在國內，華為、中興、愛(ài)立信、諾基亞和上海貝爾、大唐、英特爾等公司均參與了2016年的5G技術(shù)研發(fā)試驗第一階段測試。為盡早實(shí)現5G商用，在2017年，運營(yíng)商、設備商，及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈應結合5G研發(fā)試驗第一階段測試結果，對5G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破。

 

 

 

大規模多天線(xiàn)技術(shù)（Massive MIMO）被認為是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，是唯一可以十倍、百倍提升系統容量的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。相比于以前的單一天線(xiàn)及4G廣泛使用的4/8天線(xiàn)系統，大規模多天線(xiàn)技術(shù)能夠通過(guò)不同的維度（空域、時(shí)域、頻域、極化域等）提升頻譜利用效率和能量利用效率；多維天線(xiàn)陣列可以自適應地調整各個(gè)天線(xiàn)陣子的相位和功率，顯著(zhù)提高M(jìn)IMO系統的空間分辨率；多天線(xiàn)陣子的動(dòng)態(tài)組合，天然可以應用波束賦形技術(shù)，從而讓能量較小的波束集中在一塊小型區域，將信號強度集中于特定方向和特定用戶(hù)群，因此可以顯著(zhù)降低小區內自干擾、鄰區干擾等，提高用戶(hù)信號載干比。

 

結合5G技術(shù)試驗的測試過(guò)程及結果，大規模多天線(xiàn)技術(shù)的以下關(guān)鍵問(wèn)題仍需要進(jìn)一步地研究：

 

1）信道估計及建模。天線(xiàn)陣子的動(dòng)態(tài)組合及分配和用戶(hù)終端的移動(dòng)性，導致傳統的發(fā)射端位置固定的信道估計和建模方式不再適用。多個(gè)用戶(hù)在地理位置的隨機分布將顯著(zhù)影響天線(xiàn)陣子的分配，基站需要依賴(lài)信道的移動(dòng)性和能量在空間的連續性盡快做出最優(yōu)或者較優(yōu)的信道估計。信道能量在空間的分布不均勻、不同的散射體和反射體的回波只對不同的天線(xiàn)陣子可見(jiàn)，意味著(zhù)信道的相關(guān)性將難以預測，衰落將呈現非靜態(tài)特征。

 

2）導頻污染，上行信道估計容易被相鄰小區的非正交序列干擾，基于受污染的信道估計的下行鏈路波束賦形將會(huì )對使用同一個(gè)導頻序列的終端造成持續的定向干擾，從而降低系統容量。

 

3）FDD系統的部署。FDD系統發(fā)展Massive MIMO，需要考慮信道估計的優(yōu)化算法、CSI反饋增強及干擾控制、降低反饋占用的資源量的一系列尚未得到解決的問(wèn)題。

 

4）商業(yè)化的部署與成本控制。由于5G基站天線(xiàn)數目將極大增長(cháng)，大規模天線(xiàn)系統會(huì )需要使用大量的天線(xiàn)陣子，工業(yè)生產(chǎn)時(shí)必然有嚴格的成本控制要求，反過(guò)來(lái)需要在理論上解決不同場(chǎng)景下最優(yōu)的天線(xiàn)數量這一課題。大規模多天線(xiàn)系統的設計、制造、工程、安裝、人力等成本均需有進(jìn)一步的減少，才能在商業(yè)化部署中不受制約。

 

 

3GPP RAN1在2016年中的會(huì )議已決定：eMBB場(chǎng)景的多址接入方式應基于正交的多址方式，非正交的多址技術(shù)只限于mMTC的上行場(chǎng)景。這就意味著(zhù)，eMBB的多址技術(shù)將更可能采用DFT-S-FDMA和OFDMA.而華為SCMA、中興MUSA和大唐的PDMA等將在2017年競爭mMTC的上行多址方案。

 

SCMA、MUSA、PDMA和NOMA等非正交多址方案均依賴(lài)于SIC技術(shù)，該技術(shù)雖然有良好的信號檢測性能，但如果要應用在5G系統中，仍需要解決：

 

1）5G的大連接數需求迫使人們設計更復雜SIC接收機，這就要求系統在可接受的功耗水平內裝配更強的信號處理能力的芯片；

 

2）功率域、空域、編碼域單獨或聯(lián)合地編碼傳輸，要求SIC技術(shù)具有不斷地對用戶(hù)的特征進(jìn)行排序的強大能力；

 

3）多級處理過(guò)程中，SIC技術(shù)有可能會(huì )帶來(lái)較大的處理時(shí)延，必須通過(guò)優(yōu)化算法來(lái)降低負面影響。

 

此外，各個(gè)候選的多址接入技術(shù)也都具有一定的技術(shù)局限。以SCMA為例，仍存在的問(wèn)題主要有：

 

1）代價(jià)合理的碼本設計；

 

2）低復雜度的接收及SIC算法；

 

3）系統處理速率和鏈路預算的優(yōu)化；

 

4）大量用戶(hù)在短時(shí)間接入時(shí)，SCMA會(huì )帶來(lái)峰值平均功率比過(guò)高問(wèn)題。

 

目前，一共有15種非正交多址技術(shù)的候選方案在競爭，如果中國的三種方案想獲得成功，仍需盡快解決各自候選方案中潛在的技術(shù)問(wèn)題，才能增大中選的可能。

 

 

未來(lái)5G系統將面向6GHz以下和6GHz以上全頻段布局，以綜合滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )對容量、覆蓋、性能等方面的要求。目前，6GHz以下的低頻段擁擠不堪，6GHz以上的高頻段研發(fā)不足，這是對未來(lái)海量的5G頻譜需求最大的挑戰：

 

1）高頻段頻譜信道具有很多新的特征，比如高路損、高散射和對動(dòng)態(tài)環(huán)境敏感等，需要理論界進(jìn)一步的研究。

 

2）元器件成本高昂，對RF功能組件的成本控制不利，也對移動(dòng)終端提出了新的要求。

 

3）最重要的是，需要全球統一劃定可以使用的高頻段，識別出6GHz—100GHz當中的最佳頻譜。所謂的“最佳”，就是不僅具備優(yōu)秀物理特性，還得適合國際間的協(xié)調，同時(shí)也要照顧到目前軍隊、衛星通信及其他行業(yè)的實(shí)際使用情況?？梢灶A見(jiàn)到，全球統一的高頻段頻譜的劃定也必然是一場(chǎng)不見(jiàn)硝煙的技術(shù)戰爭。

 

 

5G新空口多載波技術(shù)將全面滿(mǎn)足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求。選擇新的波形類(lèi)型時(shí)有許多因素要考慮，包括頻譜效率、時(shí)延、計算復雜性、能量效率、相鄰信道共存性能和實(shí)施成本。截至目前，業(yè)內呼聲最高的3個(gè)候選技術(shù)是：F-OFDM、FB-OFDM和UF-OFDM.這三種多載波技術(shù)的共同點(diǎn)是：均采用了濾波器機制，具有較低的帶外泄露，可以減少保護帶開(kāi)銷(xiāo)。子帶間能量隔離，不再需要嚴格的時(shí)間同步，有益于減少同步信令開(kāi)銷(xiāo)。但良好的濾波器設計及濾波器輸入參數是三種技術(shù)的實(shí)現關(guān)鍵。最優(yōu)的濾波器設計，要求是帶內近似平坦并且帶外陡降，濾波器所帶來(lái)的信噪比和誤包率損失可忽略，而陡降的帶外泄露也可以大幅降低保護帶的開(kāi)銷(xiāo)。此外，還需要考慮實(shí)現復雜度、算法復雜度等約束條件。

 

FB-OFDM原理方案中所使用的濾波器組是以每個(gè)子載波為粒度的。通過(guò)優(yōu)化的原型濾波器設計，FB-OFDM可以極大地抑制信號的旁瓣，而且與UF-OFDM類(lèi)似，FB-OFDM也通過(guò)去掉CP的方式來(lái)降低開(kāi)銷(xiāo)。UF-OFDM和F-OFDM方案中的濾波器組都是以一個(gè)子帶為粒度的。兩者主要差別是：

 

一方面，UF-OFDM使用的濾波器階數較短，F-OFDM需要使用較長(cháng)的濾波器階數；

 

另一方面，UF-OFDM不需要使用CP，而考慮到后向兼容的問(wèn)題F-OFDM仍然需要CP，其信號處理流程與傳統的OFDM基本相同。FB-OFDM旁瓣水平低，降低了對同步的嚴格要求，但是濾波器的沖激響應長(cháng)度很長(cháng)，所以FB-OFDM的幀較長(cháng)，不適用于短包類(lèi)通信業(yè)務(wù)。UF-OFDM是對一組連續的子載波進(jìn)行濾波處理，可以使用較短濾波器長(cháng)度，支持短包類(lèi)業(yè)務(wù)，但UF-OFDM沒(méi)有CP，因此對需要松散時(shí)間同步以節約能源的應用場(chǎng)景不適合。

 

 

3GPP RAN1在2016年10月里斯本會(huì )議和11月里諾會(huì )議中已形成如下決議：

 

1）eMBB場(chǎng)景的上行和下行數據信道均采用flexible LDPC編碼方案；

 

2）eMBB場(chǎng)景的上行控制信道采用Polar編碼方案；

 

3）eMBB場(chǎng)景的下行控制信道傾向于采用Polar編碼方案而不是TBCC（咬尾卷積碼）方案，但仍需在以后會(huì )議中確認；

 

4）uRLLC和mMTC場(chǎng)景的數據信道和控制信道的編碼方案需要進(jìn)一步研究。

 

Turbo Code 2.0、LDPC、Polar編碼方案各有千秋，在編碼效率上均可以接近或“達到”香農容量，并且有著(zhù)低的編碼和譯碼復雜度，對芯片的性能要求和功耗都不高。但由于LDPC和Polar編碼更適應5G的高速率，低時(shí)延、大容量數據傳輸及多種場(chǎng)景的要求，事實(shí)上Turbo編碼方案已經(jīng)退出了競爭。在2017年，uRLLC和mMTC場(chǎng)景的數據信道和控制信道的編碼方案將是LDPC和Polar編碼方案的雙雄競爭，從技術(shù)角度而言，LDPC和Polar編碼方案難分伯仲。究竟在哪種場(chǎng)景、哪種信道選擇哪種編碼方案，市場(chǎng)、專(zhuān)利、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度等恐怕是更重要的砝碼。這里需要提到的是，LDPC碼由于提出時(shí)間最早，其相關(guān)的專(zhuān)利已紛紛到期或接近到期，而Polar碼最為年輕，專(zhuān)利年限相對較長(cháng)。此外，LDPC已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用，產(chǎn)業(yè)成熟度非常高，而Polar碼由于年限較短，暫時(shí)還沒(méi)有明確的技術(shù)標準，也談不上有多少應用。由此而看，Polar碼如果想應用在uRLLC和mMTC場(chǎng)景中，難度較大。

 

 

全雙工技術(shù)可以使通信終端設備能夠在同一時(shí)間同一頻段發(fā)送和接收信號，理論上，比傳統的TDD或FDD模式能提高一倍的頻譜效率，同時(shí)還能有效降低端到端的傳輸時(shí)延和減小信令開(kāi)銷(xiāo)。全雙工技術(shù)的核心問(wèn)題是如何有效地抑制和消除強烈的自干擾。

 

5G第一階段測試實(shí)驗室測試系統是少天線(xiàn)和小帶寬，且實(shí)驗室無(wú)線(xiàn)環(huán)境較純凈，而未來(lái)商業(yè)部署后，必然面臨著(zhù)多鄰居小區的同頻異頻干擾、異構異制式小區干擾、多種類(lèi)型的天線(xiàn)、100MHz以上的帶寬和其它難以預料的復雜干擾，對于這樣情況下的全雙工系統的工作原理、自干擾的消除算法、信道及干擾的數學(xué)建模還缺乏深入的理論分析和系統的實(shí)驗驗證。

 

再看全雙工技術(shù)與基站系統的融合方面，引入全雙工系統后，需要解決：

 

1）物理層的全雙工幀結構、數據編碼、調制、功率分配、波束賦形、信道估計、均衡等問(wèn)題；

 

2）MAC層的同步、檢測、偵聽(tīng)、沖突避免、ACK/NACK等問(wèn)題；

 

3）調整或設計更高層的協(xié)議，確保全雙工系統中干擾協(xié)調策略、網(wǎng)絡(luò )資源管理等；

 

4）與Massive MIMO技術(shù)的有效結合、接收、反饋等問(wèn)題及如何在此條件下優(yōu)化MIMO算法；

 

5）考慮到4G空口的演進(jìn)，全雙工和半雙工之間動(dòng)態(tài)切換的控制面優(yōu)化，以及對現有幀結構和控制信令的優(yōu)化問(wèn)題也需要進(jìn)一步研究。

 

未來(lái)大規模商業(yè)部署時(shí)，需要考慮制造成本，那么在RF及電路元器件設計及制造時(shí)，自干擾消除電路需滿(mǎn)足寬頻（大于100MHz）、功耗低、尺寸利于安裝、且可支持Massive MIMO所需的多天線(xiàn)（多于64根）。

 

 

超密集異構組網(wǎng)技術(shù)可以促使終端在部分區域內捕獲更多的頻譜，距離各個(gè)發(fā)射節點(diǎn)距離也更近，提升了業(yè)務(wù)的功率效率、頻譜效率，大幅度提高了系統容量，并天然地保證了業(yè)務(wù)在各種接入技術(shù)和各覆蓋層次間負荷分擔。但超密集部署場(chǎng)景下，由于各個(gè)發(fā)射節點(diǎn)間距離較小，網(wǎng)絡(luò )間的干擾將不可避免，主要類(lèi)型有：同頻干擾，共享頻譜資源干擾，不同覆蓋層次間的干擾，鄰區終端干擾等。在現實(shí)場(chǎng)景下，如何有效進(jìn)行節點(diǎn)協(xié)作、干擾消除、干擾協(xié)調成為重點(diǎn)解決的問(wèn)題，現在業(yè)內已經(jīng)提出了一系列的方案，如虛擬層技術(shù)、小區動(dòng)態(tài)分簇等，但均沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際驗證，效果有待檢驗。

 

超密集地部署網(wǎng)絡(luò )發(fā)射節點(diǎn)，使得小區邊界數量劇增，加之小區邊界更不規則，導致更頻繁、更為多樣的切換，原有的4G分布式切換算法會(huì )使得其小區間交互控制信令負荷會(huì )隨著(zhù)小區密度的增加以二次方趨勢增長(cháng)，極大地增加了網(wǎng)絡(luò )控制信令負荷。超密集部署場(chǎng)景下的切換算法是必須解決的問(wèn)題。

 

超密集部署的發(fā)射節點(diǎn)狀態(tài)的隨機變化，使得網(wǎng)絡(luò )拓撲和干擾類(lèi)型也隨機動(dòng)態(tài)變化，加上多樣化的用戶(hù)業(yè)務(wù)需求保障，同時(shí)為了降低網(wǎng)絡(luò )部署、運營(yíng)維護復雜度和成本，提高網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量，超密集組網(wǎng)技術(shù)必須配合更智能的、能統一實(shí)現多種無(wú)線(xiàn)接入制式、覆蓋層次的自配置、自?xún)?yōu)化、自愈合的網(wǎng)絡(luò )自組織技術(shù)。就當前的研究成果來(lái)看，超密集部署場(chǎng)景下的SON技術(shù)（自配置、自?xún)?yōu)化、自愈功能）是業(yè)內缺乏共識，也是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

 

 

隨著(zhù)軟件定義網(wǎng)絡(luò )（SDN）和網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化（NFV）等技術(shù)的逐步成熟，5G組網(wǎng)技術(shù)已能實(shí)現控制功能和轉發(fā)功能的分離，以及網(wǎng)元功能和物理實(shí)體的解耦，從而實(shí)現網(wǎng)絡(luò )資源的智慧感知和實(shí)時(shí)調配，以及網(wǎng)絡(luò )連接和網(wǎng)絡(luò )功能的按需提供和適配。原本業(yè)界普遍擔心的網(wǎng)絡(luò )切片技術(shù)，也由其發(fā)起者愛(ài)立信在第一階段測試中通過(guò)原型機進(jìn)行了實(shí)驗室驗證，測試中實(shí)現了基于愛(ài)立信提出的切片管理三層架構（業(yè)務(wù)管理層，切片管理層，共享基礎設施/資源層）下，完整的網(wǎng)絡(luò )切片生命周期管理全過(guò)程，其中包含基于切片Blueprint的切片構建和激活，運行狀態(tài)監控、更新、遷移、共享、擴容、縮容，以及刪除切片等。此外，還驗證了目前3GPP標準中主流的切片選擇方案；以及根據不同的業(yè)務(wù)需求，切片在多數據中心的靈活部署等場(chǎng)景。

 

SDN和NFV的組合雖然功能強大，但仍然不能解決所有的問(wèn)題，由于現實(shí)中存在多種傳統網(wǎng)絡(luò )，5G的新型網(wǎng)絡(luò )架構將不得不考慮如何解決異構網(wǎng)絡(luò )之間的兼容性問(wèn)題、如何規范編程接口、如何發(fā)現靈活有效的控制策略、如何進(jìn)行不同架構網(wǎng)絡(luò )協(xié)議適配、南北向接口的數據規范、數據采集處理等一系列問(wèn)題。

 

5G是移動(dòng)寬帶網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的有機組合，因此機器間通信技術(shù)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、情景感知技術(shù)、C-RAN和D-RAN組網(wǎng)技術(shù)等領(lǐng)域也是其組成部分。就已知的研究成果來(lái)看，這些領(lǐng)域中仍然存在著(zhù)大量的問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究，并最終拿出可以在實(shí)際場(chǎng)景部署的商用解決方案。

 

5G會(huì )和4G一樣，是一個(gè)長(cháng)期演進(jìn)的多種技術(shù)的組合，現有的研究成果已經(jīng)讓人們體驗到超高速率、零時(shí)延、超大連接、信息融合等等部分5G的特性，但這并不是5G的全部，隨著(zhù)各種研究的不斷深入，5G關(guān)鍵支撐技術(shù)將從2017年開(kāi)始逐步得以明確，并進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的標準化研究與制定階段，最終在2020年前后實(shí)際商用部署，5G將為人們的日常生產(chǎn)生活提供更加便利的通信條件。