5G移动通信网络发展探究(二)

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5G移动通信网络发展探究（二）柳虔林

（云南省军区，昆明 650051）

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.01.008doi：

TN929.5 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2018）01-0030-05中图分类号：

（接2017年11月）

4.2 高频传输技术

前几代移动通信网络频段是在3GHz以内的微

波频段。随着用户激增，频谱资源紧张的矛盾日益突出。但在毫米波频段，带宽高达284.6GHz，是微波带宽的12倍，元器件的尺寸也会小很多，技术也日渐成熟，能更好地实现高速短距通信，满足5G传输速率和容量需求，因而毫米波通信被认为是5G网络物理层设计的关键技术之一。6GHz以下频段因其较好的信道传播特性，可作为5G的优选频段，6-100GHz高频段具有更加丰富的空闲频谱资源，可作为5G的辅助频段。业界探讨的频段包含较高的频段，如10GHz，28GHz，32GHz，43GHz，46-50GHz，56-76GHz以及81-86GHz[13,14]。尽管这些频段目前尚处于提议阶段，但已引起足够重视。信道测量与建模、低频和高频统一设计、高频接入回传一体化、毫米波前端天线一体化等是该项技术面临的主要挑战[4,10,11]。

入与回传联合设计等是密集网络技术的重要研究方向[8,11.12]。

4.4 新型网络架构技术

低成本、易维护、扁平化等技术难题，5G网络基于SDN、NFV、云计算及C-RAN（Cloud Radio Access Network）等先进技术，结合网络动态部署技术，准确感知各个相邻节点，完成选择网络、协调节点间距、实现网络业务等工序，为QoE（Quality of Experience）和QoS需求所带来的差异性提供优化举措，构建更加灵活、智能、高效、开放的，以用户为中心的新型网络[15]。5G网络架构包括接入云、控制云和转发云三个域。其中，接入云融合集中式和分布式两种无线接入网架构，支持多种无线制式的接入，适应各种类型的回传链路，实现灵活组网和资源高效管理；控制云实现局部和全局的会话控制、移动性管理和服务质量保证，并构建面向业务的网络能力开放接口，从而满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率；转发云基于通用的硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现海量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。业界研究内容包括基于“三朵云”的新型5G网络架构，网络切片（Network Slicing），C-RAN架构、功能以及基于C-RAN的更紧密协作的基站族、虚拟小区等[2,12]。

为满足高容量、大规模用户需求，解决低时延、

4.3 超密集网络技术

可以预见，5G网络和4G网络一样，主要是覆

盖陆地上人口密集地区。IMT-2020归纳了6大典型的超密集网络场景，即密集住宅区、密集商务区、公寓、购物中心及交通枢纽、大型活动场馆、地铁[10]。针对5G网络智能化、宽带化、多元化、综合化要求，需采用更加密集的高达200个以上扇区的方案，通过增加基站部署密度，实现频率复用效率提升，但考虑到频率干扰、站址资源、部署成本等问题，采用UDN超密集网络技术能够缩短节点与终端的距离，提升功率效率及频谱效率，进而提高系统容量，尤其是可在局部热点区域实现百倍量级的容量提升[10]

。相应地，干扰管理与抑制、小区虚拟化技术、接

4.5 调制编码技术

作为一种新的数字调制技术，基于滤波器组

的多载波（Filter Bank Multi-Carrier, FBMC）调制技术被认为是5G网络物理层设计的关键技术之一，其在灵活使用碎片频谱、支持窄带和小数

作者简介：柳虔林，男，1966年生，工学博士、高级工程师，研究方向为通信与信息系统。

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据包、引调制降低功耗与成本方面具有显著优势[7,14]颇受关注，（Index Modulation, IM）技术在业界也。索调制正交频分复用（Spatial Modulation, SM目前最具潜力的两种方案分别是空间Multiplexing with IM, OFDM-IM（Orthogonal Frequency Division

）和基于索引调制）[17]

是将一组数据映射为信号的星座图和发射天线的，其中SM序号两份组数据选择合适的调制方式和天线序号，信息，发送端通过空间调制映射，多天线将其发送出去；再通过为这载波传输择一部分激活的子载波携带数字调制信息进行传技术，它把SMOFDM-IM应用到多载波系统中，是一种新型的多选输，系统获得更高的速率和更好的误码性能。而激活子载波索引同样携带信息，这比信道编码标准热门候选技术的低密度奇偶校验码作为OFDM5G（化Low Density Parity Check Code, LDPC）域的，（Polar802.11ac现已扩展到多元域，）码各有其特点。和极作为信道编码标准。且取得了显著成果，LDPC初期是基于二元Polar码是一种在二进已被制离散无记忆信道中通信系统容量能够达到香农极限的编码方式，Polarization），当码长趋于无穷大时，其理论基础是信道极化会出现极化（Chanel 现象，的无噪信道，即多个独立的信道将等效为信道容量接近1信道，其余信道则趋于传输速率接近零全噪用无噪信道传输用户有用信息，Polar码的编码策略正是应用了这种现象，的信息或者不传信息。全噪信道传输约定利码具有较低的复杂度，在编译码的复杂度上，达到信道容量极限，实现起来较为简单，Polar有更好的频带利用率，但是使用多元LDPC的系统具并且能比Polar码更为出众[7,14,18]并且在中短码长上的表现也。

4.6 D2D通信技术

等要求，针对5G网络用户规模大、数据流量大、功耗低足要求。以传统基站模式为中心的组网技术难以满信设备到设备（Device to Device, D2D）通基站负载，技术可以完成终端设备的直接通信，从而降低耗的短距离传输服务，以此提供比基站转发更高速率、更低功量，能够改善现有网络的通信质提升用户体验的前景。提高频谱利用率，具有潜在的提高系统性能和源、D2D通过使用丰富的频谱资因子，高频谱效率和近距离低功率提供的高空间重用实现大容量、低成本的通信。采用D2D通信

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技术，的直接通信，在没有基站的情况下也能实现5G通信设备间能更好实现功耗的有效降低，避免了基站与终端间的长距离传输，络接入方式和网络连接性能。极大地提高了5G播、于组播、单播，未来还将研发其增强技术，目前D2D的方案有广网包括基发送功率控制技术、D2D的中继技术、资源分配技术等多天线技术、联合编码技术、[3,11,12]。

4.7 新型多址技术

叠加传输来实现多种场景下系统频谱效率和接入能新型多址技术通过发送信号在空/时/频/码域的力的显著提升令开销、，出的技术方案主要包括滤波正交频分复用缩短接入时延、还可实现免调度传输，节省终端功耗。将显著降低信目前业界提Orthogonal Frequency Division Multiplexing, （Filtered F-OFDM），循环前缀正交频分复用（Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing, CP-OFDM），通用滤波正交频分复用（Universal Filtered Orthogonal Frequency Multiplex, UF-OFDM），射束分割多址（Beam Division Multiple Access, BDMA），基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址技（Sparse Code Multiple Access, SCMA）共享接入术，基于复数多元码及增强叠术，（Multi-User Shared Access, MUSA加编码的多用户）技Division Multiple Access, PDMA基于非正交特征图样的图样分割多址）技术以及基于（Pattern 功率叠加的非正交多址Access, NOMA）技术，（这些技术可在相同带宽下提Nonorthogonal Multiple 高接入数量、同频全双工技术突破频谱效率和系统容量[3,14,16]。此外，同时双工）TDD（时分双工）、FDD（频分个方向的信号进行传输，方式的频谱资源使用限制，在相同信道上对两处通过抵消自身发射信号干扰，在通信双工节点的接收机另一节点的相同频信号率成倍提高[11]。

，该技术在理论上可使频谱效在发射信号时接收4.8 射频器件技术

础设施也会移到更高的频率以拓宽数据带宽，由于5G网络的高速率、低延迟、低能耗，其基

机、新的要求基站、从手[8]

测试、（。其中，封装等方面都对射频器件提出了

氮化镓（GaN）的电压；Direct BandgapGaN器件的功率密度和工作温度更高，）的半导体材料，是一种直接能隙能够耐受更高可

DIG用在高功率、迈向更高频率；高速的光电器件中，或以上的毫米波频率，GaN功率放大器已经能处理其工艺随着50GHzLTE频功率管以及手机中的用控阵器件多采用标准PAGaN是一种理想选择来制造基站使用的射[19]艺，CMOS工艺和硅锗（SiGe。）相材料可以把先进已在毫米波相控阵在一起，CMOS/主动天线中得以应用；工工艺和片上无源器件集成硅锗度，基站和通信设备高频性能功放设计与制造、并在成本与性能的平衡上做到更好。减小系统级芯片（SoC）的面积以提高集成目前，料工艺、技术等备受业界关注高频器件测试与封装、[13,19]。

波导腔内功率合成GaN5G材4.9 安全技术

5G时代，人们对于数据业务的需求呈现爆炸

式增长，感和机密信息通过无线信道传输，加之政府机构、行业部门和大量用户的敏而喻，其安全问题不言实施上的一个首要任务提供无与伦比的安全服务是[8]5G网络设计和在数据链路层或应用层上通过一定的密码算法对。传统的信息加密机制是信息流进行加密，法和密钥协商机制难以满足这种基于计算复杂度的加解密算于信号调制的方向调制技术因其无需考虑窃听者的5G通信安全要求。而基计算能力，实现信息安全传输，通过扰乱非期望方向上的信号星座图来重点。成为5G技术相结合，为此，业界将大规模系统安全技术的研究天线子集选择和混合阵的方向调制技术，在大规模天线阵的前提下，MIMO技术和方向调制采用基于强度密码算法对信息流进行加密，并辅以高移动支付、录、客户档案等方面安全保密金融数据、电子媒体、[20,21]电子标志、确保所有用户在。

医疗记4.10 智能化技术

型服务器组成的云计算平台，智能化技术是实现5G网络的关键技术。据交换功能的路由器与基站相连接的通过交换机网络及数在由大

其宏基站具有大数据存储功能和云计算功能，5G中心网络，要对时效性特强或特别大的数据进行处理时，当需交到云计算中心进行网络处理，可提频段、切换、不同连接方式和多样化天线。不同业务选取不同其中，线电网络智能配置、（Cooperative Cognitive Radio Network,

智能识别、智能组网、协作认知无自动模式Industry Observation

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CCRN）等是该项技术面临的主要挑战[2,3,8,14]。

5 5G在4G基础上创新发展

5G不仅仅是“比4G多1G”，而是在其基础上作更进一步、实验室，更深层次的创新和发展，其技术已走出发展新时代。悄然来到了人们身边，它将开辟移动通信明：国内外高新技术企业通过研发测试表具备商用条件，在产业链上游的统厂商以及下游终端应用企业也全面投入到并且蓄势待发。5G技术、系统设备等环节已经与此同时，芯片、系产业化进程中，5G的（关产业转型发展，Pre-commercial Trials并积极营造环境，）创造条件。为促进5G5G将带动相预商用新的商业模式、衍生出新的产业行业将拓展出新的应用领域、[22]。

催生出5.1 研发测试深层次推进

纷出台了战略规划，世界主要国家和地区高度重视5G的发展，纷

频谱规划来推动就已宣布用5G发展。部署一些重大项目，2012年，欧盟的发布一些5G PPP发，公司联合并计划于50002020万欧元促进年正式商用5G[3]。移动通信技术的研2013年，韩国三星关键技术并破解了5G论坛宣布：已经成功研发出有关5G的计划在验[5]的户外承载能力展开测试，。20152018年，年2日本的月在平昌冬奥会上开始4G有关于传输速率低下的难题，5G MF5G预商用试奥运会上提供营商也对5G商用服务[3]日本运营商将在也宣布开始正式对5G。2020年取得了预期结果5G网络进行了2013年，英国电信运[3]Verzion宣布其已成功做到了高达。2015100年米内的传送数据测试，9月，美国移动运营商3.7Gbps的数据传输速率，试商用，经过2016年的测试以及完善后，推出5G表的宽带无线接入技术也在向更大带宽、2017年开始5G商业运营[8]。以WLAN为代方向发展，于下一代更高速率深度融合，2014年初启动，WLAN预计将于（802.11ax2019年完成，）制定工作已经它将与5G持物联网应用的并且衍生出诸多新的应用方向，支持低时延大带宽的802.11ah服务[14]802.11ad、支持车联网的包括支等，共同为用户提供802.11p、心、。从3G研发时起，得“明天”胜券的理念，牢记使命，本着以充分准备好“后天”技术来赢我国科研人员就不忘初作，并在2012年启动。着手考虑2013年6月，5G相关技术研发工由工信部、发改

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委、（科技部联合推动、发起、组建的中国确指出我国5G）推进组发布的“IMT-2020构架关键技术、5G研发的重点主要分布在5G愿景与需求”白皮书中，明信系统总体技术和5G无线传输关键技术、5G5G无线网络移动通证技术5G移动通信技术评估与测试验的新型网络架构、4个部分，具体研究能够支持高速移动互联组网、高密度新型分布式协作与自组织重点突破大规模协作所涉及的技术瓶颈，异构系统无线资源联合调配等技术，目标为模协作配置情况下的无线传输、可配置射频等新型关键技术以及阵列天线及低功率研究大规求、展策略、商业发展模式、5G业务应用与需2016年1月，频谱需求与空中接口技术需求等用户体验模式、网络演进及发[6,10,22]我国全面启动了5G技术研发试验，分为。关键技术验证、个阶段推进实施。技术方案验证和系统方案验证三底，国际标准制定；为5G技术研发试验，其中，第一步是主要目标是参与支撑2016年到2018年产品研发实验，第二步是5G技术实验将迎来第三阶段，主要目标是开展2018年到将遵循5G2020预商用测试年底，为5G[12]5GITU在2018。年6月发布的国际标准，并基于面向商用的硬件平台，在预商用设备的单站、3.4-3.6GHz和4.8-5.0GHz络互操作以及系统、组网性能、两个频段上重点开展网络规划、新老网互联互通测试，使整个产业具务商用的能力。

芯片、仪表等产业链上下游的5.2 预商用条件正日趋成熟

业强是建设网络强国的重要基础。没有信息化就没有现代化；网络强、技术强、产术的更迭中，各个角色谁先占领了产业制高点，不管是2G，还是3G、4G在历代通信技，产业链里的角逐中就多了几分赢的胜算。谁在后期的市场网络的基础设施，5G被认为是未来关键向和制高点。要与各行各业深度融合，5G时代最大的特点是传统通信行业需已成为新一代信息技术的发展方域协同创新转变，从过去的单一领域向跨领同推动基础通信能力和行业市场发展围绕物联网、车联网等领域，[3,6,22]共年撑的各种行业应用令人啧啧称奇，9月中国国际信息通信展览会上，以5G技术为支。在2017到小型化和低成本这样一个接近于实用状态，系统设备已经达跑宣言。5G似乎成为此次参展国内外企业一致的主题和领令人振奋的是：从3G跟跑，到4G并跑，再到

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如今式，业从高原向高峰迈进的速度让世界瞠目和惊叹，使5G5G领跑，多项技术指标领跑世界，中国以“弯道超车”、“变道超车”的方

中国信息通信产计状态。2018年能与西方发达国家一样率先进入预商用预编码方案”及多项关键技术被采纳为在预商用准备进程中，华为公司主推的“信道准，5G国际核心标5G关键新空口技术，在中国5G试验第二阶段测试中率先集成了所有包括新波形技术、新型编码、新参数集、时还加入欧洲新帧结构、从标准到技术、5G大规模天线、新型多址等，同商用等端到端产业链的构建架构研究联盟，主导5G网络切片[6]国电信是术研究牵头与主要贡献单位，5G网络架构、密集组网等多项5G关键技。中3GPP中主导了移动大视频、多网融合等在国际通信标准组织6项与5G相关的成都、3GPP国际标准，标是结合积极推动网络技术与产业应用紧密结合，兰州、上海等六地首批开展下一步将在雄安、5G现场试验，苏州、深圳、目加强垂直行业创新应用合作研发[6]高、。中兴通讯携5G测试，低频系列产品，全面参与中国5G试验第二阶段备参与七大场景测试的厂家，率先完成高频测试，成为唯一提供全系列设景外场测试，并率先完成mMTC场5G端到端能力，还携手中国移动和日本运营商验证了实现了3.5GHz频段下100MHz带宽单终端下行峰值速率达到率达到需求、5Gb/s2Gb/s以上，小区峰值速国内外企业在技术、资金投入、以上测试[6]技术进步、。如今，产业融合等方面来看，从政策扶持、市场初步具备了5G预商用条件。

系统和终端设备等环节，已经5.3 应用领域进一步拓展

面临巨大的技术挑战，今天，“用一张网络满足所有需求”的夙愿仍将

通信基础理论与关键技术孕育突破，5G以及5G之后的未来移动通信频谱资源正日趋枯竭，传统无线移动见光等新的频谱资源迫在眉睫。开发毫米波、太赫兹、可能化迈出的第一步，信智能化将持续几十年或更长是智能移动通信的5G是移动通信智[2]能实现随时随地和全球朋友实现虚拟现实交流。。在V1.0R领域，，移动通5G过者、VR技术实现身临其境的信息交互，是游戏爱好通度、旅游爱好者以及社交达人的福音，应用成为可能，信息容量和网络覆盖，5G的传输速你可以和家人、使得VR同事进行高保真视

在各种场景中的DIGIndustry Observation

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频通话，驶领域，带宽和低时延足以保持汽车与控制中心、汽车安装了传感器和就像他们真的在你身边一样[4]5G通信模块，。在无人驾5G的高车之间的高速数据传输以及快速响应，汽车与汽智能化反应不仅可以提前获知前方道路的拥堵情自动驾驶的况，把刹车误差控制在路过的汽车都以相互通信来精确操控行驶，能碰撞，20厘米以内，以避免可能发生的休息，而驾驶者的双手被解放，汽车行业增添新的活力、这将给广大驾乘人员带来新的体验，可以在车上阅读或也将给车行业带来革命性变革[12]激发新的动力，还将给汽使“远在天涯的医生，。在远程医疗领域，5G可医生通过远程视频进行诊断和手术设备操控，近在咫尺的诊疗”成为可能。人们在世界的不同地方，此外，都可以得到及时诊疗即使[11]。域，5G与其它通信技术协同发展也在开拓新领信网发展的同时，如5G与光通信协同发展[23]展；也将促进，在促进高速光纤通导航的范围，5G与卫星导航技术融合发展5G无线网络的进一步发[24]，将极大地扩展相成，时效性，互相促进，提升导航的精度，不但能从根本上提高应急救援的使导航和通信相辅的经济增长。

而且还能促进“一带一路”沿线国家和地区6 结束语

展工作，纵观国内外关于5G移动通信网络的研究和发来的竞争市场中占得先机，2020年遍布全球已势在必行，而谁能在未通信走向。代化经济体系的战略支撑。创新是引领发展的第一动力，谁就能影响未来的移动我国只有通过创新驱动来提高核心竞争力，在推进5G发展进程中，是建设现得主动权，提供方案智慧。也才谈得上为世界各国5G和后5G才能赢发展顾产业链发展，4G，以5G为重点，未来几年，以运营商应用为龙头带动整个我国移动通信将转为兼围迈进。“提速降费”将会在更大程度和更大范批仁人志士力争用中国创新来点亮随着我国进入新时代、开启新征程，国家在5G一大此推动互联网、5G时代成为全球移动通信领域领跑者，屏幕，使我们以融合，户，带动相关产业发展并让发展成果惠及千家万大数据、人工智能和实体经济深度化强国提供坚强支撑和服务保障。为建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代■(全文完)

参考文献

[1] 尤肖虎．网络通信融合发展与技术革命[J]．中国科学：信息科学，

2017, 47(1):144-148.

[2] 李少谦．5G：智能移动通信1.0[J]．中兴通讯技术，2016,22(3):47-48.[3] Mansoor Shafi, Andreas F. Molisch, Peter J. Smith, etc. 5G: A Turtorial

Overview of Standards, Trials, Chanllenges, Development and Pratice[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2017, 35(6):1201-1221.

[4] 曾剑秋．5G移动通信技术发展与应用趋势[J]．电信工程技术与标准

化，2017,30(2):1-4.

[5] E. Ezhilarasan, M. Dinakaran. A Review on Mobile Technologies: 3G,

4G and 5G[A]. IEEE International Conference on Recent Trends and Challenges in Computational Models[C].Tamilnadu, India, Feb. 2017.[6] Lei Dong, Hongyi Zhao, Yan Chen, etc. Introduction on IMT-2020 5G Trials

in China[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2017, 35(8):,1849 -1866.

[7] Matthias Pätzold. 5G Developments Are in Full Swing[J]. IEEE Vehicular

Technology Magazine 2017, 12(2):4-12.

[8] 张平，陶运铮，张治．5G若干关键技术评述[J]．通信学报，

2016,37(7):15-29.

[9] IMT-2020.IMT-2020(5G) Promotion Group. http://www.IMT-2020.org.cn/.

2016.

[10] IMT-2020(5G)推进组．5G网络架构设计白皮书[R]．中国信息通信研

究院，2016.5.

[11] 尤肖虎，潘志文，高西奇．5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]．中国科学：信息科学，2014,44(5);551-563.

[12] 胡金泉．5G系统的关键技术及其国内外发展现状[J]．电信快报，

2017(1):10-14.

[13] Qingqing Wu, Geoffrey Ye Li, Wen Chen, etc. An Overview of Sustainable Green 5G Networks[J]. IEEE Wireless Communications, 2017, 24(4):72-80.[14] Naser Al-Falahy, Omar Y. Alani. Technologies for 5G Networks:

Challenges and Opportunities[J]. IT Professional, 2017, 19,(1):12-20.[15] Georgios Angelopoulos, Muriel Médard. Anantha P. Chandrakasan.

Harnessing Partial Packets in Wireless Networks: Throughput and Energy Benefits[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2017, 16(2):694-704.

[16] Sharayu Moharir, Subhashini Krishnasamy, Sanjay Shakkottai. Scheduling

in Densified Networks: Algorithms and Performance[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2017, 25(1):164-178.

[17] Ertugrul Basar. Index Modulation Techniques for 5G Wireless Networks[J].

IEEE Communications Magazine, 2016, 54(7):168-175.

[18] 白宝明，孙成，陈佩瑶等．信道编码技术新进展[J]．无线电通信技术

[J]，2016,42(6):1-8.

[19] 黄晓强，李涛．5G移动通信时代的半导体产业机会[J]．集成电路应

用，2016, 33(12):69-73.

[20] 吴敏，吴蒙．基于Massive MIMO的5G安全通信技术研究[J]．计算机

技术与发展，2017,27(4):130-135.

[21] Aiqing Zhang. Xiaodong Lin. Security-Aware and Privacy-Preserving D2D

Communications in 5G[J]. IEEE Network, 2017, 31(4):70-77.[22] 陈山枝．发展5G的分析与建议[J]．电信科学，2016，32(7):1-10.[23] 毛谦．光通信与5G协同发展将成业界热点[J]．通讯世界，2017(5):20-21.[24] 赵亚东，尉志青，冯志勇等．卫星导航与5G移动通信融合架构与关

键技术[J]．电信工程技术与标准化，2017,30(1):48-53.

2018.01

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