO技術的外場驗證，在20MHz頻譜上，使用兩天線接收終端，實現網絡峰值速率697.3Mb/s，是傳統LTE FDD的4.8倍。中國電信在南京市江北新區產業技術研創園成功建成4個5G基站，總投資超過3億元，而未來這個區域的5G基站數目將達到600多個。此外，中國電信也明確，到2018年實施6GHz以下頻段的5G規模技術試驗和試商用試驗。

5G標準的制定，目前看依然是中國、美國和歐盟實力最強的三方主導，韓國和日本兩個國家的實力較弱只能選擇跟隨。歐盟已經確定愛立信繼續擔任新一期METIS-Ⅱ歐盟項目協調人，愛立信從WCDMA到LTE-FDD都在主導歐洲移動通信標準的制定，如今在5G標準制定方面成了各方實力爭奪的局面。顯而易見，誰在5G研究方面走得更快、更好，誰就能夠在未來的市場競爭中占得先機。希望不久的將來中國在5G方面，能夠取得長足發展，引領國際秩序，贏得更多商機。