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doi:10.3969/j.issn.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(201403-0235-06TechnologiesandFutureDevelopmentTrendof5GMobileCommunicationSystemDONGAi-xian,WANGXue-jun(Unit91635ofPLA,Beijing102249,ChinaAbstract:Thefifth-generation(5Gmobilecommunicationtechnology,asthenextgenerationwirelessmo⁃bilecommunicationtechnologyfollowingthe4Gcommunication,isnowintensivelyresearchedanddevel⁃oped,thustomeettherapidpopularizationofintelligentterminalsandthefastdevelopmentofmobileinter⁃net,andfurthermore,tomeettheinformationrequirementofhumansocietyafter2020.Thebasicconcep⁃tion,applicationprospectsandperformanceof5Garedescribedfirstlyinthispaper.Then,thekeytech⁃nologiesof5Gareillustratedemphatically,suchashighfrequencytransmission,multi-antennatransmis⁃sion,point-to-pointcommunicationanddensenetworks.Finally,thechallengesfacedinthedevelopmentof5Garediscussedindetail.Keywords:5G;mobilecommunication;networkarchitecture;datathroughput;peakvelocity0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㊂5G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㊂15G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3GPP㊁WiMAX等移动通信论坛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㊃532㊃第47卷第3期2014年3月通信技术CommunicationsTechnologyVol.47No.3Mar.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AfifOsseriran指出[2],5G是通过现有无线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㊂5G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2~6GHz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续发展的方式完成㊂5G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3G㊁4G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2015~2016年间在ITU-RWRC-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]:一是超高速传输,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㊂25G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[5]㊂2.1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㊂2.2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500~1000亿部(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/km2㊂2.3峰值速率至少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/s㊂㊃632㊃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/s㊂2.5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,要求进一步降低用户时延和控制时延,相对于4G网络要缩短5~10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㊂2.6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5~10倍的提升,解决大流量带来的频谱资源短缺问题㊂2.7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㊂35G关键技术目前,关于5G的关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]:一是5G无线网络构架与关键技术㊂5G的核心技术是异构网的融合,相较于之前的3G㊁4G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㊂5G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(SmallCell的优化技术等㊂三是5G移动通信系统总体技术㊂5G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: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[5,7]㊂3.1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26.5~300GHz,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㊂3.2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