1.5　第五代移动通信技术的发展和关键技术

1.5.1　5G概述

如今的人类社会迈进了高效率的信息化时代，5G是面向未来移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，与4G相比，5G业务将更加多样化，可渗透到各行各业，实现真正的万物互联，下面通过几个场景说明5G的服务功能。

1. 在密集人群中的优质服务

当用户被密集人群包围时，就不能拥有良好的移动和无线互联网接入服务的用户体验。另外，由于高端设备的渗透率提高及移动计算等具有挑战性的服务，将使网络负载增加，这可能会进一步降低传统网络的用户体验。在5G网络中，尽管流量增加，或者在非常拥挤的地方，用户也能拥有优质的服务。

2. 最好的用户体验

此场景致力于为移动中的终端用户带来与静态用户（家里或办公室中的用户）类似的用户体验。无论在哪里或如何移动，如在火车、地铁或在高速公路行驶的汽车上，终端用户都可以享受可靠稳定的通信质量和极好的用户体验。此外，通过提供连接大量传感器的平台，5G将成为物联网的关键推动因素。

3. 无处不在的互联

当今，以人为中心的通信与机器型通信相辅相成，基本形成了一个人与人、物与物、人与物间完全互联的社会。大多数连接的机器型设备是尽可能简单的，如传感器和驱动器，其主要需求是低能耗和低成本。此场景解决了无处不在的机器型设备大规模部署的通信需求。

4. 超级实时可靠的连接

通信系统中的可靠性和延迟是考虑用户的需求而设计的。对于未来的无线通信系统，我们设想设计具有实时性的机对机（M2M）通信，实现用于交通安全、交通效率、智能电网、高效工业通信的新功能，这样的新应用需要更高的可靠性和更低的延迟。

据思科预测报告显示：到2021年，将近3/4连接到移动网络的设备将成为智能设备。从全球范围来看，到2021年，74.7%的移动设备将成为智能设备，高于2016年的36.7%，到2021年绝大多数移动数据流量（98%）将从这些智能设备中产生，高于2016年的89%。2016年，全球移动设备和连接数量从2015年的76亿个增长到80亿个，新增移动设备和连接数量超过4亿个。在全球范围内，到2021年，移动设备和连接将增长到16亿个，然而仅能支撑每秒百兆传输速率的4G通信很难满足未来移动通信的应用需求。因此，提升频谱效率和用户体验速率，增强移动性，接入海量设备和缩短时延等需求成为5G通信需要继续面对的挑战，同时还要满足物联网多样化的业务需求。

1.5.2　5G研究进展

5G的研究虽然取得了系列进展，但还需要在频谱效率、能效和成本效率上进一步优化，并且随着物联网、车联网及机器通信（MTC）的发展，5G通信要有1×106km2的连接密度、超高的流量密度、超高速的网络传输速度、毫秒时延和高速移动性能。无论从增强的移动宽带业务需要，海量机器类通信的人与物，还是从低时延高可靠的物与物的通信需求，都要求未来挖掘更多的频谱资源及更大带宽的频谱，特别是用户业务需求和应用的增长，以及设备连接数的百亿级需求对于无线新技术新频谱都提出了更高的要求。为实现这些目标及提升业务支撑能力，5G在无线传输技术方面都有了新的突破，并且进一步挖掘了提升频谱效率的技术，如先进的多址接入技术、大规模天线阵列、编码调制技术、基于滤波器组的多载波技术、全双工复用技术、毫米波技术等。

1.5.3　5G关键技术

1. 毫米波通信

5G通信必须支持海量通信，根据香农公式，增加带宽是增加容量和传输速率最直接的方法。毫米波通信的主要优势有：可用频带宽，可提供几十吉赫兹的带宽；波束集中，能大幅度提高能效；方向性好、受干扰影响小等。但同时也面临着诸多技术实现挑战，主要有如下几点：

（1）路径损耗大，不适合远程通信。

（2）受空气和雨水等的影响较大。

（3）绕射能力差，非视距（Non-Line of Sight，NLOS）通信受限。

（4）如何实现随机接入。

（5）硬件实现复杂度高。

2. 可见光通信

可见光通信（Visible Light Communication，VLC）也是5G移动通信中的一种频谱拓展技术，它可在5G中用于室内短距离通信、车联网通信、水下通信。可见光通信是利用发光二极管（Light Emitting Diode，LED）发出的可见光来进行通信的一种技术，通过对可见光的光强进行调制实现信号的传输。由于可见光通信技术可以兼顾通信与照明，且较传统无线通信系统具有体积、成本、安全性等优势，因此受到学术界的广泛关注。

可见光通信通过对LED的发光强度进行调制，通常是在一定直流偏置情况下叠加包含信号的交流调制成分，通过这种方式，可见光通信可以在兼顾照明的情况下进行信号传输和通信，具有非常广阔的发展前景。其具体的实现过程是：在发射端，对待发送的数据进行基带调制，得到发射基带信号；然后在LED驱动器上进行光强度调制（Intensity Modulation）并叠加直流偏置，形成发射光信号，进入空间传播；在接收端，一般采用直接检测（Direct Detect）方法，首先通过光电二极管对接收的光信号进行光电转换，得到电信号，再进行信号调理后送入解调器进行解调，得到接收数据。

由于可见光通信采用LED来调制和发送可见光，相比传统射频无线通信系统，其发射功率可以更低，设备也可以更小型化。与射频无线通信相比，它的主要优势如下。

（1）无电磁干扰。由于可见光通信采用光作为传播媒介，相当于将信号调制到光波频率上，因此与传统无线电系统之间不存在电磁干扰问题。

（2）节能环保。可见光通信无须上下变频器即可发送，将LED作为信号发射器，能有效降低通信设备的成本；同时，由于可见光通信系统还可满足照明的需求，因而有效地节约了通信系统的能耗。

（3）安全性高。首先，信号可以被不透明材料所阻隔，室内信息更难泄露到室外；其次，由于不使用射频频带，因此不会受到射频无线通信信号的干扰，可以在射频干扰很强的环境下进行通信。

（4）无须许可。由于可见光通信不使用射频通信频谱资源，因此无须申请无线电频谱许可证。目前，免授权的频谱资源（如2.4GHz频段）非常紧张，Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等无线通信协议普遍都使用免授权的频谱进行通信。可见光通信开发了新的可用频谱资源，能有效解决目前免授权频谱信道拥挤的问题。

目前，虽然可见光通信相对传统射频通信具有多种优势，但也有很多因素阻碍了可见光通信技术的发展。首先是数据双向传输的问题，目前采用的方案通常是使用两个独立的单向VLC通信链路构成双向数据传输链路，或者使用射频、红外线或其他发射机实现数据上行链路，这样增加了设备的复杂性，降低了VLC系统的实用性。其次是干扰问题，人工光源或自然光源会在VLC接收机处产生噪声（散弹噪声），降低通信信噪比，影响通信效果。其中，太阳光产生的噪声功率较大，但其参数通常固定；人工光源产生的噪声功率较小但参数不固定，通常较难滤除。再者是光的多径传输产生的码间干扰问题，即多径信道问题。正如其他无线通信技术一样，VLC系统最典型的应用特征便是信道的不确定性，因此，有效可靠的信道估计方法也是VLC需要发展的关键技术之一。这些问题促使相关研究人员不断研究和探索新方法，以使VLC技术更加成熟和实用。

3. 大规模MIMO技术

随着无线设备的增加和无线业务（如物联网和车联网等）的持续增长，为了适应时代的发展和满足未来通信的需求，商用5G通信需要实现无线设备连接数提高10～100倍，数据传输速率提高10～100倍，系统容量提高1000倍的目标。为了实现这个目标，5G通信采用多种新技术适应不同的应用场景。其中，由于大规模MIMO技术具有较高的频效和能效，以及链路稳定可靠等优势，已经成为5G通信的关键技术之一，近年来受到企业和学校的广泛关注。

MIMO技术演进是从3G开始的，在3G开始阶段的WCDMA HSPA标准下还只能采用SISO技术，其下行峰值速率为7.2Mb/s；到了3G的最后阶段，即WCDMA HSPA+标准阶段，系统就支持2×2的MIMO，其下行峰值速率为42Mb/s。在4G的初始阶段3GPP LTE标准时，系统由原来2×2的MIMO过渡到4×4的MIMO，其下行峰值速率可达100Mb/s；现在的3GPP LTE+标准，系统可支持8×8的MIMO，其下行峰值速率可达1Gb/s。5G基站使用大规模天线阵列（几十甚至上百根天线），也就是说，5G是真正意义上的大规模MIMO系统。所谓大规模天线，就是大量天线为相对少的用户提供同传服务，大规模MIMO系统的主要优势如下：

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

（2）上行和下行发射能量都将减少，发射能量仅为原来的（M为发射天线数）。

（3）用户间信道正交，干扰和噪声将被消除。

（4）信道的统计特性趋于稳定。

大规模MIMO系统同时也带来了4个挑战：

（1）如何在导频污染下进行信道状态的信息获取。

（2）如何在不同场景下进行信道测量与建模。

（3）如何设计低复杂度的发射机和接收机。

（4）如何设计低能耗的天线单元及阵列设计。

4. 新型传输波形技术——滤波器组多载波调制技术

学术界提出物理层滤波器组多载波调制技术（Filter-Bank Multi Carrier，FBMC）作为5G通信技术的调制技术之一，它用一组优化的滤波器组代替OFDM中的矩形窗函数，实现时频本地性，从而达到降低外带衰减的目的。它可以针对不同的信道环境，应用不同的滤波器组，来针对性地提高误码率性能；同时又不需要像OFDM那样引入CP循环前缀，可以大大提高频谱的利用率。FBMC因具有灵活的资源分配、高的频谱效率、较强的抗双选择性衰落的能力，较好地解决了高速率无线通信和复杂均衡接收技术之间的矛盾，很有可能在5G中成为替代OFDM的空中接口技术。但在FBMC系统中，符号是相互叠加的，相邻子信道之间不是正交的，需要引入偏移正交幅度调制（Offset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM）技术，以保证相邻子信道的数据正交。OQAM存在不能消除的虚数干扰，在多径信道下，特别是在大时延多径数目较多的情况下，各子信道相互干扰仍然严重，信道估计比较复杂，不能完全使用简单系统函数来补偿接收的数据。同时，结合Massive MIMO技术的FBMC系统的信道参数随天线数目的增加而成指数级增加，计算复杂度也相应地成指数级增加。为了提高信道估计的准确性，会使用大量训练序列或导频，这在一定程度上损耗了通信的频谱资源。由于使用了大规模天线技术，系统的频偏会影响估计精度，信道估计成了亟待解决的问题之一。

FBMC技术还存在信道估计难题。在5G通信技术中，为了提高传输速率，通信系统必须采用同时同频全双工技术。但是，目前全双工技术的效率受自身干扰的严重影响，特别是全双工技术使原来的信道发生了改变，干扰消除和干扰没有消除的信道特性差别很大。信道估计除了要保证传输质量，还要配合后续的多样化技术要求，信道估计过程需要估计更多参数，这更增加了信道估计的复杂性和难度。因此，研究基于FBMC技术的5G通信系统的信道估计机理和实现技术具有特别重要的科学意义和实际应用价值，有助于我国在5G通信的发展过程中引领世界。

5. 同时同频全双工技术

同时同频全双工技术是指发射机和接收机同时共享频带进行数据传输。它相比传统的频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种模式的效率提高1倍，因此已经成为5G通信的潜在技术之一。要想未来通信能够实现同时同频全双工技术，需要克服的主要困难就是干扰的消除，不仅需要解决时域上的干扰，还需要解决频域上的干扰。虽然国内外很多学者都在进行这一方面的研究，但是这个问题都没有得到很好的解决。

1.5.4　国内外5G研发现状

1. 国外5G发展现状

1）欧洲的5G发展现状

欧盟委员会副主席Andrus Ansip在2015年2月28日巴塞罗那世界移动通信大会上发表演讲时指出，下一代无线通信（5G）将“推动数字化革命”。他强调，网络速度加快、数据量增加和容量提升将改变人们的生活、工作、娱乐和沟通方式，以及从汽车到医疗等许多行业的现状。但这种新一代技术的发展需要数十亿欧元的投资，以及跨电信运营商、行业、成员国和第三方国家之间的共同努力。各地区应就标准达成一致，欧盟各国政府必须以协调的方式释放急需的频谱，而私营部门应携起手来，共同致力于5G技术的最终应用。Ansip要求业界更积极地参与这一过程，以便加快欧洲发布这些应用的速度。他要求各成员国协调频谱使用的经济条件，包括牌照的签发和有效期。他警告说：“另一种选择将使我们面临被快速连接时代遗弃的风险。”他呼吁各国和各地区共同努力，确立正确的标准。

2）美国的5G发展现状

2019年4月15日，美国总统特朗普在白宫发表关于美国5G部署的讲话，宣布了多项旨在刺激美国5G网络发展的举措。根据计划，美国政府和私营企业部门共计划在5G网络上投资2750亿美元（约合1.84万亿元人民币），创造300万个就业岗位，并为美国经济最终增加5000亿美元的效益。特朗普在讲话中宣称，美国已在全球5G竞赛中处于领先地位，对此，有资深电信从业人士表示，不像3G和4G时代，5G技术当前更呈现出百花齐放的状态，美国所称的领先地位并不明显。

美国联邦通信委员会在当天宣布，从2019年12月10日起，将推出“美国史上最大规模的频谱拍卖”，运营商可以竞标37GHz、39GHz和47GHz 3个新的高频段。该委员会自2018年11月起开始启动5G频谱拍卖，陆续发放5G牌照。在频谱拍卖后，获得牌照的运营商还需要建设大量新型基站，才能开始提供5G服务。在美国无线通信和互联网协会2019年4月初发布的一份报告中显示，美国在高频5G频谱方面领先，但中频频谱部署落后。高频段的特点是容量更高，但覆盖面较窄，主要适用于在城市热点地区部署；中频频谱兼具高容量和广覆盖的特点，对发展5G至关重要。

威瑞森（Verizon）的5G网络正在与大量合作伙伴合作，包括思科、爱立信、英特尔、LG、诺基亚、高通和三星。在2019年2月初的一次活动中，美国电话电报公司（AT&T）宣布在接下来的几个月中，将在奥斯汀和印第安纳波利斯两座城市率先启动“5G Evolution Markets”，并有望在2019年年底之前在部分地区达到1Gb/s。

在5G的应用领域，美国电信运营商的5G争夺大战已经开始，Verizon和AT&T已经推出了5G网络，第三大运营商T-Mobile和第四大运营商Sprint也有计划推出5G网络。AT&T于2018年12月宣布在美国12个城市试点5G网络，但该公司发送给部分用户手机的信号被标记为“5G E”信号，即所谓的“5G进化版”。因此AT&T被指责并非真正提供5G网络服务，相关服务仍在4G网络运行。T-Mobile和Sprint这两家运营商正在计划合并，成立新的运营商New T-Mobile，如果最终得到监管部门的许可，用户规模可能会超过AT&T，未来美国电信市场将形成三分天下的格局，如此，两家基站资源和频谱资源可以互补，有利于更快速建成密集的5G网络。

3）韩日的5G发展现状

韩国作为全球网速最快的国家早已开始部署千兆网络。当全球将5G商用时间定在2020年之时，韩国就宣布将提前在2018年实现5G商用，并在韩国平昌冬季奥运会上首次使用5G移动通信技术。2016年7月，韩国电信（KT）与美国运营商Verizon就5G网络建立全球标准和开发技术达成了一致，将就加快预计于2020年商用的5G技术的商业化与标准问题进行合作。2016年10月，韩国最大移动通信运营商SK Telecom宣布，他们将在韩国设立5G移动网络研究中心——5G Playground。在建立这个中心时，SKT与包括三星电子、诺基亚、英特尔、爱立信、Rhode & Schwartz在内的诸多科技巨头进行合作，他们表示2017年就能建成测试网络，他们因此可能成为世界上第一个5G运营商。

日本软银（Soft Bank）株式会社（简称“软银”）于2018年12月5日向相关媒体公开了28GHz频段的5G通信实测试验情况。软银表示，在首都中心区域开始28GHz的实测试验尚处于早期阶段，没有公布本次试验的具体数据，但提及为了确保稳定的通信，比特率上行、下行控制在1Gb/s以下，延迟在1～2s。该公司此前也在东京首都中心区域开展过5G的实测试验，但使用的是4.7GHz的较低频段，2018年11月14日软银取得在品川、芝大门、涩谷三处首都中心区域的28GHz试验许可，本次试验正是基于此项许可进行的。

日本总务省为5G准备了3.7GHz、4.5GHz、28GHz 3个频段，其中28GHz是频宽最大的频段，其直线性和高衰减的特性区别于以往的手机通信模式，需要相关技术的积累。软银表示将持续此类试验，积累28GHz的相关技术，面向商业应用做好准备。特别是对于难以覆盖的20层以上高楼，考虑通过灵活布局28GHz基站实现区域拓展。

NTT Docomo于2019年开始部分5G通信商业服务，为此将全面展开5G的实测。NTT Docomo计划与日本各地方政府、企业、大学合作，在全日本开展远程医疗、观光、办公自动化等领域的试验，希望可以发挥4G LTE模式100倍以上的高速通信性能，推出实用化服务，促进日本地方提高活力。

2．国内研发现状

韩国、日本、美国、欧盟等国家和地区都在加速研发和推广5G，竞争非常激烈。我国从政府到企业都非常重视移动通信的发展和投入。2005年10月，在国家发展和改革委员会、科学技术部、工业和信息化部的共同支持下，由国内外移动通信运营企业、设备制造企业、科研机构、高等院校等26家单位共同发起成立的未来移动通信论坛成为一个促进未来移动通信领域的技术交流与信息沟通，加强国际间技术研发与合作的非常重要的非营利性国际社团组织。该组织加强国与美国、欧盟、韩国、日本等国家和地区，以及与华为公司、中兴通讯、大唐电信、爱立信、诺基亚、高通、是德科技、上海无线通信研究中心等设备制造企业、测试厂商、科研机构的通力合作。2013年年初，该组织在前期合作基础上成立了MT2020 5G推进组，明确了5G发展愿景、业务、频谱与技术需求及发展方向，并利用国内外各方力量联合开发，为5G通信技术标准制定打下坚实基础。2019年11月，首届世界5G大会在北京举办，会议发布了具有国际影响力的《北京5G产业发展白皮书》。2016年11月，华为公司击败通信巨头美国高通，成为5G增强移动宽带场景的信道编码技术方案的制定者。2017年3月初，我国宣布建成全球最大的5G试验外场。

2016年1月13日，中国联通携手华为在上海完成了业界首个FDD制式Massive MIMO技术的外场验证，在20MHz频谱上，使用两天线接收终端，实现网络峰值速率697.3Mb/s，是传统LTE FDD的4.8倍。中国电信在南京市江北新区产业技术研创园成功建成4个5G基站，总投资超过3亿元，而未来这个区域的5G基站数目将达到600多个。此外，中国电信也明确，到2018年实施6GHz以下频段的5G规模技术试验和试商用试验。

5G标准的制定，目前看依然是中国、美国和欧盟实力最强的三方主导，韩国和日本两个国家的实力较弱只能选择跟随。欧盟已经确定爱立信继续担任新一期METIS-Ⅱ欧盟项目协调人，爱立信从WCDMA到LTE-FDD都在主导欧洲移动通信标准的制定，如今在5G标准制定方面成了各方实力争夺的局面。显而易见，谁在5G研究方面走得更快、更好，谁就能够在未来的市场竞争中占得先机。希望不久的将来中国在5G方面，能够取得长足发展，引领国际秩序，赢得更多商机。