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5G移动通信技术现状与趋势

5G是面向2020年之后产业发展的新一代移动通信系统。5G移动通信系统将具有超高的频谱利用率和超低的功耗,传输速率和资源利用率等较4G移动通信提高一个量级,其无线覆盖性能和用户体验将得到显著提升。5G技术与其他通信技术相结合,构成的新一代移动信息网络,将满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的需求[1~5]。随着5G移动通信系统应用领域的拓展,将提升海量传感设备及机器与机器通信、高可靠低时延行业应用的支撑能力,5G将构成系统设计不可缺少的指标。未来5G系统具有网络自感知智能化能力,实现网络自我调整,灵活应对未来信息社会的快速变化。按照业界的共识,移动互联网和物联网是未来5G主要应用领域。5G典型场景涉及未来人们生活和工作等各种区域,特别是密集住宅区、办公室、露天集会及交通等场景。这些应用场景具有超高流量和连接数密度以及超高移动性等特征,对未来5G能力构成了挑战。

1世界发展现状与趋势

2016年初,国际标准化组织3GPP开始了面向5G的标准化研究;2017年12月,冻结了第一个支持非独立组网的5G标准,即3GPPR15版本。5G应用包括增强移动宽带、海量连接机器通信以及高可靠、低时延的物联网应用等3个典型场景,并规定了包括频谱效率、时间延迟、连接密度和峰值速率等在内的8个维度关键技术指标需求[6~9]。按照目前网络通信技术发展趋势,未来可能入选5G无线网络的核心关键技术包括:大规模天线矩阵、密集型网络以及毫米波接入。另外,网络虚拟化以及网络切片技术,也是具有广泛应用前景的核心关键技术,在云计算平台上,通过计算资源的调配与迁移,实现移动通信网络资源的动态配置,满足未来5G的应用场景。5G成为各国信息技术发展的战略制高点[10~15]。中国IMT-2020(5G)推进组、欧盟5GPPP、日本5GMF、韩国5G论坛、美洲5GAmericas等组织先后成立,推进各国和地区的5G需求、技术和频谱研究工作,各国和地区的5G相关组织相继成立,推动了5G产业的快速发展。同时,中欧展开5G项目合作,IEEE也开始发力5G。2015年6月,国际电信联盟ITU正式确定5G的时间表,针对5G发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标等深入进行了研讨,达成了基本共识。世界无线电大会WRC15会议确定了可能用于5G的低频段新频率,并向WRC19推荐了高频候选频段。2015年底,3GPP启动了5G标准化工作,由华为公司提出的极化码技术,入选5G增强宽带移动场景下的信道编码技术标准。预计2018年年中提出支持独立组网的5GR15标准,并在随后的升级技术版本中逐步完善。计划2019年底完成R16版本。2016年7月,Verizon发布V5G技术标准,FCC划定相应5G频谱,美国政府向5G投入4亿美元资金。2016年初,韩国KT和SKTelecom、日本NTTDoCoMo以及美国Verizon宣布共同组成了一个全球5G试验规范联盟。Verizon于2016年7月宣布完成V5G无线标准的制定。同时,美国FCC全球首次划定28GHz及以上约11GHz高频段5G频谱资源,美国政府宣布将投入4亿美元支持5G技术研发和网络测试,意欲在全球领先5G高频段部署。2016年9月,日本运营商软银(SoftBank)和旗下的WirelessCityPlanning召开新闻发布会,宣布启动面向下一代高速通信标准5G的项目,并在第一阶段计划商用可大幅扩展网络容量的低频MassiveMIMO技术。东京城区4个地点进行的实验表明通信速度平均可以提升约6.7倍,且其展示使用的MassiveMIMO相关基站的供应商主要来自中国。2017年3月,欧盟公布了“5G行动计划”具体测试计划,并开始测试;2018年,开始预商用测试;2020年,各成员国将至少选一个城市开展5G服务;到2025年,各成员国将在城区和主要交通沿线开展5G服务。

2我国发展现状与水平

在过去3个五年计划中,我国在863计划中相继部署了3G、4G移动通信重大项目,推动了“新一代宽带无线移动通信网”重大专项的组织实施,由此极大地提高了我国移动通信技术研发水平,促进了我国移动通信产业的跨越发展[16~18]。在无线组网新型构架基础技术等方面,做出了一系列包括如CRAN、DAS等在内的、有重要国际影响的研究成果;我国提出的TD技术入选国际标准,移动通信市场份额和产业规模位居世界前列。“新一代宽带无线移动通信网”重大专项开展了5G总体框架与无线新技术的研究,为我国5G关键技术的研究进行了布局。此外,973计划也对移动网络体系创新研究进行了部署。2013年初,在相关部门支持下,面向5G移动通信研究与发展的IMT-2020推进组正式成立,旨在统筹产学研用等多方力量,研究5G技术和产业发展方向,形成5G移动通信主要技术框架,为全面参与5G移动通信技术国际标准制定奠定了技术基础[19~20]。2013年6月,863计划部署了5G移动通信系统先期研究一期重大项目[21],其总体目标是:面向2020年移动通信应用需求,研究5G网络系统体系架构、无线组网和传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键技术,完成原型系统设计,并开展无线传输技术试验,支持业务总速率达10Gbps,空中接口频谱效率和功率效率较4G提升10倍。主要研究任务包括:5G无线网络构架、5G无线传输、5G总体架构以及5G评估与测试验证等。项目突破了高密度、高通量、超蜂窝无线网络技术,解决了超微小区网络协同与干扰消除等问题,将单位面积系统容量提高25倍左右;解决了大规模天线高维度信道建模与估计等问题,将无线传输频谱和功率效率提升一个量级;开展了高频段等新型频谱资源传输与组网技术研究,将移动通信系统总的可用频谱资源扩展4倍左右。2016年,我国开始了5G技术测试和实验。2016年9月,5G第一阶段测试结果由中国IMT-2020(5G)推进组发布,包括华为、中兴通讯、大唐电信、爱立信、诺基亚上海贝尔、英特尔和三星等厂商都参与了测试。第二阶段的工作已于2017年底完成,主要开展了面向移动互联网,低时延、高可靠和低功耗无线空口以及网络技术方案的研发和试验。2018年2月,华为在世界移动通信大会上,发布了全球首款商用的、基于3GPPR15标准的5G芯片。2018年4月,中国移动联合中兴通讯打通首个国内5G电话[22],测试采用的5G基站、核心网以及测试终端等全部基于3GPPR15版本。

3进一步发展重点

5G移动通信技术研究开发已进入关键时期。尽管ITU已经明确了5G的关键技术指标,并给出了5G的商用化进程时间表,但5G发展仍然面临较大的不确定性。首先,5G未来发展将沿着几种完全不同的技术路线发展演进,其中高频段发展路线尚不清晰。其次,5G移动通信系统需满足多个维度的关键技术指标,以适应高速移动互联网、大规模物与物互联以及高可靠、低时延的应用需求,目前尚不存在完全满足上述指标和应用需求且较为成熟的技术方案,5G技术发展与演进可能会进入一个“循序渐进、逐步到位”的发展进程。“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项,已将5G列入“十三五”重点发展任务,拟通过“十三五”的组织实施,使我国5G的技术研发和产业化走在世界前列。我国5G移动通信研发已经具备了较为雄厚的技术与产业基础,但相对发达国家,仍然存在明显的技术短板,需要围绕国家重大科技专项的实施统筹布局5G系统研发,并在“十三五”国家重点研发计划相关科技重点专项中,重点部署5G以及后5G移动通信关键技术与系统研发,以增强我国应对5G技术未来发展不确定性的能力,具体如下:(1)强化毫米波及太赫兹等新型频谱资源开发利用、基础技术及关键器件的研发。我国在这一领域的研发基础相对薄弱,尚未系统地掌握这一领域的关键技术与关键器件,势必影响到我国5G移动通信产业的长远发展。目前我国已初步掌握了单通道毫米波与太赫兹系统与器件技术,未来应重点攻克天线及射频通道数达到数百至数千时的系统与终端设计技术、混合构架波束成形集成电路设计技术、一体化天线与射频封装技术、设计与加工工艺等关键技术,并针对毫米波与太赫兹频段的有效利用,开展基础理论和方法研究。(2)强化开放构架移动通信系统设计与关键技术研发。我国从事5G研发的核心企业主要来自传统电信领域的设备制造企业和运营企业,尚不完全适应未来信息网络不断由封闭走向开放的发展进程。应借鉴美国NSF的5G发展思路,加强5G开放性新构架的研究,构建规模性、开放性、可重构的公共试验平台,鼓励新技术在开放环境下快速发展。(3)强化无线通信技术与高速光通信、先进计算和大数据技术的深度交叉融合研究。无线通信技术发展已逐步趋于性能极限,未来发展正呈现高速光互联、云计算、大数据、新型微电子与光电子器件、大规模射频与天线技术密切结合与相互融合的特征,以应对互联网络业务爆炸式增长与多样性发展的应用需求。应破除传统学科条块分割的限制,以系统应用为牵引,强化学科交叉融合研究。

4对策与建议

(1)坚持5G唯一标准。支持3GPP作为5G唯一标准。借鉴4G成功经验,以“开放、融合”的心态参与全球竞争与合作,在标准化制定中尽可能达成一致意见。提升中国在3GPPNR标准化中的贡献度,支持5G标准化中知识产权各方均衡。(2)明确5G高频频谱规划。加快高频段布局和规划,推动中国与全球尽可能一致的高频段划分,促进中国政府高频段发展的产业协调,加快高频段试验试点,降低V5G等高频段标准发展带来的产业和市场压力。(3)加快5G低频段产业化进程。尽早发布5G预商用频段和开展网络建设,推动与其他国家协调一致,规划更多6GHz以下频率用于5G,保证低频段网络发展的优先级,促进低频段5G产业尽快成熟壮大。(4)弥补5G技术薄弱环节。针对高频段器件、芯片以及相关测试测量等薄弱领域开展攻关,设立专项资金,尽快培育高频段产业能力。(5)加强5G跨界融合。鼓励和协调国内外产业界以及更多垂直行业尽早参与研发规划,使5G的研发能与“互联网+”“中国制造2025”有机衔接。(6)加强管理协调。借鉴美国开放性5G的发展经验,改革国家项目管理,引入第三方管理模式。

作者:傅耀威 徐 泓 杨国威 孟宪佳 宋 阳 单位:科学技术部高技术中心

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