5G通信关键技术分析及标准化展望

刘成平

本文在概述5G通信系统体系架构的基础上，对MIMO、SDN、ICN、D2D通信等关键技术进行了分析探讨，最后总结了5G通信技术发展趋势及未来研究动向。结果表明，5G通信系统是长期演进的第四代移动通信系统全面商用基础上的必然发展趋势，也是顺应移动数据需求爆炸式增长的必然要求。

5G体系架构由核心网、接入网和网络布设场景等模块构成，5G技术在3G和4G技术聚焦于移动宽带应用场景并提供更高数据处理速率和强化的系统容量的基础上，还能够提供视频形式等非常规数据处理速率和业务驱动容量。对于RAN等核心网络而言，端到端系统的调整将构成5G演化的一个阶段，5G无线接入既涉及无线电接口技术，又能为人与设备提供无线接入的解决路径。

（一）MIMO技术

该技术通过在发射机、接收机端同时设置多个天线，增加比基站同时服务于相同时频块所对应用户天线数量更多的基站天线数量，以提升无线链路频谱传输效率。与此同时，各个用户信号所对应的预编码处理将同时减少至共轭波束简单赋形。通过时分双工的方式解决发射机获取信道信号的问题，上下行频段保持相同。用户通过在上行发送正交导频的方式以估计上行信道，用于下行共轭波束赋形。考虑到受导频传输资源的限制，上行导频传输并非始终处于正交状态，必然增大信道估计误差，引发导频污染。基站侧天线有效布设对无线天线技术提出了较高要求，信道具有十分显著的互易性特征，但是发送和接收路径却不具备这种特征，必须加强天线校准。而MIMO技术需要同时服务于多用户以达到高频谱效率，故其不会引起单个用户峰值速率的显著增大。

（二）SDN和ICN技术

SDN属于分离数据平面和控制平面后直接进行控制平面编程的新型网络架构，该架构能有效解决数据中心弹性计算和高动态网络存储方面的高要求。SDN架构在数据中心网络中具有明显优势，而对于数据中心以外的虚拟专用网络的创建，要求提升光链路动态配置性能。5G通信系统中的SDN能完全超出无线网络政策框架传输资源方面的制约，借助服务连接转发平面功能应用于SDN分组核心网，并同时具备无线控制功能。

在SDN网络架构上所出现的NFV技术进一步使其网络功能虚拟化，并能运行于共享使用现成数据中心计算机基础设施的虚拟机管理程序中，NFV技术目前已经在4G通信系统中得到了广泛应用，在5G通信系统中必将具有广阔的应用前景，5G通信系统借助NFV技术基础以及核心网中虚拟化的无线网络功能设计，保证应用数据处理质量和效率。

ICN技术基于网络行为模式应当是请求信息和获取信息的假设，使当前的网络从位置中心体系架构演进至信息中心架构。ICN技术依托未来互联网技术的演进优势，尤其是对全新通信模式的接纳，使得系统控制的重点转向信息发布，而非端点间数据包传输。这就要求互联网必须重新审视应用模型的要求，突出可扩展的内容分发、安全性和移动性。为促进网络、存储和计算过程的有机融合，必须将SDN和ICN技术架构的优势综合起来，达到对网络资源的快速计算和存储，增强整个信息处理过程的可控制性。

（三）上下文感知

结合理论和实践，信息的上下文感知对网络约束的适应及运营商测量框架等方面有较高要求，而网络无法提供对于众多设备均适用的资源，也无法高效感知上下文信息。与此同时，向网络和设备赋予上下文感知功能后能大大提升用户体验，并能抛开互联网检索信息后通过网络向用户提供及时、高度相关的信息。网络和设备主要通过历史使用模式、位置、用户偏好等上下文感知能力提升用户体验，这种能力能保证通过网络向用户提供及时性和相关性均最优的信息，并能有效省去互联网检索的环节，尽可能过滤掉无关信息。上下文感知过程中所需要的信息主要通过网络数据库、网络监视器、分析平台、设备、网络元件等实施收集，在这一过程中体现出安全可靠、成本、功耗等优良的服务属性，进而将访问服务属性映射至5G通信系统。

上下文感知服务由主动上下文感知、被动上下文感知及个性化等方面构成。其中的主动上下文感知具备上下文自动适应功能，并能自动触发向用于提供具体服务的功能；被动上下文感知则能自动捕捉到用户所提出、赋予或触发的上下文信息；个性化主要为用户提供符合个人偏好的上下文数据。目前，所存在的上下文感知分层架构虽然具有不同的应用领域，但是结构框架大同小异，均主要负责上下文信息的解释，特定环境及對象上下文信息的收集，向应用程序提供接口。

（四）D2D通信

4G通信系统中D2D功能较为有限，主要用于通信安全及临近检测方面，而作为5G通信技术方面的应用，必须充分考虑多跳通信技术或组成技术高度集成回程/接入技术等方面的D2D通信。通过更加通用的D2D通信技术实现整个无线接入，当周围的设备之间进行终端用户数据传输的过程中，通过使用D2D通信能实现整体系统间更加高效的传输。通过该通信架构的应用能使超出设备中继等常规设施的覆盖范围显著扩大，并借助高速化的通信合作设备向多设备同时提供联合传输/接收手段，开辟更为有效的通信沟通渠道。应用实践证明，D2D通信架构属于新型短距离蜂窝控制通信技术，其可为蜂窝控制下复用系统频谱资源端至端通信提供终端保障，并比传统的蜂窝网络终端通信必须通过基站进行处理与转发等过程具有更高的信息吞吐量，同时还能使瞬时数据传输速率、系统频谱效率等显著提升，终端发射功率明显下降。考虑到端对端的直接通信系统必须基于蜂窝系统频谱资源复用，故D2D架构和蜂窝通信链路之间必将出现冲突和同频率干扰，应当从D2D用户功率及无线资源管理等角度进行防蜂窝网络干扰技术的探索。

D2D通信分为带内和带外两种形式。其中带内D2D通信主要出现在同时被蜂窝链路和D2D使用的授权频谱中，根据相关研究，未经授权的频谱干扰具备较大的管理难度，并对服务质量配置有较大制约。带内D2D又分为重叠和衬底两种通信形式，衬底形式下无线资源同时被蜂窝链路与D2D通信共享，而在重叠形式下蜂窝链路专用资源通过D2D形式得出。带外D2D通信形式属于未被授权的频谱，其应用的动机主要在于通过额外接口将蜂窝链路和D2D之间干扰彻底消除。

国际电信联盟于2012年便开始启动5G标准化，按照3G和4G的命名规则，该组织将5G命名为IMT-2020，通过对市场潜在需求及频谱技术未来发展动向的分析，进行5G通信系统整体架构规划及预期通信能力的预估。明确5G技术发展趋势及带宽、用户体验、终端、频谱效率等方面的网络关注重点，以明确5G技术所应具备的能力，并在此基础上进行5G技术的验证及标准化处理。当前国际电信联盟已经通过发布相关报告明确定义出5G通信愿景及关键能力，将该通信技术的应用场景定位在移动宽带性能增强、机器间大规模通信、低时延高可靠通信等方面。国际电信联盟所定义的5G通信技术核心能力指标包括流量密度、连接数、延时、能效、移动性、频谱效率及用户体验速率、峰值速率等方面。在此基础上，国际标准化组织也提出5G演进计划，众多国家相关组织纷纷参与5G通信标准化进程，对5G通信技术性能指标、场景、应用目标及挑战等展开系统性研究。全球运营商NGMN、WWRF等均已完成5G关键技术及市场需求白皮书，通过阐述5G通信技术要点以在运营商中形成标准化的技术应用模式。

综上所述，5G通信技术初步标准化已经在2020年完成，针对低时延高可靠通信、机器间大规模通信、移动宽带增强等应用场景，5G通信系统可实现10Tbps/km2的流量密度、1ms的超低时延、1Mbps/km2的海量数据连接、100倍的能耗降低幅度。为支撑以上5G通信系统核心能力的实现，必须进行相应网络及无线接入技术的进一步深入研究与探索，真正实现5G通信系统网络容量提升，能耗降低，通信和计算技术的有效融合。

作者单位：山西信息规划设计院有限公司