[行业分析]5G移动通信系统发展综述

1  引言

随着通信技术和计算机技术的迅猛发展，各种新型应用(如虚拟现实、增强现实、人工智能、3D媒体、超高清视频等)不断涌现，使得无线网络所承载的数据量陡增。与此同时，移动网络已成为现代生活的必需，购物、娱乐、社交等等无一不需要移动网络。而现有移动通信系统(4G)难以满足这样的需求，亟需研发新一代移动通信系统(5G)。5G最显著的一个特征是空前的业务量、巨大的单位面积频谱效率(数百b/s/Hz/km2)、超高的单设备吞吐量(Gb/s量级)。据估计，到2021年每个月智能手机所产生的业务量将达到50拍它(1015)字节，而这是2016年全年的业务量[1]。

为了满足这样的要求，全球范围内关于未来移动通信系统的研究和开发如火如荼。2013年以来，包括欧盟5GPP/METIS、中国IMT-2020(5G)推进组、韩国5G论坛、日本ARIB在内的各个国家层面的5G研究机构和计划先后成立。2015年，国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)正式将5G命名为IMT-2020。图1给出了5G潜在的应用场景、关键能力及其与4G的对比[2]，从中我们注意到，5G不仅能支持当前系统所能支持的多种应用场景，还能支持很多新的应用场景，包括：增强型移动宽带(Enhanced Mobile BroadBand，eMBB)；大规模机器类通信(Massive Machine Type Communications，mMTC)；超可靠低延时通信(Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC)。

图1  5G应用场景，关键能力及其与4G的对比

人们期望5G能提供如下8个关键性能指标(Key Performance Indicators，KPIs)[3]：超过10Gb/s的峰值数据速率、100Mb/s的用户体验数据速率、3倍的频谱效率、10Mb/s/km2的单位面积业务能力、100倍的网络能量效率、1ms的空中延时、支持500km/h的移动速度、106/km2的连接密度(上文中的倍数提法是相对于4G系统而言的)。

2  标准化情况

标准化工作是5G发展过程中一个最为重要的环节，其组织形式是由国际电信联盟牵头，工业界、各个研究组织和运营商共同协作制定，最后提交至国际电信联盟，经国际电信联盟遴选确定后成为5G的国际标准。

2012年，国际电信联盟就开始了5G的标准化工作，其5G标准计划，大致可以分为3个阶段：第一阶段进行预标准化的研究，即通过用户需求的分析，获得未来网络技术的重点发展方向和基本架构；第二阶段是针对关键技术的研究以及相应的可行性评估，主要是分析特定场景下的网络运行情况是否达到预期效果；第三阶段是候选关键技术的遴选、验证和标准化工作。计划预计在2020年底完成标准的制定。

第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partner Project，3GPP)作为最重要的5G标准制定机构，也在2016年年初启动了5G的标准化工作。2016年6月，3GPP技术规范组(TSG#72)就Release 15的详细工作计划达成一致，该计划包括一系列中间任务和检查重点，以指导工作组正在进行的研究，同时明确了相关规范将于2018年6月确定。在讨论相关工作计划时，TSG#72强调了无线和协议两方面设计前向兼容性的重要性，因为这将直接影响到分步功能的导入和实现，对后续5G版本的发展和应用至关重要。在2017年3月召开的3GPP RAN第75次全体大会上，首个5G终端标准测试项目——5G新空口测试方法正式立项，同时大会还通过了5G加速的提案，这标志着5G标准化取得了实质性的进展，标准化时间节点也前移了半年。在这份提案里，3GPP将5G NR(新空口)非独立组网(选项3)特性提前至2017年12月完成，相比原计划提前半年，加速了5G新空口(NR)的标准化进程。此次3GPP正式通过的5G加速的提案以及即将完成的5G新空口标准，加速了相关产业的发展，使设备制造商、芯片商和终端厂商能够更早地开始开发，运营商能够更快地向客户提供标准化的5G服务。

2017年下半年，3GPP开始将其工作重心转移到Release 15的制定上，包括对新标准的制定和LTE-Advanced Pro的进一步完善；预计2018年9月完成Release 15的制定，2020年完成5G标准的制定工作。

3  若干关键技术

为了实现5G所设想的宏大目标，人们提出了毫米波通信、大规模MIMO、超密集网络、全双工通信、D2D通信等一系列关键技术，下面我们对这些技术逐一进行简要的介绍。

3.1  毫米波通信

如图2所示，毫米波波段具有大量的可用频率，而增加带宽是提高系统容量的一种最为直接的方法，因此，毫米波通信被视作实现10Gb/s峰值数据速率最为关键的技术。具体而言，香农容量公式表明系统容量与信道带宽呈线性关系，因此，增加带宽自然就可以提高系统容量。

图2  毫米波波段的频率利用情况

对毫米波的研究可以追溯到100多年前，而其在无线通信中的应用始于上个世纪80年代[4]。近年来，由于6GHz以下频带中的频谱资源日益紧张，而毫米波波段的频谱资源却比较丰富，人们对毫米波通信进行了大量研究，并且取得了不少研究成果。例如，工作于60GHz的IEEE 802.11ad技术已经实现。与此同时，更具挑战性的关于毫米波移动通信的研究开发也在进行中。三星在2013年最先实现了28GHz频率上1Gb/s的数据传输。谷歌也在毫米波通信上投入了很大的研发精力。威瑞森(Verizon)也已经向美国联邦通信委员会提交了申请，以进行28GHz和39GHz频率上的毫米波通信试验。诺基亚联合美国国家仪器公司(NI)在2015年4月利用他们的概念样机实现了73GHz频率上15Gb/s的数据传输。为了进一步推动毫米波移动通信的发展，欧盟启动了MiWEBA、MiWaves、mmMAGIC等研究计划。为了筹备2020年的奥运会，日本的都科摩(DOCOMO)和爱立信测试了室外15GHz频率上4.5Gb/s和室内70GHz频率上2Gb/s的数据传输。在毫米波通信的研发上，中国也不遑多让。中国科技部资助了多项毫米波移动通信方面的863项目；中国已能生产42-48GHz和60GHz频段上的射频芯片；华为和中国移动在2017年的世界移动通信大会(Mobile World Congress)上展示了Ka波段(26.5-40GHz)上20Gb/s的移动接入。

虽然毫米波通信有其显著的优点，并且业界在毫米波通信方面已经取得了不少可喜的研究成果，但毫米波通信因为其与生俱来的路径损耗、穿透损耗、功率消耗、窄波束宽度和旁瓣等问题，离真正的大规模商用仍有不少距离，还需要进行大量深入细致的研究。

3.2  大规模MIMO

收发两端同时采用多天线的MIMO技术从提出之初就被认为是提高频谱效率的一种有效手段。在多用户MIMO系统中，系统的频谱效率可以通过两种方式来提高：一个基站可以在相同的时频域内同时与多个用户设备进行通信；基站与每个用户设备之间都可以同时发送多个数据流。在多用户MIMO系统中，一个小区内数据流的总数受限于基站的天线数与所有用户设备天线数之和的较小者。

在人们研究多用户MIMO十余年之后，有学者提出了大规模MIMO的概念[5]。在大规模MIMO系统中，基站可以配置数十甚至数百根天线，这不仅使得小区内数据流的数量可以变得相当可观，还能简化信号处理，实现“信道硬化”(Channel Hardening)，从而可以消除小尺度衰落。此外，大规模MIMO由于具备较大的波束赋形增益，还能降低能量消耗。大规模MIMO对于分米波波段非常有利，对于毫米波波段则更为必要，因为毫米波波段的自由空间传播损耗非常严重，即便在100米的传输距离上也需要较高的阵列增益来获得足够的信噪比。

然而，大规模MIMO所采用的大量天线单元也带来了不少问题：一是大量的射频链路增加了实现成本和能量消耗；二是确定每个收发天线对之间的信道状态信息需要消耗大量的频谱资源。解决这两个问题的一种较为可行的方案是采用如图3(A全复杂度结构；B低复杂度结构；C虚拟扇区化结构)所示的混合波束赋形[6]，即在射频采用模拟波束赋形，同时在基带采用数字波束赋形，而基带和射频之间通过较少的上/下变频器相连。

图3  三种混合波束赋形结构框图

3.3  超密集网络

为了支持越来越多的用户和设备，一种自然而然的做法就是尽可能多地进行频率复用，亦即提高基站的密度，采用小蜂窝(Small Cells，SCs)的组网方式。实际上，从2G、3G一直到4G，我们一直在做缩小蜂窝的工作。但考虑到未来更为苛刻的用户需求，我们还需要进一步提高基站的密度，尤其是在市中心地区和室内环境。但是大规模的部署小蜂窝带来的一个必然问题就是其经济上的可行性。目前的小蜂窝方案主要依赖于分布式天线系统、非授权频段以及用户布设小基站等技术来降低布设成本。当然，我们也可以采用移动中继或者游牧基站等方式。

种种因素显示如图4所示的超密集网络是大势所趋，而这种趋势对于未来的网络运营影响深远。小区半径变小使得单位面积上同时服务的用户数减少，因而资源可以被较少的用户共享。此外，用户到接入点之间距离变短也使得出现阴影衰落的概率降低。这一因素在具有较大带宽的高端频谱电波传播中将产生重大的作用，高端频谱的自由空间传播损耗很大，这反而使得相邻小区和用户之间的干扰降低了，因而超密集网络最适合于采用高端频谱。另一方面，单一小区内用户数的减少会使得业务更多地以突发的形式呈现。因为时分双工(Time Division Duplexing，TDD)技术对动态业务的支持更好，5G系统中预计将会大规模采用。考虑到如上两个因素，未来5G系统中的资源分配将面临较大的挑战。另外，如何设计传输和接收方案以应对网络中的动态干扰也是一个重要的挑战[7]。超密集网络的另一个挑战在于其网络架构的异构性。可以预见的是5G系统不仅会引入新的接入技术，并且还会沿用3GPP的系统以及IEEE的一些技术，如此复杂的网络架构会给移动性管理带来很大的挑战，但机遇往往与挑战并存，未来的设备因而也可以按需选择特定的技术。如何高效地检测并利用这一异构环境将是超密集网络最为重要的挑战之一。

图4  超密集网络系统模型

3.4  全双工通信

为了满足日益增长的传输速率要求，频谱效率需要得到进一步的提升，然而，无线通信通常采用半双工通信，这就导致了频谱资源的浪费。全双工通信能够实现同一频带上的同时收发，因而可以提高频谱效率。图5描述了半双工和全双工的工作模式。

图5  半双工和全双工工作模式

全双工通信最大的优势就是其近乎两倍于半双工通信的信道容量。近年来，人们开展了一系列关于全双工通信理论和实现方面的研究，以定量分析全双工通信的性能优势[8]。这些研究表明虽然全双工通信会增加系统实现的复杂度，但其无论是在吞吐量方面还是中断概率方面均优于半双工通信。此外，全双工通信最新的研究进展使得其吞吐量和分集度也都得到了进一步的增加。如果能够容忍复杂信号处理所带来的硬件和软件复杂度问题，全双工通信的误比特率也能得到降低。并且，如果全双工设备具有足够大的缓存容量，系统的丢包率也可以降低。

当然，凡事有利必有弊，全双工通信由于设备接收信号和发送信号的功率悬殊，会受到严重的自干扰影响。如果自干扰严重到一定程度，全双工通信的容量甚至会不如半双工通信。学术界和工业界一致认为对于全双工通信而言，进行有效的自干扰抑制和抵消是非常必要的。除了上述的物理层问题，实现全双工通信也需要在MAC层进行更进一步的研究。实验表明，全双工方案的性能并不总是优于半双工方案，因此能在全双工和半双工之间切换，以自适应利用无线资源来最大化频谱效率的混合方案也许更为有效。

3.5  D2D通信

在过去的十年中，有两个因素使得移动数据需求的密度发生了显著的变化。一方面，智能手机的大量增加使得对移动多媒体业务的需求迅猛增长。另一方面，随着城市化进程的深入，越来越多的人到城市生活，这就大大增加了移动用户的密度并缩短了设备之间的距离，从而产生了新的通信机会。近年来，与蜂窝网络同频共存的D2D通信受到了广泛关注[9]。如图6所示，D2D通信让设备不用接入无线基础设施就可以直接通信。当然，这需要设备的密度足够大，并且允许时延可容忍的数据在设备之间进行多跳传输。D2D通信的潜在优势包括提高吞吐量、节约设备能耗、扩大覆盖和基站负荷卸载[10]。从移动运营商的角度来看，D2D通信在经济方面的吸引力是巨大的，因为这意味着运营商无需在网络硬件升级或者新的基站部署上投入就可以获得显著的容量和覆盖增益。

图6  D2D通信系统模型

然而，我们应该注意到，蜂窝网络并非第一个引入D2D通信的技术，事实上，产生动机大致相同的类似技术，例如IEEE802.11中的AD Hoc模式已经存在了几十年了，但从未成为主流。技术和非技术的因素，从运营商的支持到安全性的考虑，等等，都或多或少地阻碍了其大规模应用。因此，我们有两个重要的问题需要回答：一是将D2D引入蜂窝网络一定能获得成功吗？实际上蜂窝通信已经以基础设施为中心的模式成功运行数十年了，在这种模式中，用户发送数据给基站，基站再发送数据给用户，而非用户之间直接通信。我们是否应该放弃现有的可靠且经过检验的工作模式，转而寻求有一定性能改善，但面临较大技术挑战的D2D模式还需要进行深入研究。二是小蜂窝技术不是也可以获得跟D2D通信同样的效果吗？而且小蜂窝技术还保留了运营商熟悉的以基础设施为中心的模式。这是不是意味着我们可以直接采用小蜂窝技术，而放弃D2D？更为有趣的是，我们需要在小蜂窝和D2D之间二选一还是让二者共存？如果共存，我们需要付出怎样的复杂度和开销代价？

4  结束语

当前，全球范围内对5G的研发工作正如火如荼地进行，为了实现5G所设想的宏大目标，人们提出了毫米波通信、大规模MIMO等一系列关键技术，但这些技术是不是能真正地在5G系统中成功运用都还有待进一步的研究。

参考文献：

[1]Ericsson AB. Traffic exploration tool, interactive online tool. [Online]. Available: https://www.ericsson.com/TET/trafficView/loadBasicEditor.ericsson

[2]M. Xiao et al., “Millimeter wave communications for future mobile networks,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.35, no.9, pp.1909-1935, Sep.2017.

[3]J. G. Andrews et al., “What will 5G be?” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.32, no.6，pp.1065-1082, Jun.2014.

[4]R. E. Ziemer, “An overview of millimeter wave communications,” in Proceedings of European Microwave Conference, pp.3-8,1984.

[5]T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol.9, no.11, pp.3590-3600, Nov.2010.

[6]X. Zhang, A. Molisch, and S.-Y. Kung, “Variable-phase-shift-based RF-baseband Codesign for MIMO antenna selection,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol.53, no.11, pp.4091-4103, Nov.2005.

[7]B. Soret et al., “Interference coordination for dense wireless networks,” IEEE Communications Magazine, vol.53, no.1, pp.102-109, Jan.2015.

[8]T. Riihonen, S. Werner, and R. Wichman, “Optimized gain control for single-frequency relaying with loop interference,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol.8, no.6, pp.2801-2806, June 2009.

[9]L. Wei et al., “Enable device-to-device communications underlaying cellular networks: challenges and research aspects,” IEEE Communications Magazine, vol.52, no.6, pp.90-96, June 2014.

[10]Z. Zhou et al., “Energy efficiency and spectral efficiency tradeoff in device-to-device communications,” IEEE Wireless Communications Letters, vol.3, no.5, pp.485-488, July 2014.