5G系统技术标准与进展



5G系统技术标准与进展

闫丽生

（中国人民解放军61932部队，北京 100088）

摘 要本文首先介绍了5G技术的需求背景，详细论述了全球(包括欧盟、中国、韩国等)各组织的5G活动。阐述了5G技术的标准化组织及相关进展，针对目前最有希望的5G技术进行了深入的分析和探讨，指出了技术的优势和应用场景，同时提出了近期技术难点和后续研究方向。

关键词5G；60GHz；D2D；大规模MIMO；异构网

随着移动互联网的高速发展和新的终端形态的演进，新型的业务形态出现，包括智能家庭、智能城市、远程医疗、环保监测等，数据业务的需求呈现爆炸式的增长趋势，年增长率在80%～150%之间，由此推算，10年将达到1 000倍。现有的4G技术已经无法满足如此庞大的数据业务传输需求，因此5G技术的研究和开发被通信人提上了议程。

1　全球主要的5G活动

世界各国相关组织都在积极的研发5G技术，其中比较重要的5G活动有METIS、5G PPP、IMT-2020、5G Forum和NGMN。

1.1 METIS

METIS (Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty (2020)Information Society)是欧盟第七框架计划中的一部分，投资总计达2 700万欧元，第一阶段计划运行30个月。项目研究组由爱立信、法国电信等通信设备商和运营商、宝马集团以及欧洲部分学术机构共29个成员组成。研究目标是为建立下一代（5G）移动和无线通信系统奠定基础，为未来的移动通信和无线技术在需求、特性和指标上达成共识，取得在概念、雏形、关键技术组成上的统一意见。

其技术目标是通过移动无线通信系统构建互联互通的信息社会，主要的愿景如图1所示。

图1　METIS主要愿景

1.2 5G PPP

欧盟为维持其在移动通信方面的领先优势（欧洲ETSI是3GPP的主导）率先在其Horizon 2020计划中成立了5G PPP（Public Private Partnership）(5G政府民间合作计划)。5G PPP由政府出资管理项目吸引民间企业和组织参加，计划在2014～2020年期间投资7亿欧元，拉动5～10倍企业投资，其机制类似我国的重大科技专项。5G PPP计划发展800个成员，包括ICT的各个领域：无线/光通信、物联网、IT(虚拟化、SDN、云计算、大数据)、软件、安全、终端和智能卡等。

1.3 IMT-2020

IMT-2020推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。

其愿景为信息随心至，万物触手及。如图2所示，我国提出的5G需求共包括6大技术指标和3大效率指标。

1.4 5G Forum和NGMN

5G Forum是韩国发起的5G组织，成员涵盖政府、产业、运营商和高校。主要愿景是引领和推进全球5G技术。

NGMN在2006年正式在英国成立有限公司，他的主导发起人是由7大运营商发起的，包括中国移动、DoCoMo、沃达丰、Orange、Sprint、KPN，他是希望通过市场发起技术的要求，不管是下一步设备的开发，以及实施等都希望以市场为导向推行。

2　5G的标准化进程

与4G技术类似，5G相关的标准化组织有两个：ITU和3GPP。其中ITU是联合国的一个重要专门机构，其下又分电信标准化部门（ITU-T）、无线电通信部门（ITU-R）和电信发展部门（ITU-D）3个部门，每个部门下设多个研究组，每个研究组下设多个工作组。5G的相关标准化工作是在ITU-R WP5D下进行的。而3GPP是一个产业联盟，其目标是根据ITU的相关需求，制定更加详细的技术规范与产业标准，规范产业的行为。

ITU-R WP5D是专门研究和制定移动通信标准IMT（包括IMT-2000和IMT-Advanced）的组织。ITU-R WP5D下设3个常设工作组和1个特设组，3个常设工作组分别是总体工作组、频谱工作组、技术工作组，特设组为工作计划特设组。

ITU-R WP5D日前已经确定了5G的时间表，如图3所示，基本上可以划分为3个阶段。

第一个阶段截止到2015年底，重点是完成5G宏观描述，包括5G的愿景，5G的技术趋势和ITU的相关决议，并在2015年世界无线电大会上获得必要的频率资源。

第二个阶段是2016～2017年底，为技术准备阶段。ITU主要完成技术要求，技术评估方法和提交候选技术所需要的模板等内容。最后正式向全世界发出征集5G候选技术的通函。

第三个阶段是收集候选技术的阶段。从2017年底开始，各个国家和国际组织就可以向ITU提交候选技术。ITU将组织对收到的候选技术进行技术评估，组织技术讨论，并力争在世界范围内达成一致。

2020年底，ITU将发布正式的5G标准。故此，5G也应该被称为IMT-2020。

不同国家、地区、公司在ITU-R WP5D#19会议上提出了5G的需求，经过多方讨论，目前5G愿景已经大体成型。确定了8个5G关键能力并初步讨论了取值范围。

图2　IMT-2020愿景

在ITU的框架下，3GPP将在Release 14中开始研究5G。目前，3GPP制定的5G研究项目共有6项：5G的目标；用户体验质量；业务支持能力；成本、运营和能源效率；自适应成本，按需容量分配；下一步计划。

全球各公司和运营商都在积极的探讨5G技术。

3　全球主流的5G研究现状

目前5G最终采用的关键技术还尚不明确，但是有一些技术热点一直被业界看好，也是业界正在努力探索的目标，随着这些技术的发展和成熟，5G技术也会随之出现。本文将介绍6大关键技术，包括高频段通信、多天线传输、全双工技术、非正交传输、D2D通信、超密集组网等。

3.1 高频段通信

目前，移动通信工作频段主要集中在3 GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，为了寻找更丰富的频谱资源，人们开始向高频段(如厘米波、毫米波频段)进军。

60 GHz早期用于军方卫星间保密通信，由于其频谱非常高，频带宽广，因此在短距离应用时，抗干扰强，安全性高。2001年美国FCC开放57～64 GHz免费频段商用，之后全球积极响应，目前全球共有4个频段，9 GHz的可用资源，如图4所示。

分析60 GHz频段，优劣势一目了然，优势：有史以来全球统一的最大的免费带宽； 信道干净，抗干扰强，频谱复用度高；天线和设备小型化、较高的天线增益。

同时，其劣势也是不容忽视的：最大工作距离不超过10 m；其绕射、折射能力差，受天气影响大，不能穿墙，只适合同房间内传输；毫米波芯片设计挑战巨大；量产后封装及测试仍不完善。

60 GHz的使用必须在特定的场景下，需要配合其它的通信技术共同使用，如何为其寻找最适合的搭档和土壤，是相关工作者亟待解决的问题。

3.2 多天线传输

MIMO技术将传统的时域、频域、码域三维扩展为了时域、频域、码域、空域四维，新增纬度极大的提高了数据传输速率。随着天线能力和芯片处理能力的增强，目前，MIMO技术从2×2MIMO发展成了8×8MIMO，从单用户MIMO发展成了多用户MIMO和协作MIMO。目前MIMO技术的新进展包括3个方面：从无源到有源，从二维(2D)到三维(3D)，从高阶MIMO到大规模阵列。

有源天线系统（AAS）在天线系统中集成射频电路功能，从而提高能量效率，降低系统的功耗；提高波束赋行能力，进一步提高系统的容量性能；降低站址维护和租赁费用。

图3　ITU-R 5G时间表

3D MIMO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。

大规模阵列MIMO提供了更强的定向能力和赋形能力，天线的方向示意图如图5所示。

多维度的海量MIMO技术，将显著提高频谱效率，降低发射功率，实现绿色节能，提升覆盖能力，而如今大规模MIMO仍旧面临一些问题，如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、天线的规模尺寸、实际工程安装和使用场景等问题，这些问题的探讨和成果会成为未来5G的重要发展方向。

3.3 同时同频全双工

同时同频全双工技术是指在相同的频谱上，通信的双方同时发送和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可以提高空口频谱效率1倍。

全双工技术能够突破传统FDD和TDD方式的频谱资源使用限制。然而，全双工意味着干扰的产生，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。在多天线及组网场景下，全双工技术的应用难度更大。

3.4 非正交传输

为了进一步提高频谱效率，继OFDM的正交多址技术之后，学术界提出了非正交多址技术（NOMA）。非正交多址技术的基本思想是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删除（SIC）接收机实现正确解调。然而，采用SIC技术的接收机在复杂度有一定的提高，因此，NOMA的本质可以说是用提高接收机的复杂度来换取频谱效率。

3.5 终端之间直接通信（D2D）

传统的蜂窝通信系统的组网方式是以基站为中心实现小区覆盖，而基站之间通过有线技术连接到核心网，所有的通信必须通过核心网进行数据交换。随着无线多媒体业务不断增多，传统的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。D2D技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式，D2D通信的示意图如图6所示。由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗;通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用;支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。

图4　全球60GHz频段

图5　大规模阵列MIMO方向图

目前，D2D采用广播、多播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。然而D2D通信仍有一些问题尚不明朗，需要业界继续思考和探索，包括如下。

（1）运营商的商业模式：如何合理地对终端直通进行收费；如何有效控制网络质量；如何合法监听，保障信息安全。

（2）终端用户的消费心理：如何保证自身的隐私；如何激励用户做中继终端使用。

（3）与已有技术的差异化：与Wi-Fi Direct、Bluetooth和一些集群业务的差异化如何体现。

（4）终端的能耗问题：海量数据中继和传输的过程中电池电源的消耗情况。

3.6 异构网络超密集组网

传统的网络结构为同构网络，使用相同的无线传输制式，使用统一的基站类型和网络拓扑结构规则，提供相同的覆盖，提供相似的业务和服务。随着用户的数量增多以及带宽需求激增这种网络将会面临瓶颈。更高的容量和覆盖需求，促使网络从水平的蜂窝结构网络向立体分层的异构网络转变。异构网络主要是指在宏蜂窝覆盖小区中放置低功率节点(LPN，Lower Power Node)，如微蜂窝（Micro Cell）、皮蜂窝（Pico Cell）、飞蜂窝（Femto Cell）、Relay等，由不同类型、不同大小的小区构成“多样化的设备形态、差异化的覆盖方案、多频段组网方式”的分层立体网络。引入异构网络的主要目的是增强覆盖（补盲）、增加网络容量（补热）、实现话务分担与均衡。

异构网络已经有较好的产业基础，一些理念和简单的异构网络也已经在现网中部署，效果显著。然而，愈发密集的网络部署和愈发复杂的网络拓扑，将带来干扰问题，小区间干扰会成为制约系统容量增长的主要因素，极大降低了网络能效。干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前异构网络方面的研究热点。

图6　D2D通信示意图

Technical standard of 5G system and development

YAN Li-sheng

(Unit 61932 of the PLA, Beijing 100088, China)

Abstract This paper first introduces the background and the demand of 5G technology. Secondly it discusses in detail the activities of the global 5G organization, including the EU, China, Korea etc. Then it elaborates the organization for standardization of 5G technology and the related progress, finally analyses and discusses the thorough of the most promising 5G technology, points out advantages and application scenario, and put forward the follow-up study.

Keywords 5G; 60GHz; D2D; massive MIMO; heterogeneous network

收稿日期：2015-02-18

文章编号1008-5599（2015）04-0033-05

文献标识码A

中图分类号TN929.5