5g通信調(diào)研報告

1、5G通信調(diào)研報告研究背景我國信息化建設(shè)及兩化深度融合工作正在日益推進(jìn)。2015 年，國務(wù)院出臺 “互聯(lián)網(wǎng)+”行動指導(dǎo)意見以及中國制造 2025兩個重要文件，以高速寬 帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為抓手、提升信息基礎(chǔ)設(shè)施支撐水平成為了科技部、發(fā)改委、工信部等 政府部門的重點推進(jìn)工作。而認(rèn)真貫徹“寬帶中國”戰(zhàn)略，力5大研發(fā)力度，加 快 5G 標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)的步伐，是其中重要的工作內(nèi)容。我國在近兩年來投資上億科研 經(jīng)費，用于 5G 研發(fā)工作。中國共產(chǎn)黨十八屆五中全會通過了關(guān)于制定國民經(jīng) 濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議，明確提出要“加構(gòu)快建高速、移動、安全 泛在的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施”，要實施網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略和國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，

2、這對中國 寬帶發(fā)展提出了新的、更高的要求。G是新一代寬帶移 動通信發(fā)展的主要方向， 隨著4G/LTE進(jìn)入規(guī)模商用，以及移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，全球產(chǎn)業(yè)界 已將研發(fā)重點轉(zhuǎn)向 5G。從國際發(fā)展態(tài)勢來看， 2015 年， 5G 技術(shù)全球發(fā)展亦進(jìn)入到技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn) 化準(zhǔn)備的關(guān)鍵時期，ITU （國際電聯(lián)）已完成第五代移動通信定名、愿景及時間 表等關(guān)鍵內(nèi)容，并于今年啟動 5G 標(biāo)準(zhǔn)前研究。在此背景下，如何推動中國的 5G 技術(shù)研究？如何制定相關(guān)發(fā)展策略？如何 開展廣泛的國際合作？如何培育 5G 時代全球競合能力？已成為目前政府和產(chǎn)業(yè) 界正在探索解決的問題。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi) 5G 的發(fā)展方向是：進(jìn)一

3、步加強(qiáng)國際合作，推動形成全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn) 一步加大研發(fā)力度，突破技術(shù)及產(chǎn)業(yè)薄弱環(huán)節(jié)；進(jìn)一步推動融合創(chuàng)新，積極探索 新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式。中國移動在 5G 研發(fā)方面取得又一重大進(jìn)展2015年11月10日，在國際電信聯(lián)盟無線電通信局MT-2020 5G （第五代移 動通信）焦點組會議上，中國移動主導(dǎo)的TU 5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指導(dǎo)建議書編 制完成，成為 ITU 5G 標(biāo)準(zhǔn)制定的重要依據(jù)和指導(dǎo)。該建議書基于對 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)軟化等關(guān)鍵技術(shù)的研究，對國際組織的 5G標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行了對比分析。中國移動作為5G焦點組副主席，主導(dǎo)該建議書制 定，并推動 ITU 與 3GPP、 GSMA、 OPNF

4、V 等國際組織合作。同時，中國移動提出 的5G網(wǎng)絡(luò)切片管理與編排、5G網(wǎng)絡(luò)能力開放等技術(shù)成功寫入建議書，在3GPP、ITU-T 等國際組織的 5G 標(biāo)準(zhǔn)布局具有重要意義。我國與全球同步推進(jìn)5G研發(fā)（1） 率先成立 5G 推進(jìn)組，全面推進(jìn) 5G 研發(fā)2013 年2 月，中國工業(yè)和信息化部聯(lián)合國家發(fā)展和改革委員會和科學(xué)技術(shù) 部先于其它國家成立了 IMT-2020（5G）推進(jìn)組（以下簡稱推進(jìn)組），其組織架構(gòu) 基于原IMT-Advaneed推進(jìn)組。作為5G推進(jìn)工作的平臺，推進(jìn)組旨在推動國內(nèi)自 主研發(fā)的5G技術(shù)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，并首次提出了我國要在5G標(biāo)準(zhǔn)制定中起到引 領(lǐng)作用的宏偉目標(biāo)。當(dāng)前，推進(jìn)組集中國內(nèi)

5、主要力量，推動5G策略、需求、技術(shù)、頻譜、標(biāo)準(zhǔn)、 知識產(chǎn)權(quán)研究及國際合作，成員包括中國主要的運營商、制造商、高校和研究機(jī)構(gòu) 等國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研用單位50多家。目前，推進(jìn)組各項研究工作均已全面深入展開，并 在 5G 需求、技術(shù)和頻譜等方面取得了重要研究進(jìn)展。 布局5G重大項目，支撐國內(nèi)技術(shù)創(chuàng)新 在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863 計劃）、國家科技重大專項以及國家自然科 學(xué)基金等重大項目上，我國在近兩年來投資上億科研經(jīng)費，用于5G研發(fā)工作。國內(nèi)5G主要研究進(jìn)展目前，推進(jìn)組已基本完成5G愿景與需求研究并發(fā)布了白皮書，初步完成5G 潛在關(guān)鍵技術(shù)研究分析，提出 5G 概念和技術(shù)路線，并完成 2020 年我國移動

6、通 信頻譜需求預(yù)測和6GHz以下候選頻段研究。二、5G特點5G 是一個真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)，它的最大特點就是上網(wǎng)快，傳輸速率可 達(dá)10Gbps（折合成下載速度為1280MB/S）,是4G峰值的100倍，眨個眼一部高 清電影就下到手機(jī)上了，而且在傳輸中呈現(xiàn)出低時延、信號穩(wěn)定、低功耗的特點。事實上，如果只打個電話、發(fā)個短信， 2G 就夠用了（即使喜歡看視頻，也 都是WiFi下載下來看），那么5G的優(yōu)勢到底在哪里呢？答案是，5G最大的優(yōu)勢 體現(xiàn)在“物聯(lián)網(wǎng)”上，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，即通過互聯(lián)網(wǎng)，任何物品與 物品之間，都可以進(jìn)行信息交換和通信。而物聯(lián)網(wǎng)則離不開速度快、低時延、信號 穩(wěn)定、低功耗的

7、無線通信，也就是5G 了。5G的到來將形成全球統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)， 不僅能解決全球漫游問題，還將大幅度降低設(shè)備、終端成本（也就是說手機(jī)等硬件 更便宜了，甚至趨于免費）。同時，也會促成無人駕駛、虛擬現(xiàn)實、智能家居等 概念商用，從而進(jìn)入全面數(shù)字化時代。三、5G發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)從理論上來說，5G的網(wǎng)速能達(dá)到4G的40倍，從而實時傳輸8K分辨率的 3D視頻，或是在6秒內(nèi)下載一部3D電影。簡直快到逆天！作為對比，通過4G 網(wǎng)絡(luò)的下載需要 6 分鐘。然而，在以往通信技術(shù)的發(fā)展中，實驗室情況與真實環(huán) 境總會有很大差距。理論峰值速率在用戶實際使用中只是夢想，用戶可用速率要 遠(yuǎn)低于理論值。關(guān)鍵技術(shù)一：毫米波什么叫毫米

8、波？頻率30GHz到300GHz，波長范圍10到1毫米。由于足夠 量的可用帶寬，較高的天線增益，毫米波技術(shù)可以支持超高速的傳輸率，且波束 窄，靈活可控，可以連接大量設(shè)備。當(dāng)手機(jī)處于4G小區(qū)覆蓋邊緣，信號較差， 且有建筑物（房子）阻擋，此時，就可以通過毫米波傳輸，繞過建筑物阻擋，實 現(xiàn)高速傳輸。高頻段（毫米波）在5G時代的多種無線接入技術(shù)疊加型移動通信網(wǎng)絡(luò)中可以 有兩種應(yīng)用場景：一是毫米波小基站，可增強(qiáng)告訴環(huán)境下移動通信的使用體在驗傳， 統(tǒng)的多種無線接入技術(shù)疊加型網(wǎng)絡(luò)中，宏基站與小基站均工作于低頻段，這就帶 來了頻繁切換的問題，用戶體驗差，為解決這一關(guān)鍵問題，在未來的疊加型網(wǎng)絡(luò)中， 宏基站工作于

9、低頻段并作為移動通信的控制平面、毫米波小基站工作于高頻段并作 為移動通信的用戶數(shù)據(jù)平面。二是基于毫米波的移動通信回程，在采用毫米波信道作 為移動通信的回程后，疊加型網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)就將具有很大的靈活性（注：相對于有線方式的移動通信回程。因為在未來的5G時代，小/微基站的數(shù) 目將非常龐大，而且部署方式也將非常復(fù)雜），可以隨時隨地根據(jù)數(shù)據(jù)流量增長 需求部署新的小基站，并可以在空閑時段或輕流量時段靈活、實時關(guān)閉某些小基 站，從而可以收到節(jié)能降耗之效。到了 5G時代，更多的物-物連接接入網(wǎng)絡(luò)，HetNet 的密度將會大大增加。3.2 關(guān)鍵技術(shù)二： ultra-dense Hetnets 超密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)立體分

10、層網(wǎng)絡(luò)（HetNet）是指，在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)層中布放大量微蜂窩 （Microcell）、微微蜂窩（Picocell）、毫微微蜂窩（Femtocell）等接入點， 來滿足數(shù)據(jù)容量增長要求。為應(yīng)對未來持續(xù)增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，采用更加密集的小區(qū)部署將成為 5G 提升網(wǎng)絡(luò)總體性能的一種方法。通過在網(wǎng)絡(luò)中引入更多的低功率節(jié)點可以實現(xiàn)熱 點增強(qiáng)、消除盲點、改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提高系統(tǒng)容量的目的。但是，隨著校區(qū)密度的 增加，整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟矔兊酶鼮閺?fù)雜，會帶來更加嚴(yán)重的干擾問題。因此密，集 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個主要難點就是要進(jìn)行有效的干擾管理，提高網(wǎng)絡(luò)干擾性能， 特 別是提高小區(qū)邊緣用戶的性能。密集小區(qū)技術(shù)也增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的

11、靈活性，可以針對用戶的臨時性需求和季節(jié)性 需求快速部署新的小區(qū)。在這一技術(shù)背景下，未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將形成“宏蜂窩+長 期微蜂窩+臨時微蜂窩”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)將大大降低網(wǎng)絡(luò)性能對于網(wǎng)絡(luò)前 期規(guī)劃的依賴，為 5G 時代實現(xiàn)更加靈活自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)提供保障。與此同時，小 區(qū)密度的增加也會帶來網(wǎng)絡(luò)容量和無線資源利用率的大幅度提升。3.3關(guān)鍵技術(shù)三：同時同頻全雙工（CCDF）最近幾年，同時同頻全雙工技術(shù)吸引了業(yè)界的注意力。同時同頻全雙工技術(shù)是 指設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)占用相同的頻率資源同時進(jìn)行工作，使得通信雙方在上、 下行可以在相同時間使用相同的頻率，突破了現(xiàn)有的頻分雙工（FDD）和時分雙 工（TDD ）模式

12、，是通信節(jié)點實現(xiàn)雙向通信的關(guān)鍵之一。利用該技術(shù)，在相同的 頻譜上，通信的收發(fā)雙方同時發(fā)射和接收信號，與傳統(tǒng)的 TDD 和 FDD 雙工方式 相比，從理論上可使空口頻譜效率提高 1 倍。全雙工技術(shù)能夠突破 FDD 和 TDD 方式的頻譜資源使用限制，使得頻譜資源 的使用更加靈活。然而，全雙工技術(shù)需要具備極高的干擾消除能力，這對干擾消除 技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)，同時還存在相鄰小區(qū)同頻干擾問題。在多天線及組網(wǎng)場 景下，全雙工技術(shù)的應(yīng)用難度更大。3.4 關(guān)鍵技術(shù)四：濾波組多載波技術(shù)（ FBMC）OFDM是將載波分為正交子載波，但信號的拖尾較長，因此會帶來一些問題， 另外在5G系統(tǒng)中，由于支撐高數(shù)據(jù)速率的

13、需要，將可能需要高達(dá)1GHz的帶 寬.但在某些較低的頻段，難以獲得連續(xù)的寬帶頻譜資源，而在這些頻段，某 些無線傳輸系統(tǒng)，如電視系統(tǒng)中，存在一些未被使用的頻譜資源（空白頻譜）. 但是，這些空白頻譜的位置可能是不連續(xù)的， 并且可用的帶寬也不一定相同， 采用OFDM技術(shù)難以實現(xiàn)對這些可用頻譜的使用。FBMC基于濾波器組的多載波技術(shù)中，發(fā)送端通過合成濾波器組來實現(xiàn)多載波調(diào)制, 接收端通過分析濾波器組來實現(xiàn)多載波解調(diào)。合成濾波器組和分析濾波器組由一組 并行的成員濾波器構(gòu)成，其中各個成員濾波器都是由原型濾波器經(jīng)載波調(diào)制而得到 的調(diào)制濾波器。與OFDM技術(shù)不同，F(xiàn)BMC中，由于原型濾波器的沖擊響應(yīng)和頻 率響

14、應(yīng)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計，各載波之間不再必須是正交的，不需要插入循環(huán)前綴；能實現(xiàn)各子載波帶寬設(shè)置、各子載波之間的交疊程度的靈 活控制，從而可靈活控制相鄰子載波之間的干擾， 并且便于使用一些零散的頻 譜資源，較大的提高了頻率效率。3.5關(guān)鍵技術(shù)五：大規(guī)模MIMO技術(shù)(3D /Massive MIMO)多輸入多輸出技術(shù)(Multiple-1 nput Multiple-Output, MIM0)是指在發(fā)射端 和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個 天線傳送和接收，從而 改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個天線 實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況

15、下，可以成倍的提高系統(tǒng) 信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動通信的核心技術(shù)。MIMO技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于WIFI、LTE等。理論上，天線越多，頻譜效率和 傳輸可靠性就越高。具體而言，當(dāng)前LTE基站的多天線只在水平方向排列，只能 形成水平方向的波束，并且當(dāng)天線數(shù)目較多時，水平排列會使得天線總尺寸過大 從而導(dǎo)致安裝困難。而 5G 的天線設(shè)計參考了軍用相控陣?yán)走_(dá)的思路，目標(biāo)是更大地提升系統(tǒng)的 空間自由度?；谶@一思想的LSAS技術(shù)，通過在水平和垂直方向同時放置天線， 增加了垂直方向的波束維度，并提高了不同用戶間的隔離，如下圖所示。同時， 有源天線技術(shù)的引入還將更好地提升天線性能，降低天線耦合造

16、成能耗損失，使 LSAS 技術(shù)的商用化成為可能。大規(guī)模 MIMO 技術(shù)可以由一些并不昂貴的低功耗的天線組件來實現(xiàn)，為實現(xiàn) 在高頻段上進(jìn)行移動通信提供了廣闊的前景，它可以成倍提升無線頻譜效率，增 強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和系統(tǒng)容量，幫助運營商最大限度利用已有站址和頻譜資源。我們以一個 20 平方厘米的天線物理平面為例，如果這些天線以半波長的間距排列在一個個方格中，貝V：如果工作頻段為3.5GHz，就可部署16副天線；如 工作頻段為10GHz，就可部署169根天線了。3D-MIMO 技術(shù)在原有的 MIMO 基礎(chǔ)上增加了垂直維度，使得波束在空間上 三維賦型，可避免了相互之間的干擾。配合大規(guī)模MIMO,可實現(xiàn)多方向

17、波束賦 型。3.6 關(guān)鍵技術(shù)六：多技術(shù)載波聚合(multi-technology carr ier agg regation)3GPP R12 已經(jīng)提到這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。未來的網(wǎng)絡(luò)是一個融合的網(wǎng)絡(luò)，載波聚合技術(shù)不但要實現(xiàn)LTE內(nèi)載波間的聚合，還要擴(kuò)展到與3G、WIFI等網(wǎng)絡(luò)的融合。多 技術(shù)載波聚合技術(shù)與 HetNet 一起，終將實現(xiàn)萬物之間的無縫連接。四、未來的 5G 愿景與需求俎 面向2020年及未來的5G愿景與需求41移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是5G發(fā)展的主要驅(qū)動力面向 2020 年及未來，移動互聯(lián)網(wǎng)將推動人類信息交互方式的再次升級，將 為用戶提供增強(qiáng)現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、超高清3D）視頻、移動云等更加身臨

18、其境的極 致業(yè)務(wù)體驗，將帶來移動數(shù)據(jù)流量超千倍增長，推動5G技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的新一輪變革。 物聯(lián)網(wǎng)將極大擴(kuò)展5G的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。移動醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、 環(huán)境監(jiān)測等將會推動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用爆發(fā)式增長，數(shù)以千億的設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)實，現(xiàn)真正 的“萬物互聯(lián)”，這將是引發(fā)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的核心基礎(chǔ)，在對傳統(tǒng)產(chǎn) 業(yè)帶來巨大變革的同時，將創(chuàng)造出規(guī)?？涨暗男屡d產(chǎn)業(yè)。5G 將滿足未來超千倍流量增長和超千億設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求預(yù)計20102020年全球移動數(shù)據(jù)流量增長將超過200倍，20102030年將 增長近2萬倍；中國的移動數(shù)據(jù)流量增速高于全球平均水平，預(yù)計20102020 年將增長 300 倍以上， 2010

19、-2030 年將增長超過 4 萬倍。在聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量方面， 預(yù)計到 2020 年，全球移動終端（不含物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）數(shù)量將超過100 億，中國將 超過 20 億。 2020 年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)將接近全球人口規(guī)模，達(dá)到70 億（中 國將接近15億）。到2030年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)將接近1千億（中國將超 過200億），全球各類聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總量將超過1千億。43 5G關(guān)鍵能力比4G約有10-100倍提升，用戶體驗速率可達(dá)1Gbps為了滿足2020年及未來業(yè)務(wù)需求，5G性能將會大幅提升，用戶體驗速率將 達(dá)100Mbps1Gbps，峰值傳輸速率可達(dá)數(shù)十Gbps，支持的連接數(shù)密度可達(dá)數(shù)1 百萬連接/平方公里

20、，端到端時延低至毫秒級，流量密度可達(dá)數(shù)十ps/平方公里， 支持500公里/小時以上高速移動下的用戶體驗。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，5G還需 要大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運營效率。其中，頻譜效率將比4G提高5-15倍，能源效 率和成本效率也將提升百倍以上。目前，推進(jìn)組提出的上述的5G關(guān)鍵能力，絕大部分被ITU采納作為5G備選 能力。5G 概念與技術(shù)路線傳統(tǒng)的移動通信技術(shù)主要指蜂窩移動通信技術(shù)，而且主要強(qiáng)調(diào)無線技術(shù)，而 5G 應(yīng)包含蜂窩移動通信技術(shù)、新一代無線局域網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。4.2.1 5G 技術(shù)創(chuàng)新將會出現(xiàn)在無線和網(wǎng)絡(luò)兩個層面?zhèn)鹘y(tǒng)的移動通信升級換代都是以多址接入技術(shù)為主線，提升速率和頻譜效率。 例如，1

21、G采用頻分多址（FDMA）、2G時分多址（TDMA）、3G碼分多址（CDMA）, 4G正交頻分多址（OFDMA）。與傳統(tǒng)方式不同的是， 5G 將不再以單一多址接入技術(shù)作為主要特征，內(nèi)涵 將更加寬泛，將會采用一組關(guān)鍵技術(shù)，如引入大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型 多址和高頻段通信等新型無線技術(shù)，以及基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和/或網(wǎng)絡(luò)功 能虛擬化（NFV）技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而推動5G在無線和網(wǎng)絡(luò)兩個層面出 現(xiàn)重大技術(shù)創(chuàng)新。5G 無線技術(shù)將沿著三條技術(shù)路線向前發(fā)展5G無線技術(shù)存在新型空中接口技術(shù)、4G演進(jìn)技術(shù)和下一代無線局域網(wǎng)三條 技術(shù)路線。新型空中接口技術(shù)重點適應(yīng)5G新場景及新頻段需求進(jìn)行全新設(shè)計， 不考慮與4G的兼容性4G演進(jìn)技術(shù)主要面向宏覆蓋和熱點覆蓋等傳統(tǒng)蜂窩移動 通信場景，將基于 4G 技術(shù)框架和傳統(tǒng)蜂窩頻段。下一代無線局域網(wǎng)是 5G 的重要補(bǔ)充，主要面向熱點分流場景，將向更高傳 輸速率、更高組網(wǎng)性能和可運營維護(hù)方向發(fā)展。5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將向著虛擬化、軟件化、扁平化面對未來超千倍流量增長、毫秒極端到端時延和超千億設(shè)備連接的挑戰(zhàn),5G 將通過引入NFV和SDN等虛擬化技術(shù)、推動網(wǎng)絡(luò)軟硬件解耦，控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離， 使得基