美洲的5G白皮书.docx

1、美洲的5G白皮书洲的5G白皮书（7）面向5G的十五大潜在候选技术供稿人：李远东 供稿时间：2014-12-31笔者注：本专题的前6篇文章分别介绍了美洲5G白皮书的总体情况及对5G市场驱动因素及应用场景、终端用户对未来5G的六大相关需求、移动通信基础网络运营商对未来5G的十大相关需求、4G架构的缺陷及未来5G可增强改进的6大方向、对未来5G的政府规制监管的考量这几个方面的研究成果，接下来就应该是如何来达到这几个方面目标的问题：5G的关键技术有哪些？研究现状如何？为此，本文紧接着介绍美洲5G白皮书中关于面向5G的十五大潜在候选技术的研究成果。1、总览本部分对北美移动通信业界的研究成果可用以满足本白

2、皮书前面所述及的5G市场驱动因素、应用场景、相关需求、政府规制考量等需求的未来5G移动通信的关键技术进行详细介绍。具体是大规模MIMO（Multiple Input and Multiple Output，多输入及多输出）、基于厘米波（低频段）以及毫米波（高频段）的无线接入传输技术、新的波形、无线频谱共享接入、小区间高级协调、同时收/发（全双工移动通信）、多种无线接入技术的整合与管理、设备间直接通信、高效的小数据传输、无线回传/接入集成、网络灵活性增强、移动灵活性增强、基于场景感知的组网、ICN（Information Centric Networking，信息中心网络）、移动网络优化。以下进

3、行具体的介绍。2、大规模MIMO技术目前，无线移动宽带通信系统中的信号基带处理技术已经相当成熟，加之综合采用先进的信道编码、差错控制以及信道调制等技术，当前的移动通信系统性能已经逼近香农理论极限，所以，单纯地通过基带处理技术很难再大幅地提升移动通信网络的性能。从1996年开始，全球范围内的移动通信业界掀起了对多天线技术（MIMO）研究与应用的“热潮”。MIMO是一种可以在不增加无线频谱的前提下提高无线移动接入链路频谱效率、提高链路可靠性并增大系统容量的著名技术，通常要在信号发射端与接收端部署多副天线，而且基站发射天线的数量要高于终端接收天线的数量。基站的多幅/多组天线可以采用相同的时间以及频率

4、资源来同时为多个移动通信终端用户提供接入服务，通过对空间的复用，显著地提升系统容量。此外，MIMO技术效用的正常发挥，需要系统实时预先感知基站发射端天线与移动通信终端接收天线之间的无线信道的状态及状态变化，因此，就需要采取适当的预编码技术来降低甚至消除传输给不同终端用户的信号之间的相互干扰。在目前已获得大规模商用的4G移动通信标准中，就包括了MIMO技术（包括单用户MIMO以及多用户MIMO技术。这是4G区别于2G与3G的重要特点之一，突破了传统单天线信道的容量极限，有效第提高了系统的频谱效率）。3GPP的4G LTE技术规范R8版本所定义的多天线MIMO技术，支持下行信道的4天线4层发送以及

5、上行方向的单天线发送，具体包括发射分集、开环空分复用、闭环空分复用、波束成形等技术。而在后续的R9版本中，MIMO下行方向引入了双流波束成形技术。R10版本对多天线技术进行了进一步增强：最多可支持下行信道8天线8层发送以及上行信道4天线4层发送，在此情况下，下行信道的峰值频谱效率可提高至30 bit/（sHz），上行信道的峰值频谱效率可提高至15 bit/（sHz）。目前，天面资源日益受限、天线安装难度大，因此，在MIMO技术实际的工程部署方面，由于涉及到移动通信基础网络运营商天面的工程改造，就需要解决移动通信系统增益和多天线的体积及重量问题（笔者注：可查阅上海情报服务平台发布的美洲的5G白皮

6、书（5）4G架构的缺陷及未来5G可增强改进的6大方向一文第5部分），3GPP在制订LTE标准的过程中也考虑到了相关问题。全球主流的移动通信基础网络运营商共同向3GPP提交了关于天线形态的建议分为“小间距”（所选取的天线间距为波长的0.5倍）与“大间距”两钟（所选取的天线间距为波长的410倍）。由于天线尺寸的限制，目前已商用的4G移动通信系统的下行波束成形和上行的分集接收天线数都被限制为最多8个。在多用户MIMO技术理念的基础之上，“大规模MIMO”技术在移动通信基站侧大量地增加了天线的数量（由于增加天线数量具有较大幅度地提升移动通信系统性能的潜力，“进一步大规模地增加天线数目”就成为全球业界对

7、于下一代移动通信系统的重点研究方向），使其远远多于在相同的时间及频率资源内提供接入服务的终端用户数，从而获得更高的效益。比如，相关试验结果表明，如果以基站侧成百上千的天线同时为数量上仅几十位的用户提供无线移动宽带接入服务，无线频谱效率就可以提高510倍，而且即使在小区的边缘，系统也能维持很高的吞吐量（笔者注：这是2010年时发表于IEEE Transactions on Wireless Communications的一项研究成果，原文题目为Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station anten

8、nas，可进一步查阅）1。但是，大规模MIMO技术的发展也尚具有一定的不确定性因为可用于未来5G移动通信系统的具体频段还未被明确，从而就直接使得大规模MIMO技术应用场景与天线数目难以被明确。具体而言，在天线数目方面的不确定性比如，假设未来的天线尺寸目前所用的相当，那么：移动通信系统的工作频段越高，可增加的天线数就将会越多；而对于部署于低频段的移动通信系统，由于波长大，所以可能需要通过使用传统天线原有的振子数来解决大规模MIMO技术的部署难题（但是，在此种情况之下，通过部署大规模MIMO技术所得的增益，必须要分出一部分用于补偿从传统天线原有振子能得到的天线增益）。而在大规模MIMO技术的应用场

9、景的不确定性方面，目前只能描画出一个大致的轮廓。大规模MIMO技术可能包括3大潜在的应用场景：城市区域的宏覆盖、城市区域的微覆盖（这两种应用场景下的用户密度分别为较大和很大，因此，在其中部署大规模MIMO技术的主要目标将是提高系统容量。此外，将大规模MIMO技术应用于城市区域的宏覆盖，还将可以作为解决高层建筑物移动通信覆盖问题的技术方案分别在水平方向以及垂直方向进行天线波束成形，同时为处于建筑物内不同楼层以及建筑物外的用户提供移动通信服务）以及郊区和偏远地区的移动通信回程覆盖（在部署实际的移动通信网络过程中，移动通信回程覆盖是影响网络建设成本的重要因素。所以，未来如果能将大规模MIMO技术广泛

10、地应用部署于移动通信回程覆盖，就有望以具有高增益的成形波束来大大地减少网络部署成本及后续运维成本，从而为解决无线回传问题提供了一种全新的技术思路与解决方案）。部署MIMO技术后所获得的高增益主要来源于波束成形（其中包括预编码。此时需要部署要高相关度的天线阵列）、空间复用（此时需要部署低相关的天线阵列）以及分集（此时需要部署低相关的天线阵列）这3大方面。可在进行基带信号处理时，根据所获得的信道矩阵，用不同的算法在上述3种形态下自由切换。但是，目前大规模MIMO技术理念的发展趋势是，确定的天线形态将决定主要增益的来源，这就对天线的设计带来较高的要求目前，对，国际上已有越来越多的厂商对于下一代移动通

11、信系统中大规模MIMO技术部署的天线选取问题，均趋向于采用高相关性的天线阵列。因此，综上，5G移动通信时代，部署大规模MIMO技术所获增益的极可能将主要是通过多用户预编码的方式、利用与波束成形等效的方法来获得。此外，为了将终端用户信号的电平降低至简单成对的波束成形水平，还需要进行预编码。而基站发射机对于无线信道状态信息的感知难题（大规模MIMO技术的部署中，每副天线都需要获得很高精度的信道状态实时信息，因此，无线信道状态估计的精准度、时延以及庞大的反馈开销与处理等，直接关系到移动通信系统在部署大规模MIMO技术后能否获得预期的高增益。此外，无线信道状态的变化速度、应用场景的无线环境的复杂程度、

12、小区信号的干扰强度、信道状态信息的反馈速度，也都是影响大规模MIMO技术的部署效果的关键因素），对此，可以通过时分复用技术来予以解决（这是因为，由于是时分复用，上行信道与下行信道就可能使用到相同的物理频段，从而，上/下行信道就具有“互易性”）。在这种技术体制下，用户终端可以先通过发送正交的导频信号来感知上行信道的状态信息，然后将其作为在下行信道中实施配对的波束成型的参考依据（笔者注：可进一步查阅相关的经典论文How much training is required for multiuser MIMO?）2。由于仅有有限的用于导频信号传输的网络资源，跨小区传输的导频信号就不必是正交的。但是这

13、样可能会引起“导频污染”（一般指在某一点接收到太多的导频，但却没有一个信号足够强的主导频），从而引起较大的信道状态评估误差。“导频污染”问题要尽量在网络的规划设计阶段阶段，以方便以后的网络优化，通过“导频复用”可以在一定程度上解决“导频污染”问题，其他的解决方法还包括调整布局和天线参数、降低导频功率、合并基站的扇区或删除冗余的扇区（在不影响系统容量的前提之下）。此外，除了上述相关内容，部署大规模MIMO技术的相关挑战还有两个。一是由于大规模MIMO天线设计中需要结合天线阵子与有源电路（波束成形的需要），于是就构成了高度集成化的有源天线系统，从而就带来了至少两大显著问题：对天线系统的结构、尺寸、

14、重量、散热、级联以及后期运维等都带来了一定的挑战；部署了大规模MIMO技术之后，未来的5G移动通信系统就无法与2G、3G以及4G共用天线资源（笔者注：这样就对上海情报服务平台发布的美洲的5G白皮书（5）4G架构的缺陷及未来5G可增强改进的6大方向一文第5部分所述愿景的最终实现带来了相当大的挑战），于是，在的环境下，大规模MIMO这种天线形态在未来就存在不能成功地实现大规模商用的风险（因为天线资源日益紧张，未来将更加紧张）。最后一大挑战来自于部署大规模MIMO技术后，其与控制广播信道的联合设计以及各算法在实际复杂无线环境中的稳定性还不具有足够的实际验证。另一方面，为了减小在移动通信基站侧大量部署

15、天线的成本，后续需要在无线技术与天线技术的进步方面进行研发。虽然信道的传播是互易的，但是接收路径与发送路径则可能不是互易的。因此，为了实时地响应所出现的下行信道状态与上行信道状态的任何显著差异，后续就需要研发天线校准技术。此处应该指出的是，由于大规模MIMO技术所解决的是单个小区同时为多个用户提供无线移动宽带接入服务时的频谱效率问题（即可以提高此种场景之中的无线频谱效率），这是其“天然”的属性，所以它并不能显著地提高单个用户的无线接入峰值数据速率。大规模MIMO技术是未来5G移动通信的重要备选技术，存在着上述在系统设计与工程部署方面的众多关键技术问题。为此，3GPP标准化组织已在分阶段地展开大

16、规模MIMO关键技术的演进和标准化研究工作，目前已完成了第一阶段的三维信道模型标准化工作，为后续的3D-MIMO技术和大规模MIMO技术的研究工作奠定了基础。目前，3GPP正在进行第二阶段（3D-MIMO技术的标准化），已经开始准备关于3D-MIMO技术的研究立项（具体研究目标是更多（如16个、32个、64个）的天线端口数）、3D-MIMO的设计方案以及性能评估。从目前的相关进展来看，3D-MIMO技术标准有望在LTE R13版本中发布。而在后续的第三阶段（具体时间取决于3GPP标准化组织对5G移动通信系统标准化的整体时间安排，预计在LTE R14或LTE R15版本阶段展开研究，并在2020

17、年之前完成相关标准化工作），3GPP才将对大规模MIMO技术进行标准化，目标是在已经标准化的3D-MIMO技术的基础上进一步增加基站侧的天线数目（比如增加至128副、256副等），实现10个或更多用户的多用户MIMO传输。3、基于厘米波（低频段）与毫米波（高频段）的无线接入网传输由于早期的移动通信主要提供语音通话与短消息数据服务，低频段就已经具有足够的频谱资源，加之在低频段，天线、射频器件等的实现复杂度较小，截至目前，几乎所有的移动通信网络均唯一运行于3 GHz频点之下的低频段，包括2G、3G、4G、无线局域网WLAN在内的无线通信系统一般使用3 GHz频点之下的低频段。而对于未来的5G移动通

18、信系统，移动数据流量将会“暴增”，就不能再依赖于各个低频段无线传输及组网技术的演进，还需要采取更多的无线频谱资源（ITU-R WP 5D工作组正在对全球范围内的无线移动通信频谱的需求进行预测，中国、美国、俄罗斯、日本等国也根据本国情况进行了预测，虽然各国在人口分布、移动通信所处发展阶段、无线频谱预测建模方法等方面存在差异，但对于2020年的无线频谱需求的预测均为1.5 GHz带宽左右），而目前已经很难在低频段找到可用的且连续的宽带频谱资源，全球业界正在考虑采用更高的频段包括高于10 GHz频点的频段（这将是高频段在点对多点的通信系统中的首次应用。传统上，高频段往往用于点对点传输的大功率通信系统

19、（卫星通信系统、微波通信系统等）。330 GHz之间的频段处于厘米波段，而30300 GHz之间的频段处于毫米波段（近几年，基于CMOS工艺的芯片技术快速发展，从而，昂贵的毫米波无线通信设备将有望从小批量的专业市场迅速地转向并应用于大规模量产的民用无线移动通信市场）。在10 GHz频点以上的物理频段，具有大量潜在可用的物理频谱资源，而且更为重要的是，这些频谱很多都是连续的（从而可以使未来的无线移动宽带系统获得非常宽（比如几百兆赫兹）的传输带宽，于是可以使系统有效地支持多个Gbps级别的数据速率）。而对于具体选用高频段中的哪些频段，需要进行大量的理论与试验论证。在高频段的具体选择方面，难度持续加

20、大，虽然6275 GHz频段有充足的无线频率资源储备，但仍需统筹规划，在充分满足各行业无线电业务的频率需求的大前提下，寻找可用于移动通信的高频段，还要综合考虑到合法性（确保所选频段是划给移动通信行业使用的频段）、安全性（目前，高频段主要划分给固定业务、无线定位业务、无线电导航业务、卫星固定通信业务以及卫星电视广播业务等使用，存在数字微波接力系统、航海及空中管制等雷达系统以及卫星通信等重要系统，移动通信在高频段选择新频率需要充分考虑到各个系统间的电磁兼容问题，以最大限度地保证对其他系统的保护和移动通信自身系统的抗干扰能力）、有效性（结合高频段无线电的射频传播特性，选择适合的频段，确保系统的有效设

21、计）、连续性（所选的高频段要具有连续的大宽带频谱资源）、易于实现性（需要充分结合产业硬件制造能力，确保系统、终端芯片与设备、测试仪表等的可实现性高稳定低相噪锁相频率综合器、宽带电调振荡器、低噪声放大器、高线性功放、高性能滤波器、低插损高隔离射频开关、低损耗高隔离双工器、多天线和多通道射频收发技术、适合高频段的电磁兼容技术、射频功能器件的集成与模块化技术等的研发与规模商用都将给移动通信行业带来较大的挑战）。欧盟聚焦于5G研发的METIS 2020项目中，“高频段通信”是其重点研发方向之一。韩国也针对6 GHz以上频段（尤其是13.414 GHz、18.118.6 GHz、27.029.5 GHz

22、、38.039.5 GHz频段）进行了大量研究与测试，并已在在28 GHz频段利用64副天线并采用自适应的波束成形技术，在200 m的距离内实现了1 Gbit/s的峰值下载速率。日本NTT DOCOMO、爱立信等也正在开展高频段移动通信的研究工作（笔者注：可进一步查阅上海情报服务平台新近发布的NTT DOCOMO的5G（第五代移动通信）白皮书5G无线接入关键技术一文，链接为： GHz），具有小覆盖、密集组网、低功耗、低成本等显著特点，可应用于4G LTE小基站对热点及室内进行大容量、高速率覆盖。而对于更高频段的未来无线移动通信，中国已立项的“863”计划重点项目“高频段无线通信基础技术研究开发

23、与示范系统”、973”计划“硅基毫米波亚毫米波集成电路与系统的基础研究”等，主要研究高频段移动通信的关键技术、器件实现、原型系统。此外，中国的IMT-2020（5G）推进组正在研究高频段关键技术、潜在候选频段等。2013年，中国率先在全球将4050 GHz频段规划用于无线宽带接入系统和点到点的无线传输系统。目前，欧洲将4050 GHz频段、日本将5966 GHz频段、澳大利亚将59.462.9 GHz频段、美国将5764 GHz频段规划用于无线局域网WLAN业务（短距离（10米以内）的高速率传输）。但是，高频段的主要劣势是无线路径损耗（即“自由空间损耗”。随频率的变化呈平方变化趋势）比低频段更

24、大，穿透性也不如低频段，总之，高频段的射频传输特性不如甚至远不如低频段优良（高频段的传播特性可总结为：传播损耗较大，墙壁等障碍物的衰减很大，适用于短距离通信；收发系统的频偏会较大，由于环境变化引起的多普勒频谱扩展以及射频本振误差造成的频率偏差与相位噪声也会随着工作频率的增加而线性地增加；可利用的频谱范围宽，而且1%的相对带宽就可以提供数百Mbit/s乃至Gbit/s的可用带宽；传播方向性强，抗干扰性好，安全性高；频率复用性高（可以被高度复用），可在较小区域内部署大量微小区；由于高频段波长较小，所以元器件的尺寸就小；器件加工精度要求高，成熟CMOS集成电路技术）。为了规避这一劣势，可以减小高频段

25、移动通信天线的尺寸，采用更高配置的天线。然而事实上，通过把基站侧天线与用户终端侧天线的总体配置保持在相同水平，再加上波束成形技术的部署，就可以获得一定的增益，从而就可以将高频段中随频率增加而增加的无线路径损耗抵消掉一部分。这也就是移动通信业界采用高频段（比如将其应用于无线回程）并使用高指向性天线的原因之一。然而，上述情况仅在视距传输环境中有效，而不适用无线移动宽带通信的典型传播环境非视距传输。在非视距传输环境中，由于建筑物或其他物体的阻挡（外部）、建筑物内部墙体等的阻挡，无线路径损耗会进一步增大。最近的相关研究结果显示，更高频段（至少到30 GHz）是可以应用于非视距传输环境下的无线移动宽带通

26、信网络接入的，但是通信距离仅在100200米之间。目前，对于将位于30 GHz频点之上的更高频段应用于超密集基站部署（基站之间的距离更短）也正处于研究之中。在无线传输技术方面，高频段移动通信也面临着一些挑战。例如，对于作为未来移动通信核心传输技术之一的大规模MIMO技术，可以极大地提升无线频谱效率，但其最终成为现实，需要在小型化的天线与设备、较高的天线增益等方面进行大力研究。同时，大规模MIMO技术有望弥补高频段的无线路径损耗，增加用户增益，抑制干扰用户，但是需要进一步研发自适应的波束成形技术。此外，其他5G关键技术（比如无需通过基站即可实现终端间直接通信的直通技术）的研发亟需高频段移动通信为

27、其创造条件因为只有在高频段的支撑下，相关技术才能尤其适合于终端间的短距离、高数据速率、低时延、低功耗的直接通信，还能够加强频率资源的空间复用性。另外，在高频段中，OFDM技术的功率峰均比数值和对频偏敏感的缺点将会被显著放大，在功放设计、频偏补偿等方面存在极大挑战。是否能使用高频段频谱资源将是决定未来5G移动通信成败的关键。但是，在具体的战略方向上，应该把高频段作为低频段的有益补充：未来，仍将低频段用于提供大范围的覆盖，而将高频段应用于城市人口密集区域的大容量、高数据率的无线移动宽带系统覆盖。在无线移动通信组网技术方面，未来无线移动通信网络的组网正朝着异构融合化、扁平化、密集化、混合化等方向演进

28、，从而给高频段移动通信带来在无线组网技术方面的挑战。比如：（1）未来移动通信网络多标准、多模、多频的异构融合组网给无线频谱资源的管理带来了挑战，如何通过高频段使异构网络并存且互补，并逐步实现融合，有待后续进行深入研究；（2）在“扁平化”方面，“扁平化”能够减小系统时延、降低网络部署以及维护的成本，无线移动接入网逐渐向“扁平化”架构发展但是，“扁平化”对骨干网的接入能力提出了更高的要求，于是，微波回传就将成为实现基站互联互通、接入骨干网以及实现扁平化的重要措施，高频段将为微波回传链路提供更优秀的解决方案；（3）在“密集化”方面，随着各类移动智能终端的普及，未来的移动数据业务将主要分布在建筑物室内

29、以及户外热点区域，这使得“超密集网络”组网将成为满足未来5G移动通信系统1000倍流量增长需求的主要手段之一，而为了充分发挥其网络部署灵活和频率复用高效的两大关键特性，“超密集网络”组网需要配合高频段的大带宽来进行；（4）在“混合化”方面，未来的5G移动通信网络必将是低频侧重覆盖、高频关注高性能与大容量的混合组网，高频段在混合组网的无线频谱资源分布格局中扮演着重要作用。2015年的世界无线电大会（WRC-15）将会在6.5 GHz频点以下的物理频段为无线移动宽带通信增加频段划分，指配新的可用频谱。而2018年或2019年的世界无线电大会将有望在10 GHz频点以上的物理频段为无线移动宽带通信指

30、配新的可用频谱。因此，在2020年左右的5G移动通信系统的部署初期将有望获得10 GHz频点以上物理频段的频谱资源。4、新的波形/传输体制面向未来5G移动通信系统的新的波形/传输体制将包括高级的多载波传输以及非正交传输。1） 高级的多载波传输4G LTE无线接入的下行与上行均采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）这种传输体制其中，下行信道传输采用的是传统的OFDM技术，而上行信道传输所采用的是DFT（Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换）预编码的OFDM技术。作为一种多载波传输机制，OF

31、DM也是未来5G移动通信系统将要采用的一个关键的候选技术。而与此同时，未来5G移动通信系统还有其他几个候选的多载波传输技术，包括FBMC（Filter-Bank Multi-Carrier，基于滤波器组的多载波）传输体制、UFMC（Universal Filtered Multi-Carrier，通用的滤波多载波）传输体制、GFDM（Generalized Frequency-Division Multiplexing，广义的频分复用），关于这几项新技术的详情，可以进一步查阅5GNOW编号为D3.1的输出文档5G Waveform Candidate Selection3。上述FBMC、UFM

32、C、GFDM传输机制至少在原理上所具有的共同之处是对物理频谱的利用效率更高（相比于传统的OFDM），从而很适应于频谱共享的应用场景值得指出的是，如果发射机的非线性特性较差，就会引起额外的频谱扩展，进而就会降低这种利用效率。此外，上述FBMC、UFMC、GFDM传输机制对于时间同步的依赖性（主要用于保证各个子载波之间相互正交，以减小子载波间干扰）要比传统OFDM技术的低，从而可以大大地改善上行信道传输的性能因为不再需要进行严格的时间同步，从而可减小甚至消除这部分的处理时延，进而减小整个上行链路的接入延迟。2）（子载波）非正交传输体制在4G移动通信无线接入网络中，下行与上行均采用正交（各个子载波相互正交）传输体制。正交传输体制可以减小子载波之间的干扰从而提高系统容量。但是，对于小数据负载的快速接入，需要为不同的用户分配正交的子载波资源，从而需要更多的信令流程，进而导致更多的时延。因此，对于未来的5G移