第5代移动通信技术及发展趋势解析

1、doi:10.3969/j.iss n.1002-0802.2014.03.001第5代移动通信技术及发展趋势董爱先，王学军(解放军91635部队，北京102249摘 要:第 5代移动通信技术(fifth-generation,5G是继4G之后，为了满足智能终 端的快速普及和移动互联网的高速发展而正在研发的下一代无线移动通信技术，是面向2020年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统 三首先介绍了 5G的概念 二应用展望及性能特征；然后重点阐述了 5G的关键技术，包括高频段传输技术二新 型多天线传输技术二设备间直接通信技术以及密集网络技术技术等；最后分析了发 展5G技术面临的挑战三关键词:第5

2、代 移动通信网络架构 数据流量 峰值速率中图分类号：TN91文献标志码:A文章编号:1002-0802(201403-0235-06Tech no logies and Future Developme nt Trend of5GMobile Communi cati on SystemDONG Ai-xia n,WANG Xue-ju n(Unit91635of PLA,Beijing102249,ChinaAbstract:The fifth-ge nerati on( 5Gmobile com muni cati on tech no logy,as the n ext gen erat

3、i on wireless m(? bile com muni cati on tech no logy followi ng the4G com muni cati on ,is now inten sively researched and deveioped,thus to meet the rapid popularizati on of in tellige nt term in als and the fast developme nt of mobile in te? n et,a nd furthermore,to meet the in formati on requirem

4、e nt of huma n society after2020.The basic con cep? ti on, applicati on prospects and performa nee of5G are described firstly in this paper.Then,the key tec? nologies of5G are illustrated emphatically,such as high freque ncy tran smissi on,m ulti-a ntenna tran smi? sio n,poi nt-to-poi nt com muni ca

5、tio n and dense networks.Finally,the challenges faced in the development of5G are discussed in detail.Key words:5G;mobile com muni cati on;n etwork architecture;data throughput;peak velocity0引言随着信息和网络技术的快速发展，无线移动通信网络的数据流量正以每年接近 100%的速度增长，预计未来10年,无线网络的数据流量将增加1000倍，联网设备将高达500亿台（部，新兴智能业务将层出不穷,迫切需要更加 高速

6、二更加高效二更加智能化的新一代无线移动通信技术来支撑三因此，在全球第4代移动通信（4G网络的部署方兴未艾之时，第5代移动通信技术（5G,fifth-generation 的研发已拉开大幕1,成为整个学术界和信息产业界最热门的课题之一，掀起全球移 动通信领域新一轮的技术竞争 三5G是继4G之后，为了满足智能终端的快速普及和 移动互联网的高速发展而正在研发的新一代移动通信技术，是面向2020年以后人类信息社会需求的第5代移动通信网络三1 5G概念及应用场景由于5G技术过于新颖，学术界和产业界还没有对其进行定义；相关诸如国际电 信联盟（ITU等国际通信标准机构及全球3GPP二WiMAX等移动通信论坛

7、也没有给 出正式的技术定义，使得5G技术至今还没有一个清晰的概念三目前,国内外专家学者沿用传统的对移动通信技术的划代方式，对5G进行初步定义三常见的说四532四第47卷第3期2014年3月通信技术Commu nicatio ns Tech nology Vol.47 No.3 Mar.2014法是,5G就是传输速率达到10Gb/s的下一代移动通信技术2,美国著名的 时代 杂志,在报道5G时也沿用这种说法三欧盟关于5G技术研发的 构建2020年信息社会的无线移动通信领域关键技 术”(METIS项目总体负责人，兼爱立信全球研究院大师级研究员 Afif Osseriran指出 2,5G是通过现有无线

8、技术演进和开发补充性的新技术来构建长期的网络社会；通过集成多种无线接入技术提供极限体验来满足用户不同的需求，是多种新型无线接 入技术和现有无线接入技术集成后的解决方案总称，是一个真正意义上的融合网络三5G是以用户体验为中心，而不是传统的以技术为中心的新型智能化自主网络三欧盟METIS项目描绘的5G目标是2,使数据流量增长1000倍;用户数据速率提升 100倍，速率提升至10Gb/s以上;入网设备数量增加100倍;低功率设备的电池续航时 间增加10倍;端到端时延缩短5倍三在频率分配上，从26GHz的频段中选取2G频 谱供5G使用，同时选择超高频段的频谱用于室内覆盖的场景；所有功能以低成本和 可持

9、续发展的方式完成 三5G关键目的是用来构建网络社会，除了要满足超高速的传 输需求外，还需要满足超高容量二超可靠性二随时随地接入等要求三韩国信息技术融合研究所认为，未来5G技术需同时达到 无线传输容量大二低 功率化二万物互联”等三大条件，并以此作为韩国5G技术发展的主要目标 三我国863计划5G专家组组长尤肖虎认为,5G应该具有超高的频谱利用率和超 低的功耗，将与3G二4G无线移动通信技术密切融合,构成新一代无所不在的移动信 息网络，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求三华为公司技术专家表示,5G是在4G技术的基础上，在吞吐率二时延二连接数量 二能耗等方面进一步提升通信系统的性能

10、三综合上述各方对5G的描述，笔者认为,5G应是一个继第4代移动通信技术之后 二面向2020年以后人类信息社会需求的新一代移动通信系统，是一个通过技术演进 和创新，综合集成多业务多技术的融合网络，能满足未来各种业务快速发展的需求，极 大地提升用户体验三目前,国际电信联盟（ITU下属的无线电通信部门正在起草关于 2020年移动通信 的愿景和技术两个文件，将对5G技术形成一个基本的全球共识 三业界预测,5G标准 化的正式进程将在20152016年间在ITU-R WRC-15上正式启动三根据METIS的研究,5G技术的未来应用场景主要有3: 是超高速传输，为未来 移动宽带用户提供超高速数据网络接入；二

11、是超大规模的用户，为人口高密度地区或 场合提供高质量移动宽带服务；三是永远在线，随时随地最佳应用，确保用户在移动状 态仍享有高品质服务；四是超可靠的实时连接，确保新应用和用户在时延和可靠性方 面符合安全标准；五是无处不在的物物通信，确保高效处理多样化的大规模设备通信， 包括机器类设备和传感器联接等 三在具体应用方面主要有4:机器间通信，如车联网, 对车辆自动定位 二导航，甚至有自动驾驶功能；人机交互类型，如自动生物识别二带传 感器的远程医疗；人与人交互类型，如高速多媒体通信，终端有投影功能，能显示3D图 像三2 5G技术特征对于5G的未来愿景和应用，学术界和产业界都进行了相关描述，从这些描述中

12、 可以总结出人们对未来5G的技术需求，相对于传统的移动通信网络,5G应具有如下 的基本特征三2.1数据流量增长1000倍业界预测10年后，全球移动数据流量将达到2010年的1000倍三因此,5G的单位面积的吞吐量能力，特别是忙时吞吐量能力也要求提升 1000倍，至少达到 100Gb/s/km2 以上2.2联网设备数目扩大100倍随着物联网和智能终端的快速发展，预计2020年后，联网的设备数目将达到 5001000亿部（个三未来的5G网络单位覆盖面积内支持的设备数目将大大增加,相对于目前的4G网络将增长100倍,一些特殊应用，单位面积内通过5G联网的设备数 目将达到100万/km2三2.3 峰值

13、速率至少10Gb/s面向2020年的5G网络,相对于4G网络的峰值速率，其峰值速率需要提升10倍, 即达到10Gb/s特殊场景下，用户的单链路速率要求达到10Gb/s三四632四 通信技术2014 年2.4用户可获得速率达到10Mb/s,特殊用户需求达到 100Mb/s未来5G网络,在绝大多数的条件下，任何用户一般都能够获得10Mb/s以上 的速率，对于诸如急救车内高清医疗图像传输服务等特殊需求用户和业务 ，获得速率 将高达100Mb/s三2.5时延短和可靠性高2020年的5G网络,要满足用户随时随地的在线体验服务，并满足诸如应急通信 二工业信息系统等更多高价值场景需求 三因此，要求进一步降低

14、用户时延和控制时 延,相对于4G网络要缩短510倍三对于关系人类生命 二重大财产安全的业务，端到 端服务可靠性需提升到99.999%以上三2.6频谱利用率高由于5G网络的用户规模大 二业务量大二流量高，对频率的需求量大，要通过演 进及频率倍增或压缩等创新技术的应用，提升频率利用率 三相对于4G网络,5G的平 均频谱效率需要510倍的提升，解决大流量带来的频谱资源短缺问题 三2.7网络耗能低绿色低碳二节省能源是未来通信技术的发展趋势，未来的5G网络,要利用端到 端的节能设计，使网络综合能耗效率提高1000倍,满足1000倍流量要求，但能耗与现 有网络相当的水平三3 5G关键技术目前，关于5G的关

15、键技术仍处于研究和发展阶段,但业界和学术界认为,5G的关 键技术应该包括如下几个方面6: 是5G无线网络构架与关键技术 三5G的核心技 术是异构网的融合，相较于之前的3G二4G移动通信技术，需要考虑的是多技术的融 合与多业务的应用 三因此,5G的网络构架更加复杂，需要对支持高速移动互联的新型 网络架构二高密度新型分布式协作与自组织组网二异构系统无线资源联合调配技术 等进行研究三二是5G无线传输关键技术 三5G融合了传统的移动通信技术，速率要 求达到10Gb/s以上三因此，要想在现有4G技术基础上提高速率，必须研发新型的无 线传输技术，尤其是需要突破大规模业务所涉及的技术瓶颈，包括大规模协作配置

16、情 况下的无线传输 二阵列天线二低功率可配置射频等新型关键技术 三另外，也要关注 新型信号处理技术，如:更先进的干扰消除信号处理技术；新型多载波技术；协同无线 通信技术，例如:小基站(Small Cell的优化技术等三三是5G移动通信系统总体技术 三5G网络的数据流 量大，有关5G业务应用技术二商业发展模式二用户体验模式二网络演进技术二空间 接口技术二面向5G频谱应用的信号传播技术 二测量与建模等技术也都是重要研究 方向三另外，新型多天线技术,例如:有源天线阵列二三维波束赋形二大规模天线等三 新的频谱使用方式，例如:TDD/ FDD的融合使用；实现频谱共享的认知无线电技术等 三高频段的使用例如

17、:6GHz以上高频段通信技术等，也要多加关注三四是5G移动 通信测试验证技术三通信技术进步和发展离不开通信测试技术进步,5G网络相对于4G而言，是一个新兴的技术，对其进行测试的参数二精度二方式等也都发生了变化三 因此,要研究5G移动通信网络的评估与测试技术，建立仿真测试评估平台和传输技 术仿真测试评估平台 三下面对业界目前十分关注的5G关键技术进行简要介绍5,73.1高频段传输技术目前的移动通信系统工作频段主要在 3GHz以下，随着用户的增加，使得频谱资 源十分拥挤，而在高频段，如毫米波频率范围为26.5300GHz,带宽高达273.5GHz,超 过从直流到微波全部带宽的10倍三与微波相比毫米

18、波元器件的尺寸要小得多，毫米 波系统更容易小型化，可以实现极高速短距离通信，支持5G容量和传输速率等方面 的需求三韩国在28GHz频段利用64根天线，采用自适应波束赋形技术，在2公里的 距离内实现了 1Gb/s的峰值下载速率三3.2新型多天线传输技术多天线技术经历了从无源到有源，从二维（2D到三维（3D,从高阶多输入多输出 （MIMO到大规模阵列的发展，能将频谱利用率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术 重要的研究方向之一三引入有源天线阵列，基站可支持128个协作天线三将2D天线 阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO技术,支持多用户波束智能赋型， 减少用户间干扰，加上毫米波技术优势

19、，将进一步改善无线信号的覆盖性能三目前研 究人员正在针对大规模天线信道测量与建模 二阵列设计与校准二导频信道二用户空 分多址（SDMA二码本及反馈机制等技术问题进行四732四第47卷董爱先，王学军:第5代移动通信技术及发展趋势第3期研究，实现绿色节能和提升覆盖能力三3.3同时同频全双工技术同时同频全双工技术被认为一项有效提高频谱效率的技术，该技术是在同一个 物理信道上实现两个方向信号的传输，即通过在通信双工节点的接收机处消除自身 发射机信号的干扰，在发射机信号同时，接收来自另一节点的同频信号 三对比传统的 时分双工（TDD和频分双工（FDD而言,同时同频全双工可以将频谱效率提高一倍 三 同时,

20、全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制，使得频谱资源的 使用更加灵活三因此，该技术可有效解决5G对频谱的需求三然而，全双工技术需要 具备极高的干扰消除能力，这对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时，还存在着邻小 区同频干扰问题三3.4设备间直接通信技术（D2D传统的移动通信系统组网方式，是以基站为中心实现小区覆盖,中继站及基站不 能移动，网络结构的灵活度有限制 三未来5G网络，数据流量大，用户规模大，传统的以 基站为中心的业务组网方式，无法满足业务需求 三D2D直接通信技术能够在没有基 站的中转下，实现通信设备之间的直接通信，拓展了网络连接和接入方式 三D2D技术 是短距离直接通

21、信，信道质量高，具有较高的数据速率二较低的时延和较低的功耗；通 过广泛分布的终端设备，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 三目前,D2D正在发展更强的中继技 术二多天线技术和联合编码技术等，提高通信效率和质量，将是5G采用的关键技术 之一三3.5密集网络技术5G是一个多元化 二宽带化二综合化二智能化的网络，数据流量将是4G的1000 倍三要实现这个目标有两种技术：一是在宏基站处部署大规模天线来获取更高的室 外空间增益，二是部署更多的密集网络来满足室内和室外的数据需求 三针对未来5G 网络的数据业务将主要分布在室内和热点地区，并且,

22、在相对等的条件下，密集网络提 升的信噪比增益不低于大规模天线带来的信噪比增益的特点，人们将超密集网络做 为提高数据流量的关键技术进行研究三超密集网络缩短发送端和接收端的物理距离 从而提升终端用户的性能，改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并能对业务进行分流 具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用三未来，面向高频段大宽带，将采用更加 密集的网络方案，部署高达100个以上小小区/扇区三3.6新型网络架构技术为了满足未来大规模 二高容量的业务需求，未来的5G网络架构将具有扁平化 低时延二低成本二易维护特点三目前的业界主要集中在C-RAN和云架构的研究C-RAN是根据现有网络条件和技术进步的趋势，提出的

23、新型无线接入网构架，是 基于集中化处理（Centralized Processing协作式无线电（Collabora? tive Radio和实时 云计算构架（Real-time Cloud In? frastructure的绿色无线接入网构架（Clean system三 其本质是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节 点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入 系统三C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗,提升频谱效率，同时 便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护,减少运营支出, 能满足未来5G

24、网络的需求三另外，基于云计算大规模协作的无线网络架构也是 5G网络的架构选项7三云 架构无线接入网络利用光纤分配网络连接云机房的基带处理单元 （BBU和室外的远 端射频头（RRH,可以通过BBU云”方式减少基站机房数量，减少设备特别是空调的能 耗;减少小区覆盖以及大规模天线协作，大幅提高射频功率效率；网络动态资源协同调 度避免负载时段潮汐效应造成的大量发射功率浪费；集中化大规模协作，变小区间干 扰为增益,大幅度提高频谱效率；软件定义无线电技术灵活支持多标准，降低运营成本3.7智能化技术5G的中心网络将是一个大型服务器组成的云计算平台，通过具有数据交换功能 的路由器及交换机网络与基站相连，宏基站

25、具有云计算和大数据存储功能，特别大或 时效性强的数据将提交云计算中心网络处理，基站或终端的形态 二数量多，不同的业 务采用不同的频段，天线和连接方式多样 三因此，需要具有智能配置 二智能识别二自 动模式切换的功能，实现智能自主组网，未来，智能化技术将是5G四832四 通信技术2014 年网络的关键技术之一三4 5G技术面临的问题全面满足2020年及以后信息社会对无线移动通信系统的需求 ，5G网络的发展 面临着频率二运营和技术上的挑战 三目前，在技术上还需要解决如下的问题：技术与 系统融合二频谱效率和容量提升二物联网和业务灵活性二降低网络能耗二终端设备 二产业生态这6个方面3三4.1技术与系统融

26、合问题随着芯片技术的更新换代和智能终端的快速发展，无线移动通信业务和技术不 断拓展和相互融合三未来的5G网络将是一个集成多业务二多技术的融合网络，是- 个多层次覆盖的通信系统 三要将多种接入技术 二多种业务网络以及多层次覆盖的系 统进行综合集成 二有机融合，高效利用等，就目前技术而言，还有许多需要解决的问题4.2频谱效率和容量问题要实现5G网络数据流量大 二用户规模大二数据速率高二永远在线的需求目标， 必须研发扩展频率二提高容量和空间效率二提升系统覆盖层次和站点密度等各种通 信技术三例如，超密集网络技术 二多天线技术和多址技术 二多输入多输出（MIMO空 间传输技术等新型通信技术，将成为未来5

27、G技术的重要研究方向 三新型传输技术的 启用和组网方式的创新，将增加设备的复杂度和研发成本，对网络建设和运营维护带 来重大挑战三4.3物联网和业务灵活性问题物联网是一个基于互联网二传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址 的普通物理对象实现互联互通的网络，实现万物互联将是物联网的发展目标，未来5G 技术将与物联网相互渗透，为人类提供更加广泛的智能服务三但物联网的应用还面临着系统容量二服务质量（QoS二传输瓶颈二安全隐患等挑战三5G的用户应用更加 广泛，业务范围和业务灵活性也将极大提升三在信息速率上，5G既要满足几十个小时 甚至更长时间才突发一些小数据包的抄表业务，也要满足3D全息实时会议宽

28、带业务 三在延迟上，既要满足对延迟不敏感的下载，也要满足延迟5ms以下的即时控制业务 三就应用上，既要满足静止和低速需求，也要满足高铁二航空器等的高速和超高速应 用三因此，要想制定统一的通信协议，满足业务灵活性，还面临诸多挑战三4.4网络能耗与成本降低问题5G目标是提供1000倍数据流量，并且运营成本和用户成本不能增加，这就意味 网络总体能耗和整体成本基本不能提升 三因此,5G网络的端到端比特能耗效率就要 提升1000倍，并且降低单位比特开销1000倍,这对网络架构二空间传输二内容分发 二交换路由二网络管理和优化等技术带来挑战 三4.5终端设备问题5G是一个多技术的集成网络,融合了目前2G二3

29、G二4G的技术，并将启用和开 发多种新兴技术 三5G终端设备将支持510个甚至更多不同的无线通信技术，并且 要支持1Gb/s以上空间速率，待机时间达到现有的45倍三因此，要实现低成本多模 终端的研发，对终端设备的芯片和工艺二射频技术以及器件二电池寿命等技术研发 带来了挑战三4.6产业生态问题传统的3G二4G通信系统是以网络运营商和技术为主体，未来5G网络是以用户 体验和业务应用为主体，当前的网络架构二管控理念并不适用未来5G的产业生态结 构和潜在的新兴运营模式 三因此，需要发展诸如软件定义网络（SDN新技术来满足未 来业务应用需求，解决产业生态结构问题三5 5G发展趋势当前，全球关于5G的技术

30、研究，还处于早期阶段，将来还要经过技术研究二标准 化二外场试验等阶段，并最终实现商用部署三不过,尽管对于5G概念和技术仍在探 讨,但对于5G标准融合的大方向，现在学术界和产业界基本形成了共识 三在2G二3G 时代,不同的通信协议标准之间存在较大的差异三而在4G时代,TD-LTE和LTE-FDD在核心网方面已拥有95%的相似性,在无线传输方面也有90%的相似性三面向 2020年的5G时代,在频谱的使用上将更加高效和灵活，核心技术和系统架构将进一 步融合，全球共用一套通信标准将成为5G技术的发展趋势三6结语总之,5G是面向2020年信息社会需求的新一四932四第47卷董爱先，王学军:第5代移动通信

31、技术及发展趋势第3期www. txjszz. com 通信技术2014 年 muni cati on System J .Telecom muni catio ns Scien ce, SHEN Jie. Prospect of the Fifth-Ge neratio n Mobile Com- 着信息和网络技术的快速发展,5G的关键技术将取 得实质性的突破,具有更广阔的 应用前景，全面提升全球信息化程度和经济发展 三参考文献：1 王鹏.4G未来 5G 已来:传输速率较 4G 高百倍网络容 http: / / tech. ifeng. com / telecom / detail _ 201

32、3 _ 05 / 22 / WANG Pe ng. 4G Not Comi ng but 5G Comi ng: Tran smis量高千倍EB / OL . (2013 - 05 - 22 2014 - 02 - 20.技术进行广泛探讨，尽管尚未形成统一的标准, 但随代移动通信系统,学术界和产业界正在对其概念和5 王军选.未来移动通信 系统及其关键技术J.通信技 WANG Jun-xuan. Future Mobile Communication System gy, 2009, 42(9 :142-147术,2009,42(09 :142-147. 2013,29(09 : 98-101.

33、 and Its Key Technologies J . Communications Technolo6 董禾U,陈金鹰，刘世林，等.第 五代移动通信初探J . DONG Li, CHEN Jin-ying, LIU Shi-lin, et al. Prelimi 通信与 信息技术,2013,5(05 :53-55. 25570093_0. shtml. 2014-02-20 . http: / / tech. ifeng. com / telecom / detail 2李明.5G演进路标初定：预计2020年实现商用速率高http: / /www. c114. net / news /

34、16 / a767949. html.于 10Gbit / s EB / OL . (2013-05-222014-02-20 . _2013_05 / 22 / 25570093_0. shtml. Thousa nds Times of 4G EB / OL . (2013 - 05 - 22 sion Speed Is Hun dred Times and Network Cap acity Is 7 Sap a na Sin gh, PratapS in gh. Key Con cepts and Network 53-55. Communi cati on & In formatio n Technology,2013,5 (06 , nary of the Fifth Generation Mobile Communications J. 2012,1(05 :165-170. Journal of Scie ntific Rese