5G移動通信技術現狀與趨勢

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5g是面向2020年之后產業發展的新一代移動通信系統。5G移動通信系統將具有超高的頻譜利用率和超低的功耗，傳輸速率和資源利用率等較4G移動通信提高一個量級，其無線覆蓋性能和用戶體驗將得到顯著提升。5G技術與其他通信技術相結合，構成的新一代移動信息網絡，將滿足未來10年移動互聯網流量增加1000倍的需求［1～5］。隨著5G移動通信系統應用領域的拓展，將提升海量傳感設備及機器與機器通信、高可靠低時延行業應用的支撐能力，5G將構成系統設計不可缺少的指標。未來5G系統具有網絡自感知智能化能力，實現網絡自我調整，靈活應對未來信息社會的快速變化。按照業界的共識，移動互聯網和物聯網是未來5G主要應用領域。5G典型場景涉及未來人們生活和工作等各種區域，特別是密集住宅區、辦公室、露天集會及交通等場景。這些應用場景具有超高流量和連接數密度以及超高移動性等特征，對未來5G能力構成了挑戰。

1世界發展現狀與趨勢

2016年初，國際標準化組織3GPP開始了面向5G的標準化研究;2017年12月，凍結了第一個支持非獨立組網的5G標準，即3GPPR15版本。5G應用包括增強移動寬帶、海量連接機器通信以及高可靠、低時延的物聯網應用等3個典型場景，并規定了包括頻譜效率、時間延遲、連接密度和峰值速率等在內的8個維度關鍵技術指標需求［6～9］。按照目前網絡通信技術發展趨勢，未來可能入選5G無線網絡的核心關鍵技術包括:大規模天線矩陣、密集型網絡以及毫米波接入。另外，網絡虛擬化以及網絡切片技術，也是具有廣泛應用前景的核心關鍵技術，在云計算平臺上，通過計算資源的調配與遷移，實現移動通信網絡資源的動態配置，滿足未來5G的應用場景。5G成為各國信息技術發展的戰略制高點［10～15］。中國IMT-2020(5G)推進組、歐盟5GPPP、日本5GMF、韓國5G論壇、美洲5GAmericas等組織先后成立，推進各國和地區的5G需求、技術和頻譜研究工作，各國和地區的5G相關組織相繼成立，推動了5G產業的快速發展。同時，中歐展開5G項目合作，IEEE也開始發力5G。2015年6月，國際電信聯盟ITU正式確定5G的時間表，針對5G發展愿景、應用需求、候選頻段、關鍵技術指標等深入進行了研討，達成了基本共識。世界無線電大會WRC15會議確定了可能用于5G的低頻段新頻率，并向WRC19推薦了高頻候選頻段。2015年底，3GPP啟動了5G標準化工作，由華為公司提出的極化碼技術，入選5G增強寬帶移動場景下的信道編碼技術標準。預計2018年年中提出支持獨立組網的5GR15標準，并在隨后的升級技術版本中逐步完善。計劃2019年底完成R16版本。2016年7月，VerizonV5G技術標準，FCC劃定相應5G頻譜，美國政府向5G投入4億美元資金。2016年初，韓國KT和SKTelecom、日本NTTDoCoMo以及美國Verizon宣布共同組成了一個全球5G試驗規范聯盟。Verizon于2016年7月宣布完成V5G無線標準的制定。同時，美國FCC全球首次劃定28GHz及以上約11GHz高頻段5G頻譜資源，美國政府宣布將投入4億美元支持5G技術研發和網絡測試，意欲在全球領先5G高頻段部署。2016年9月，日本運營商軟銀(SoftBank)和旗下的WirelessCityPlanning召開新聞會，宣布啟動面向下一代高速通信標準5G的項目，并在第一階段計劃商用可大幅擴展網絡容量的低頻MassiveMIMO技術。東京城區4個地點進行的實驗表明通信速度平均可以提升約6．7倍，且其展示使用的MassiveMIMO相關基站的供應商主要來自中國。2017年3月，歐盟公布了“5G行動計劃”具體測試計劃，并開始測試;2018年，開始預商用測試;2020年，各成員國將至少選一個城市開展5G服務;到2025年，各成員國將在城區和主要交通沿線開展5G服務。

2我國發展現狀與水平

在過去3個五年計劃中，我國在863計劃中相繼部署了3G、4G移動通信重大項目，推動了“新一代寬帶無線移動通信網”重大專項的組織實施，由此極大地提高了我國移動通信技術研發水平，促進了我國移動通信產業的跨越發展［16～18］。在無線組網新型構架基礎技術等方面，做出了一系列包括如CRAN、DAS等在內的、有重要國際影響的研究成果;我國提出的TD技術入選國際標準，移動通信市場份額和產業規模位居世界前列。“新一代寬帶無線移動通信網”重大專項開展了5G總體框架與無線新技術的研究，為我國5G關鍵技術的研究進行了布局。此外，973計劃也對移動網絡體系創新研究進行了部署。2013年初，在相關部門支持下，面向5G移動通信研究與發展的IMT-2020推進組正式成立，旨在統籌產學研用等多方力量，研究5G技術和產業發展方向，形成5G移動通信主要技術框架，為全面參與5G移動通信技術國際標準制定奠定了技術基礎［19～20］。2013年6月，863計劃部署了5G移動通信系統先期研究一期重大項目［21］，其總體目標是:面向2020年移動通信應用需求，研究5G網絡系統體系架構、無線組網和傳輸、新型天線與射頻以及新頻譜開發與利用等關鍵技術，完成原型系統設計，并開展無線傳輸技術試驗，支持業務總速率達10Gbps，空中接口頻譜效率和功率效率較4G提升10倍。主要研究任務包括:5G無線網絡構架、5G無線傳輸、5G總體架構以及5G評估與測試驗證等。項目突破了高密度、高通量、超蜂窩無線網絡技術，解決了超微小區網絡協同與干擾消除等問題，將單位面積系統容量提高25倍左右;解決了大規模天線高維度信道建模與估計等問題，將無線傳輸頻譜和功率效率提升一個量級;開展了高頻段等新型頻譜資源傳輸與組網技術研究，將移動通信系統總的可用頻譜資源擴展4倍左右。2016年，我國開始了5G技術測試和實驗。2016年9月，5G第一階段測試結果由中國IMT-2020(5G)推進組，包括華為、中興通訊、大唐電信、愛立信、諾基亞上海貝爾、英特爾和三星等廠商都參與了測試。第二階段的工作已于2017年底完成，主要開展了面向移動互聯網，低時延、高可靠和低功耗無線空口以及網絡技術方案的研發和試驗。2018年2月，華為在世界移動通信大會上，了全球首款商用的、基于3GPPR15標準的5G芯片。2018年4月，中國移動聯合中興通訊打通首個國內5G電話［22］，測試采用的5G基站、核心網以及測試終端等全部基于3GPPR15版本。

3進一步發展重點

5G移動通信技術研究開發已進入關鍵時期。盡管ITU已經明確了5G的關鍵技術指標，并給出了5G的商用化進程時間表，但5G發展仍然面臨較大的不確定性。首先，5G未來發展將沿著幾種完全不同的技術路線發展演進，其中高頻段發展路線尚不清晰。其次，5G移動通信系統需滿足多個維度的關鍵技術指標，以適應高速移動互聯網、大規模物與物互聯以及高可靠、低時延的應用需求，目前尚不存在完全滿足上述指標和應用需求且較為成熟的技術方案，5G技術發展與演進可能會進入一個“循序漸進、逐步到位”的發展進程。“新一代寬帶無線移動通信網”科技重大專項，已將5G列入“十三五”重點發展任務，擬通過“十三五”的組織實施，使我國5G的技術研發和產業化走在世界前列。我國5G移動通信研發已經具備了較為雄厚的技術與產業基礎，但相對發達國家，仍然存在明顯的技術短板，需要圍繞國家重大科技專項的實施統籌布局5G系統研發，并在“十三五”國家重點研發計劃相關科技重點專項中，重點部署5G以及后5G移動通信關鍵技術與系統研發，以增強我國應對5G技術未來發展不確定性的能力，具體如下:(1)強化毫米波及太赫茲等新型頻譜資源開發利用、基礎技術及關鍵器件的研發。我國在這一領域的研發基礎相對薄弱，尚未系統地掌握這一領域的關鍵技術與關鍵器件，勢必影響到我國5G移動通信產業的長遠發展。目前我國已初步掌握了單通道毫米波與太赫茲系統與器件技術，未來應重點攻克天線及射頻通道數達到數百至數千時的系統與終端設計技術、混合構架波束成形集成電路設計技術、一體化天線與射頻封裝技術、設計與加工工藝等關鍵技術，并針對毫米波與太赫茲頻段的有效利用，開展基礎理論和方法研究。(2)強化開放構架移動通信系統設計與關鍵技術研發。我國從事5G研發的核心企業主要來自傳統電信領域的設備制造企業和運營企業，尚不完全適應未來信息網絡不斷由封閉走向開放的發展進程。應借鑒美國NSF的5G發展思路，加強5G開放性新構架的研究，構建規模性、開放性、可重構的公共試驗平臺，鼓勵新技術在開放環境下快速發展。(3)強化無線通信技術與高速光通信、先進計算和大數據技術的深度交叉融合研究。無線通信技術發展已逐步趨于性能極限，未來發展正呈現高速光互聯、云計算、大數據、新型微電子與光電子器件、大規模射頻與天線技術密切結合與相互融合的特征，以應對互聯網絡業務爆炸式增長與多樣性發展的應用需求。應破除傳統學科條塊分割的限制，以系統應用為牽引，強化學科交叉融合研究。

4對策與建議

(1)堅持5G唯一標準。支持3GPP作為5G唯一標準。借鑒4G成功經驗，以“開放、融合”的心態參與全球競爭與合作，在標準化制定中盡可能達成一致意見。提升中國在3GPPNR標準化中的貢獻度，支持5G標準化中知識產權各方均衡。(2)明確5G高頻頻譜規劃。加快高頻段布局和規劃，推動中國與全球盡可能一致的高頻段劃分，促進中國政府高頻段發展的產業協調，加快高頻段試驗試點，降低V5G等高頻段標準發展帶來的產業和市場壓力。(3)加快5G低頻段產業化進程。盡早5G預商用頻段和開展網絡建設，推動與其他國家協調一致，規劃更多6GHz以下頻率用于5G，保證低頻段網絡發展的優先級，促進低頻段5G產業盡快成熟壯大。(4)彌補5G技術薄弱環節。針對高頻段器件、芯片以及相關測試測量等薄弱領域開展攻關，設立專項資金，盡快培育高頻段產業能力。(5)加強5G跨界融合。鼓勵和協調國內外產業界以及更多垂直行業盡早參與研發規劃，使5G的研發能與“互聯網+”“中國制造2025”有機銜接。(6)加強管理協調。借鑒美國開放性5G的發展經驗，改革國家項目管理，引入第三方管理模式。

作者:傅耀威 徐 泓 楊國威 孟憲佳 宋 陽 單位:科學技術部高技術中心