【論文精選】5G移動通信系統概述

（移動通信研究院，北京100053）

摘 要： 4G的成功應用帶來了移動互聯網的空前繁榮，在為人們提供極大生活便利的同時，也在深刻地改變著人們的行為習慣，培育著眾多的新應用和新需求。除了服務於人的需求，人們也期望移動通信能夠滲透到各行各業，帶來社會各行各業的轉型升級。為了滿足這些發展需求，5G將帶來超高的頻譜利用效率、超低的業務時延、超高的連接數密度、超低的功耗等，實現「信息隨心至，萬物觸手及」的未來發展願景。概述5G的應用場景和能力需求，並結合需求詳細介紹5G空中介面新技術和網路結構方面的全新變化。

關鍵詞： 5G；大規模MIMO；非正交多址；網路切片

中圖分類號： TN929.53

文獻標識碼： A

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.179003

中文引用格式： 黃宇紅，王曉雲，劉光毅. 5G移動通信系統概述[J].電子技術應用，2017，43(8)：3-7.

英文引用格式： Huang Yuhong，Wang Xiaoyun，Liu Guangyi. Overview of 5G mobile communication system[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：3-7.

0 引言

4G的普及與應用為移動互聯網的發展打開了大門，伴隨著消費電子產品的進步與發展，移動通信技術正無時無刻地改變著人們的生活，同時也刺激著移動通信需求的進一步發展。5G作為面向2020年及以後的移動通信系統，其應用將深入到社會的各個領域，作為基礎設施為未來社會提供全方位的服務，促進各行各業的轉型與升級。

為此，5G將提供光纖般的接入速度，「零」時延的使用體驗，使信息突破時空限制，為用戶即時呈現；5G將提供千億設備的連接能力，極佳的交互體驗，實現人與萬物的智能互聯；5G將提供超高流量密度、超高移動性支持，讓用戶隨時隨地獲得一致的性能體驗；同時，超過百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，也將保證產業的可持續發展。超高速率、超低時延、超高移動性、超強連接能力、超高流量密度，加上能效和成本超百倍改善，5G最終將實現「信息隨心至，萬物觸手及」的願景[1]

1 5G應用場景和需求

身臨其境的移動互聯網和無處不在的移動物聯網是5G發展的主要驅動力。根據IMT-2020(5G)推進組的預測[1]，2010年到2020年全球移動數據流量增長將超過200倍，2010年到2030年將增長近20 000倍，其中熱點區域的增長速度更快，達到十年千倍；同時，到2030年，包括物聯網設備在內的全球聯網設備總數將達到1 000億量級，其中超過200億。

5G的應用場景由相關地點和該地點發生的業務組成。5G應用場景主要包括移動互聯網和移動物聯網兩大類，而移動互聯網類又可以抽象為低移動性高速率和高移動性廣覆蓋兩個子類；移動物聯網類可以抽象為低功耗大連接和低時延高可靠兩個子類，如圖1所示。其中：

(1)低移動性高速率類應用場景主要包括辦公室、密集住宅區、城市熱點如CBD和大型集會等，其對應的主要業務有高清視頻、虛擬現實、增強現實以及雲存儲等。這類應用場景的主要挑戰在於高速率、高連接密度等；

(2)高移動性廣覆蓋類應用場景主要發生在高鐵、快速路以及捷運等對移動性要求較高的地點，其對應的主要業務有網頁瀏覽、實時在線遊戲、雲端辦公等，主要挑戰在於有一定移動性的前提下保持一定的體驗速率；

(3)低功耗大連接類應用場景主要面向感測器類應用，包括環境監測、智能報表和可穿戴設備等方面，主要挑戰在於連接數巨大且功耗要求低；

(4)低時延高可靠類應用場景主要包括工業及醫療行業的自動控制類業務、交通行業的自動駕駛、智能電網等，主要挑戰在於時延和移動性等方面的要求。

基於對上述四類場景的分析，5G的整體需求可以用下面的「5G之花」來表徵。如圖2，花瓣代表了5G的六大性能指標，體現了5G滿足未來多樣化業務與場景需求的能力，其中花瓣頂點代表了相應指標的最大值，分別體現為：5G要支持0.1～1 Gb/s的用戶體驗速率、每平方公里一百萬的連接數密度、毫秒級的端到端時延、每平方公里數十Tb/s的流量密度、每小時500 km以上的移動性和數十Gb/s的峰值速率。其中，用戶體驗速率、連接數密度和時延為5G最基本的3個性能指標。需要注意的是，並非所有的性能指標都需要同時滿足。另外，綠葉代表了3個效率指標，是實現5G可持續發展的基本保障，具體表現為，相比4G，5G的頻譜效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上，以滿足移動通信產業的可持續發展的需求。

2 5G空口新技術

為了滿足5G對系統整體傳輸效率的要求，5G空中介面需要採用一系列的新技術來提升無線傳輸的效率，達到3~5倍於4G系統的頻譜效率，以及現有空口時延的1/5等。

2.1 3D-MIMO（Massive MIMO）

如圖3所示，3D-MIMO[2]一般採用大規模的二維天線陣列，不僅天線埠數較多，而且可以在水平和垂直維度靈活調整波束方向，形成更窄、更精確的指向性波束，從而極大地提升終端接收信號能量，增強小區覆蓋；而傳統的2D-MIMO天線埠數較少，導致波束較寬，並且只能在水平維度調整波束方向，無法將垂直維的能量集中於終端，且僅能在水平維度區分用戶也導致其同時同頻可服務的用戶數受限；3D-MIMO可充分利用垂直和水平維的天線自由度，同時同頻服務更多的用戶，極大地提升系統容量，還可通過多個小區垂直維波束方向的協調，起到降低小區間干擾的目的。

3D-MIMO無論是在提升接收和發送的效率，提升多用戶MIMO的配對用戶數，還是降低小區間的干擾方面，都相對於傳統的天線有更好的性能，是5G提升頻譜效率的最核心的技術。

2.2 非正交多址[3]

面對5H通信中提出的更高頻譜效率、更大容量、更多連接，以及更低時延的總體需求，5G多址的資源利用必須更為有效。因此，在近兩年的國內外5G研究當中，資源非獨佔的用戶多址接入方式廣受關注。在這種多址接入方式下，沒有任何一個資源維度下用戶是具有獨佔性的，因此在接收端必須進行多個用戶信號的聯合檢測。得益於晶元工藝和數據處理能力的提升，接收端的多用戶聯合檢測已成為可實施的方案。

5G新型多址的設計將從物理層最基本的調製映射等模塊出發，引入功率域和碼率的混合非正交編碼疊加，同時在接收端引入多用戶聯合檢測來實現非正交數據層的解碼，其統一框架如圖4所示。發送端在單用戶通道編碼之後，進入核心的碼本映射模塊，包括調製映射、碼域擴展和功率優化，這三個部分也可聯合設計，獲得額外編碼增益；在接收端經過多用戶聯合檢測后的軟信息可輸入單用戶糾錯編碼的解碼模塊進行解碼，也可以將通道解碼的結果返回代入多用戶聯合檢測器進行大迭代解碼，進一步提升性能。在這個通用結構圖中，上下行多接入的區別在於多用戶信號疊加的位置不同，下行多用戶信號在過通道前，在發送端疊加，而上行多用戶信號則在經過無線通道后，在接收端疊加。

對比4G OFDMA正交多址的物理層過程，5G新型非正交多址物理層過程引入新模塊變化的動機主要有如下幾個方面：

(1)通過新的（多維）調製映射設計，獲得編碼增益和成型增益，提升接入頻譜效率；

(2)通過（稀疏）碼域擴展，獲得分集增益，增強傳輸魯棒性，也白化小區內或小區間數據流間的干擾（interference whitening）；

(3)通過非正交層間的功率優化，最大化多用戶疊加的容量區。

2.3 自包含幀結構[4]

5G系統為了進一步降低發送的時延，對時隙的結構和收發的反饋進行了新的設計。對於TDD系統，通過引入更多的上下行轉換點，縮短髮送和反饋之間的響應時間，這種幀結構的設計也叫自包含的幀結構。對於FDD，則可以通過更短的調度和傳輸周期，縮短傳輸時延。

5G定義的子幀格式如圖5，這種幀結構可以大大縮短收發之間的時間間隔，對於TDD而言，還可以提升上行通道探測的有效信息，進一步提升下行的MIMO的傳輸和檢測效率，從而提升系統頻譜效率。

2.4 更快速的狀態轉換[5]

5G為了實現更低的控制面時延，如10 ms，在4G已有的連接態和空閑態中引入了一個新的中間狀態，稱為去激活狀態。該狀態保留核心網的連接狀態，而刪除無線側的連接狀態，當需要時，可以快速建立無線側的連接，從而大幅降低從原空閑態到連接態的轉換時延。新的去激活狀態如圖6。

3 5G網路新技術

為了支持靈活的應用場景，和差異化的網路能力需求，5G需要更加靈活有效的網路架構，滿足未來運營商靈活組網、快速業務部署的需求。下面介紹5G的新技術特徵[6]。

3.1 三雲一層的網路架構

現有的4G網路結構單一而不靈活，很難滿足未來5G多場景、差異化QoS需求等實際部署需求。 面向未來的5G網路，基於控制與轉發分離和控制功能重構的技術設計新興網路架構，提高接入網在面向5G發雜場景下的整體接入性能。簡化核心網結構，提供靈活高效的控制轉發功能，支持高智能運營，開放網路能力，提升全網整體服務水平。控制功能的抽離和聚合，有利於通過網路控制平面從全局視角來感知和調度資源，實現網路連接的可編程。三雲一層網路架構如圖7。

3.2 面向服務的雲化網路使能端到端網路切片

5G網路架構最大的特徵就是基於SDN/NFV技術，通過面向服務的雲化網路，實現端到端的網路切片，從而實現業務的靈活和快速部署。同時，通過硬體和軟體的解耦，可以方便快捷地把網元功能部署在網路中的任意需要的位置，對通用硬體資源實現按需分配和動態伸縮，既以達到最優的資源利用率，也可以實現網路的動態、快速和按需部署。基於SDN/NFV的網路切片如圖8。

3.3 用戶為中心的無線網路[7]

5G網路需要針對用戶的行為、偏好和終端、網路的狀態和能力，提供最佳的用戶體現，實現以用戶為中心的網路，如圖9所示。

5G無線網路架構的主要設計理念如下：

(1)用戶與業務內容的智能感知

以智能無線管道為目標，通過引入更精細化的業務與用戶區分機制，根據業務場景、用戶能力、用戶偏好及網路能力等，自適應配置空口技術、系統參數等，實現端到端的精細而多樣化的網路連接、業務和內容區分與處理。5G網路架構將能支持基於對業務與用戶的預測、分析、響應和處理能力，實現自適應的空口接入與管理、端到端的精細而多樣化的業務和內容區分與處理，提供更精準、更完備的用戶個性化、定製化的資源配置和網路服務，以滿足多樣化的用戶及業務需求，並確保一致的、高質量的用戶體驗。

(2)業務下沉與業務數據本地化處理（MEC）

在邏輯功能上，基於核心網與無線網的功能重構，促使核心網專註於用戶簽約與策略管理以及集中控制，而其用戶面與業務承載功能繼續下沉，業務承載的管理與業務數據的路由和分發可部署在更靠近用戶的接入網，從而構建更加優化的業務通道，使得業務的路由通道更加簡化，避免業務瓶頸，降低集中傳輸的負荷。同時，基於對數據和業務內容的精細化感知，接入網不僅可以在本地生成、映射、緩存、分發數據，還可實現業務的本地就近智能分發和推送。

(3)支持多網融合與多連接傳輸

在可見的時間內，4G/5G/WiFi等多種網路將長期共存，因此，5G網路架構必須支持多種網路的深度融合，實現對於多種無線技術/資源的統一和協調管理，並基於承載與信令分離，信令與制式解耦，實現與接入方式無關的統一的控制，使得無線資源的利用達到最大化。同時，未來的終端也將普遍具備多制式多無線的同時連接和傳輸能力。在多維度業務接納與控制的基礎上，5G網路將基於時延容忍度、丟包敏感度以及不同的APP、業務提供商，支持精確的網路選擇與無線傳輸路徑與方式，實現最佳資源匹配。

4 總結

5G為移動通信技術的發展描繪了一個美好的藍圖。為了實現5G要求的超高頻率效率、超低時延、超高連接數密度、超低能耗，5G需要在空中介面技術和網路架構方面做出巨大的變革，包括引入大規模天線、非正交多址、自包含的幀結構、新的協議狀態、三雲一層的網路架構、端到端的網路切片、以用戶為中心的網路新技術等。

參考文獻

[1] IMT-2020(5G)推進組[OL].[2017-07-07].http://www.imt-2020.org.cn/zh.

[2] Liu Guangyi，Hou Xueying，Jin Jing，et al.3D-MIMO with massive antennas paves the way for 5G enhanced Mobile Broadband: from system design to field trials[J].IEEE Journal on Selected Area on Communications，2017.

[3] Zhang Jinfang，Lu Lei，Sun Yuntao，et al.PoC of SCMA-based uplink Grant-Free transmission in UCNC for 5G[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communication，2017，35(6)：1353-1361.

[4] 3GPP TR 38.802.Study on New Radio(NR) access technology，physical layer aspects（Release 14)[R].2016.

[5] 3GPP TR 38.804.Study on New Radio(NR) access technology，radio interface protocol aspects（Release 14）[R].2016.

[6] IMT-2020 5G網路技術白皮書[R].2016.

[7] 劉光毅，方敏，關皓，等.5G移動通信系統：從演進到革命[M].北京：人民郵電出版社，2016.