什么是5G?5G的關(guān)鍵技術(shù)有哪些?5G的主要應(yīng)用場(chǎng)景又是什么?
盡管5G已經(jīng)成為ICT領(lǐng)域的熱點(diǎn)名詞，但是圍繞5G的一連串疑問仍亟待解答。當(dāng)前，隨著4G進(jìn)入規(guī)模商用階段，面向2020年及未來的第五代移動(dòng)通信(5G)已成為全球研發(fā)的熱點(diǎn)。確定統(tǒng)一的5G概念，制定全球統(tǒng)一的5G標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為業(yè)界的共同呼聲。為了促使全球業(yè)界在5G概念與關(guān)鍵技術(shù)方面盡快達(dá)成共識(shí)，不久前，中國(guó)的IMT-2020(5G)推進(jìn)組發(fā)布了5G概念白皮書。白皮書從5G愿景與需求出發(fā)，分析歸納了5G主要技術(shù)場(chǎng)景、關(guān)鍵挑戰(zhàn)和適用關(guān)鍵技術(shù)，提取了關(guān)鍵能力與核心技術(shù)特征形成了5G概念。同時(shí)，還在此基礎(chǔ)上結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)提出了5G適合的技術(shù)路線。
什么是5G
5G概念圖
什么是5G?相信很多人看到5G這個(gè)名詞時(shí)都會(huì)有如此疑問。從字義上看，5G指的是第五代移動(dòng)通信。然而，5G究竟應(yīng)該如何定義?目前，全球業(yè)界對(duì)于5G的概念尚未達(dá)成一致。中國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組發(fā)布的5G概念白皮書認(rèn)為，綜合5G關(guān)鍵能力與核心技術(shù)，5G概念可由“標(biāo)志性能力指標(biāo)”和“一組關(guān)鍵技術(shù)”來共同定義。其中，標(biāo)志性能力指標(biāo)為“Gbps用戶體驗(yàn)速率”，一組關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
回顧移動(dòng)通信的發(fā)展歷程，每一代移動(dòng)通信系統(tǒng)都可以通過標(biāo)志性能力指標(biāo)和核心關(guān)鍵技術(shù)來定義。其中，1G采用頻分多址(FDMA)，只能提供模擬語(yǔ)音業(yè)務(wù);2G主要采用時(shí)分多址(TDMA)，可提供數(shù)字語(yǔ)音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);3G以碼分多址(CDMA)為技術(shù)特征，用戶峰值速率達(dá)到2Mbps至數(shù)十Mbps，可以支持多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);4G以正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)為核心，用戶峰值速率可達(dá)100Mbps~1Gbps，能夠支持各種移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
5G關(guān)鍵能力比前幾代移動(dòng)通信更加豐富，用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、峰值速率和移動(dòng)性等都將成為5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)。然而，與以往只強(qiáng)調(diào)峰值速率的情況不同，業(yè)界普遍認(rèn)為用戶體驗(yàn)速率是5G最重要的性能指標(biāo)，它真正體現(xiàn)了用戶可獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)速率，也是與用戶感受最密切的性能指標(biāo)?；?G主要場(chǎng)景的技術(shù)需求，5G用戶體驗(yàn)速率應(yīng)達(dá)到Gbps量級(jí)。
面對(duì)多樣化場(chǎng)景的極端差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術(shù)為基礎(chǔ)形成針對(duì)所有場(chǎng)景的解決方案。此外，當(dāng)前無線技術(shù)創(chuàng)新也呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢(shì)，除了新型多址技術(shù)之外，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等也被認(rèn)為是5G主要技術(shù)方向，均能夠在5G主要技術(shù)場(chǎng)景中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
四大技術(shù)場(chǎng)景
5G主要技術(shù)場(chǎng)景與關(guān)鍵性能挑戰(zhàn)
5G是面向2020年及未來的移動(dòng)通信技術(shù)，5G究竟將滿足人們?cè)鯓拥膽?yīng)用需求?暢想未來，5G會(huì)擁有哪些主要技術(shù)場(chǎng)景?5G概念白皮書指出，連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠，是5G的四大主要技術(shù)場(chǎng)景。
面向2020年及未來，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將成為移動(dòng)通信發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。5G將滿足人們?cè)诰幼?、工作、休閑和交通等領(lǐng)域的多樣化業(yè)務(wù)需求，即便在密集住宅區(qū)、辦公室、體育場(chǎng)、露天集會(huì)、地鐵、快速路、高鐵和廣域覆蓋等具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動(dòng)性特征的場(chǎng)景，也可以為用戶提供超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務(wù)體驗(yàn)。與此同時(shí)，5G還將滲透到物聯(lián)網(wǎng)及各種行業(yè)領(lǐng)域，與工業(yè)設(shè)施、醫(yī)療儀器、交通工具等深度融合，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。
5G將解決多樣化應(yīng)用場(chǎng)景下差異化性能指標(biāo)帶來的挑戰(zhàn)，不同應(yīng)用場(chǎng)景面臨的性能挑戰(zhàn)有所不同，用戶的體驗(yàn)速率、流量密度、時(shí)延、能效和連接數(shù)都可能成為不同場(chǎng)景的挑戰(zhàn)性指標(biāo)。從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用場(chǎng)景、業(yè)務(wù)需求及挑戰(zhàn)出發(fā)，可歸納出連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠四個(gè)5G主要技術(shù)場(chǎng)景。
具體而言，連續(xù)廣域覆蓋和熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景主要滿足2020年及未來的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，也是傳統(tǒng)的4G主要技術(shù)場(chǎng)景。低功耗大連接和低時(shí)延高可靠場(chǎng)景主要面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，是5G新拓展的場(chǎng)景，重點(diǎn)解決傳統(tǒng)移動(dòng)通信無法很好地支持物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用的問題。
連續(xù)廣域覆蓋——這是移動(dòng)通信最基本的覆蓋方式，以保證用戶的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性為目標(biāo)，為用戶提供無縫的高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)。該場(chǎng)景的主要挑戰(zhàn)在于隨時(shí)隨地(包括小區(qū)邊緣、高速移動(dòng)等惡劣環(huán)境)為用戶提供100Mbps以上的用戶體驗(yàn)速率。
熱點(diǎn)高容量——主要面向局部熱點(diǎn)區(qū)域，為用戶提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足網(wǎng)絡(luò)極高的流量密度需求。1Gbps用戶體驗(yàn)速率、數(shù)十Gbps峰值速率和數(shù)十Tbps/km2的流量密度需求是該場(chǎng)景面臨的主要挑戰(zhàn)。
低功耗大連接——主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能農(nóng)業(yè)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景，具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點(diǎn)。這類終端分布范圍廣、數(shù)量眾多，不僅要求網(wǎng)絡(luò)具備超千億連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求，而且還要保證終端的超低功耗和超低成本。
低時(shí)延高可靠——主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求，這類應(yīng)用對(duì)時(shí)延和可靠性具有極高的指標(biāo)要求，需要為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。
兩條技術(shù)路線
5G工作計(jì)劃
從技術(shù)特征、標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度分析，白皮書認(rèn)為，5G存在新空口和4G演進(jìn)空口兩條技術(shù)路線。
新空口路線主要面向新場(chǎng)景和新頻段進(jìn)行全新的空口設(shè)計(jì)，不考慮與4G框架的兼容，通過新的技術(shù)方案設(shè)計(jì)和引入創(chuàng)新技術(shù)來滿足4G演進(jìn)路線無法滿足的業(yè)務(wù)需求及挑戰(zhàn), 特別是各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景及高頻段需求。
4G演進(jìn)路線通過在現(xiàn)有4G框架的基礎(chǔ)上引入增強(qiáng)型新技術(shù)，在保證兼容性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升，在一定程度上滿足5G場(chǎng)景與業(yè)務(wù)需求。
此外，無線局域網(wǎng)(WLAN)已成為移動(dòng)通信的重要補(bǔ)充，主要在熱點(diǎn)地區(qū)提供數(shù)據(jù)分流。下一代WLAN標(biāo)準(zhǔn)(802.11ax)制定工作已于2014年年初啟動(dòng)，預(yù)計(jì)將于2019年完成。面向2020年及未來，下一代WLAN將與5G深度融合，共同為用戶提供服務(wù)。
當(dāng)前，制定全球統(tǒng)一的5G標(biāo)準(zhǔn)已成為業(yè)界共同的呼聲，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)已啟動(dòng)了面向5G標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，并明確了IMT-2020(5G)工作計(jì)劃：2015年將完成IMT-2020國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)前期研究，2016年將開展5G技術(shù)性能需求和評(píng)估方法研究，2017年年底將啟動(dòng)5G候選方案征集，2020年年底完成標(biāo)準(zhǔn)制定。
3GPP作為國(guó)際移動(dòng)通信行業(yè)的主要標(biāo)準(zhǔn)組織，將承擔(dān)5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的制定工作。3GPP R14階段被認(rèn)為是啟動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)研究的最佳時(shí)機(jī)，R15階段可啟動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)工作項(xiàng)目，R16及以后將對(duì)5G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善增強(qiáng)。
一組關(guān)鍵技術(shù)
5G主要場(chǎng)景和適用技術(shù)
白皮書認(rèn)為，5G概念可由“標(biāo)志性能力指標(biāo)”和“一組關(guān)鍵技術(shù)”來共同定義。其中，“一組關(guān)鍵技術(shù)”包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
5G技術(shù)創(chuàng)新主要來源于無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩方面。在無線技術(shù)領(lǐng)域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入等技術(shù)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn);在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已取得廣泛共識(shí)。此外，基于濾波的正交頻分復(fù)用(F-OFDM)、濾波器組多載波(FBMC)、全雙工、靈活雙工、終端直通(D2D)、多元低密度奇偶檢驗(yàn)(Q-ary LDPC)碼、網(wǎng)絡(luò)編碼、極化碼等也被認(rèn)為是5G重要的潛在無線關(guān)鍵技術(shù)。
5G無線關(guān)鍵技術(shù)
大規(guī)模天線陣列在現(xiàn)有多天線的基礎(chǔ)上通過增加天線數(shù)可支持?jǐn)?shù)十個(gè)獨(dú)立的空間數(shù)據(jù)流，將數(shù)倍提升多用戶系統(tǒng)的頻譜效率，對(duì)滿足5G系統(tǒng)容量與速率需求起到重要的支撐作用。大規(guī)模天線陣列應(yīng)用于5G需解決信道測(cè)量與反饋、參考信號(hào)設(shè)計(jì)、天線陣列設(shè)計(jì)、低成本實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵問題。超密集組網(wǎng)通過增加基站部署密度，可實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用效率的巨大提升，但考慮到頻率干擾、站址資源和部署成本，超密集組網(wǎng)可在局部熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級(jí)的容量提升。干擾管理與抑制、小區(qū)虛擬化技術(shù)、接入與回傳聯(lián)合設(shè)計(jì)等是超密集組網(wǎng)的重要研究方向。
新型多址技術(shù)通過發(fā)送信號(hào)在空/時(shí)/頻/碼域的疊加傳輸來實(shí)現(xiàn)多種場(chǎng)景下系統(tǒng)頻譜效率和接入能力的顯著提升。此外，新型多址技術(shù)可實(shí)現(xiàn)免調(diào)度傳輸，將顯著降低信令開銷，縮短接入時(shí)延，節(jié)省終端功耗。目前業(yè)界提出的技術(shù)方案主要包括基于多維調(diào)制和稀疏碼擴(kuò)頻的稀疏碼分多址(SCMA)技術(shù)、基于復(fù)數(shù)多元碼及增強(qiáng)疊加編碼的多用戶共享接入(MUSA)技術(shù)、基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址(PDMA)技術(shù)以及基于功率疊加的非正交多址(NOMA)技術(shù)。
全頻譜接入通過有效利用各類移動(dòng)通信頻譜(包含高低頻段、授權(quán)與非授權(quán)頻譜、對(duì)稱與非對(duì)稱頻譜、連續(xù)與非連續(xù)頻譜等)資源來提升數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)容量。6GHz以下頻段因其較好的信道傳播特性可作為5G的優(yōu)選頻段，6GHz~100GHz高頻段具有更加豐富的空閑頻譜資源，可作為5G的輔助頻段。信道測(cè)量與建模、低頻和高頻統(tǒng)一設(shè)計(jì)、高頻接入回傳一體化以及高頻器件是全頻譜接入技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)。
5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)
未來的5G網(wǎng)絡(luò)將是基于SDN、NFV和云計(jì)算技術(shù)的更加靈活、智能、高效和開放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括接入云、控制云和轉(zhuǎn)發(fā)云三個(gè)域。接入云支持多種無線制式的接入，融合集中式和分布式兩種無線接入網(wǎng)架構(gòu)，適應(yīng)各種類型的回傳鏈路，實(shí)現(xiàn)更靈活的組網(wǎng)部署和更高效的無線資源管理。5G的網(wǎng)絡(luò)控制功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能將解耦，形成集中統(tǒng)一的控制云和靈活高效的轉(zhuǎn)發(fā)云?？刂圃茖?shí)現(xiàn)局部和全局的會(huì)話控制、移動(dòng)性管理與服務(wù)質(zhì)量保證，并構(gòu)建面向業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能力開放接口，從而滿足業(yè)務(wù)的差異化需求并提升業(yè)務(wù)的部署效率。轉(zhuǎn)發(fā)云基于通用的硬件平臺(tái)，在控制云高效的網(wǎng)絡(luò)控制和資源調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的高可靠、低時(shí)延、均負(fù)載的高效傳輸。
基于“三朵云”的新型5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向，但實(shí)際網(wǎng)絡(luò)發(fā)展在滿足未來新業(yè)務(wù)和新場(chǎng)景需求的同時(shí)，也要充分考慮現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)途徑。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展會(huì)存在局部變化到全網(wǎng)變革的中間階段，通信技術(shù)與IT技術(shù)的融合會(huì)從核心網(wǎng)向無線接入網(wǎng)逐步延伸，最終形成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的整體演變。
5G場(chǎng)景和關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)系
連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低時(shí)延高可靠和低功耗大連接四個(gè)5G典型技術(shù)場(chǎng)景具有不同的挑戰(zhàn)性指標(biāo)需求，在考慮不同技術(shù)共存可能性的前提下，需要合理選擇關(guān)鍵技術(shù)的組合來滿足這些需求。
在連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景，受限于站址和頻譜資源，為了滿足100Mbps用戶體驗(yàn)速率需求，除了需要盡可能多的低頻段資源外，還要大幅提升系統(tǒng)頻譜效率。大規(guī)模天線陣列是其中最主要的關(guān)鍵技術(shù)之一，新型多址技術(shù)可與大規(guī)模天線陣列相結(jié)合，進(jìn)一步提升系統(tǒng)頻譜效率和多用戶接入能力。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，綜合多種無線接入能力以及集中的網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同與QoS控制技術(shù)，為用戶提供穩(wěn)定的體驗(yàn)速率保證。
在熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景，極高的用戶體驗(yàn)速率和極高的流量密度是該場(chǎng)景面臨的主要挑戰(zhàn)，超密集組網(wǎng)能夠更有效地復(fù)用頻率資源，極大地提升單位面積內(nèi)的頻率復(fù)用效率;全頻譜接入能夠充分利用低頻和高頻的頻率資源，實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率;大規(guī)模天線、新型多址等技術(shù)與前兩種技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)頻譜效率的進(jìn)一步提升。
在低功耗大連接場(chǎng)景，海量的設(shè)備連接、超低的終端功耗與成本是該場(chǎng)景面臨的主要挑戰(zhàn)。新型多址技術(shù)通過多用戶信息的疊加傳輸可成倍提升系統(tǒng)的設(shè)備連接能力，還可通過免調(diào)度傳輸有效降低信令開銷和終端功耗;F-OFDM和FBMC等新型多載波技術(shù)在靈活使用碎片頻譜、支持窄帶和小數(shù)據(jù)包、降低功耗與成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。此外，終端直接通信(D2D)可避免基站與終端間的長(zhǎng)距離傳輸，可實(shí)現(xiàn)功耗的有效降低。
在低時(shí)延高可靠場(chǎng)景，應(yīng)盡可能降低空口傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延及重傳概率，以滿足極高的時(shí)延和可靠性要求。為此，需采用更短的幀結(jié)構(gòu)和更優(yōu)化的信令流程，引入支持免調(diào)度的新型多址和D2D等技術(shù)以減少信令交互和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，并運(yùn)用更先進(jìn)的調(diào)制編碼和重傳機(jī)制來提升傳輸可靠性。此外，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，控制云通過優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)靠近轉(zhuǎn)發(fā)云和接入云邊緣，可有效降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。
結(jié)語(yǔ)
面向2020年及未來的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，5G將重點(diǎn)支持連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠四個(gè)主要技術(shù)場(chǎng)景，將采用大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等核心技術(shù)，通過新空口和4G演進(jìn)兩條技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)Gbps用戶體驗(yàn)速率，并保證在多種場(chǎng)景下的一致性服務(wù)。
此次5G概念白皮書的發(fā)布，從概念、核心能力、技術(shù)特征等多個(gè)角度對(duì)5G進(jìn)行了定義和解讀。同時(shí)，這也是IMT-2020(5G)推進(jìn)組繼去年發(fā)布5G愿景與需求白皮書后的又一力作?？梢灶A(yù)見，未來，隨著中國(guó)政府更加重視5G發(fā)展且采取更加開放的姿態(tài)，在產(chǎn)業(yè)界的共同努力下，我國(guó)將在全球5G發(fā)展中扮演越來越重要的角色，全球5G產(chǎn)業(yè)也將在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下闊步前行。
下載文檔
