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技术研发启动,5G之花含苞待放
作者:魏克军 万屹 王志勤   中国信息产业网-人民邮电报   技术研发启动,5G之花含苞待放

全球正在掀起4G建设热潮,而作为面向2020年及未来发展的新一代移动通信系统——5G,也正在走上舞台。5G具有超高的频谱利用率和超低的功耗,在传输速率和资源利用率等方面比4G系统提高数十倍,其无线覆盖性能和用户体验也将得到显著提高。纵观移动通信发展史,每十年就会出现一次技术的变革,1980年的1G、1990年的2G、2000年的3G、2010年的4G,由此可见,虽然今天的4G尚未全面普及,但是启动5G研究却正当时。目前,包括英国、韩国、日本以及中国在内的诸多国家都展开了5G研究,5G的技术标准和研究方向正日渐清晰……

移动互联网与物联网是未来5G发展的主要驱动力。未来,千倍以上的流量增长和极致的用户体验将是5G面临的重要挑战。目前,全球多个国家都展开了5G的技术研究,从技术、标准以及产业演进趋势上看,5G将存在三条重要演进路线即蜂窝网演进、无线局域网演进和革命性演进路线。同时,为满足5G需求,业界还需要从无线传输技术、无线组网技术以及网络架构等层面实现创新。其中,在无线传输技术层面,大规模天线阵列、超密集组网、非正交传输、全双工等都有可能成为未来5G的重要技术发展方向。

迎接5G时代的到来

至今,移动通信延续了每10年出现一代新技术的发展周期。20世纪80年代人们使用第一代模拟制式的移动通信技术,1991年第二代移动通信系统GSM开始商用,2000年前后出现IMT-2000第三代移动通信技术,2010年国际电联(ITU)确定4G国际技术标准。目前,4G已在全球开始规模商用,面向2020年及未来的发展,业界开始新的探索,研究第五代移动通信技术,即5G。

智能终端的普及以及移动业务应用的蓬勃发展,促使移动互联网呈现迅猛发展趋势。统计数据表明,无线业务流量以每年接近100%的速度增长,这意味着未来十年,无线数据流量将增长1000倍。移动互联网和物联网业务的发展将成为未来5G发展的主要驱动力,未来5G将服务于人们日常学习工作生活的方方面面,如无线支付、移动办公、智能家居、位置服务、远程医疗等。同时,也将与电网、交通、医疗、家居等传统行业深度融合,衍生出大量以物为主体的终端。这些都对未来的5G性能指标提出了更多更高的要求,与4G相比,除了速率、时延等传统的空口性能指标需要进一步提升外,还需要考虑用户体验速率、连接数密度、频谱效率、能效以及成本等进一步体现5G系统先进性的指标。

为满足面向2020年及未来的业务应用需求,需要研究未来的5G技术演进路线,分析目前业界提出的潜在5G关键技术,进行深入的分析研究,针对未来5G典型应用场景,最终提出满足未来5G关键性能指标的5G系统方案。

三条演进路线日渐清晰

目前,4G已经进入规模商用阶段,5G是继4G后的新一代移动通信技术。从移动通信发展现状以及技术、标准与产业的演进趋势来看,未来5G移动通信技术的演进存在三条重要演进路线,分别是以LTE/LTE-Advanced为代表的蜂窝演进路线、WLAN演进路线和革命性演进路线。

首先,LTE/LTE-Advanced已经是事实上的全球统一的4G标准,并将会在5G阶段继续演进。在产业化方面,LTE在全球范围内的商用化进程不断加快。在标准化方面,3GPP R12版本的标准化工作正在对小小区增强技术、新型多天线技术、终端直通技术、机器间通信等新技术开展研究和标准化工作。随着更多的先进技术融入LTE/LTE-Advanced技术标准中,给蜂窝移动通信带来了强大的生命力和发展潜力。

其次,无线局域网(WLAN)是当今全球应用最为普及的宽带无线接入技术之一,拥有良好的产业和用户基础,巨大的市场需求推动了WLAN技术的发展,大量的非授权频段也给WLAN技术提供了巨大的发展空间。目前,IEEE已经启动了下一代WLAN标准“High-efficiency WLAN”的研究,将进一步提升运营商业务能力,推动WLAN技术与蜂窝网络融合。

此外,业界还应当特别关注可能出现的革命性5G技术。从蜂窝移动通信的演进路线来看,每一代演进都有革命性技术出现,从2G的GSM到3G的CDMA,再到4G的OFDM,那么,5G是否会出现新一代的革命性技术,而这种革命性技术是否需要与LTE演进采用不同的技术路线,进而产生新一代的空中接口技术,将成为我们重点关注的内容。

关键技术研究方向初步确定

传统移动通信的更新换代都是以无线传输技术的演进为主,但是,为了满足面向2020年及未来的5G业务应用需求,需要在无线传输、无线组网和新型网络架构等多个层面进行创新。目前,业界已经开始针对5G需求在无线传输技术上提出了一些重要的研究方向。

为满足面向2020年及未来的5G业务速率需求,需要采用更先进的无线传输技术,目前,业界提出的潜在无线传输技术主要包括大规模天线阵列、超密集组网、非正交传输和全双工等。

多天线技术作为提升系统频谱效率的最有效手段之一,一直以来都是3GPP标准化的重要研究内容。当前,3GPP R12正在对3D MIMO开展技术研究和标准化工作。有源、三维、大规模天线阵列将是未来多天线技术的发展方向,利用大规模天线阵列可以获得巨大的阵列增益和干扰抑制增益,通过波束赋形可以有效改善覆盖,降低干扰,提升系统的频谱效率。

超密集组网是满足未来5G系统容量需求的最主要手段,同时,随着组网密集的增加,小区间距的减小,小区间干扰也将越来越严重,用户在移动过程中切换也将更加频繁。小区间干扰管理与抑制技术、控制面与用户面分离等都是超密集网络部署需要解决的关键技术问题。

非正交传输技术不同于传统的正交传输,在发送端采用非正交发送,主动引入干扰信息,在接收端通过串行干扰消除技术实现正确解调。与正交传输相比,接收机复杂度有所提升,但可以获得更高的频谱效率。非正交传输的基本思想是利用复杂的接收机设计来换取更高的频谱效率,随着芯片处理能力的增强,非正交传输技术在实际系统中的应用成为可能。

全双工技术是未来有可能改变移动通信传统工作模式的革命性技术方向。在相同的时频资源上,全双工收发信机同时进行收发,接收机利用干扰消除技术,消除来自发送天线的自干扰信号,实现同时同频全双工通信。相对于传统的TDD/FDD双工模式,系统可用频谱资源提升1倍,更重要的是,全双工技术突破了FDD和TDD的频谱资源使用限制,可以更加灵活地使用频谱资源。多天线干扰消除以及全双工组网是全双工技术在实际系统中应用需要重点研究的问题。

结 语:

移动互联网和物联网的蓬勃发展,对新一代移动通信系统提出了更高的要求,高容量、低时延、高智能和低能耗将成为未来5G的发展目标。目前,业界已经纷纷启动了对5G技术的研究,为满足面向2020年及未来的5G需求,需要在无线传输、无线组网和新型网络架构等多个层面实现创新,异构、融合、协作、开放将是未来移动通信网络的新的发展方向。

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