我们走向5G时代

数据是新时代的石油，是当前技术领域最重要的驱动力。为了满足海量数据的计算和连接需求，我们正满怀期待地迎接下一代无线通信技术 －－ 5G的到来。5G将充分释放数据潜能，升级人类生活体验。实际上， 5G 不仅仅是通信行业向前迈出的革命性一步，更是一场整合无线连接、计算和云的产业革命。 它不仅关乎手机、PC，还有无人驾驶、虚拟现实、智慧城市等前瞻性应用领域。

在3G、4G和5G等名词中，G是英文单词“generation”（第x代）的缩写。因此，5G就是第五代移动通信技术。

在移动通信领域：

1G是模拟技术；

采用频分多址（FDMA），只能提供模拟语音业务；

2G实现了数字化语音通信；

主要采用时分多址（TDMA），可提供数字语音和低速数据业务；

3G技术以多媒体通信为特征；

3G以码分多址（CDMA）为技术特征，用户峰值速率达到2Mbps至数十Mbps，可以支持多媒体数据业务；

4G就是现在普遍的应用通信技术，其通信速率大大提高，标志着进入无线宽带时代。

4G以正交频分多址（OFDMA）技术为核心，用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps，能够支持各种移动宽带数据业务。

5G

5G关键能力比以前几代移动通信更加丰富，用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G的关键性能指标。然而，与以往只强调峰值速率的情况不同，业界普遍认为用户体验速率是5G最重要的性能指标，它真正体现了用户可获得的真实数据速率，也是与用户感受最密切的性能指标。基于5G主要场景的技术需求，5G用户体验速率应达到Gbps量级。

面对多样化场景的极端差异化性能需求，5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案。此外，当前无线技术创新也呈现多元化发展趋势，除了新型多址技术之外，大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型网络架构等也被认为是5G主要技术方向，均能够在5G主要技术场景中发挥关键作用。

综合5G关键能力与核心技术，5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。其中，标志性能力指标为“Gbps用户体验速率”，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。

 5G关键技术

5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。

在无线技术领域，大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点；在网络技术领域，基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的新型网络架构已取得广泛共识。

此外，基于滤波的正交频分复用（F-OFDM）、滤波器组多载波（FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通（D2D）、多元低密度奇偶检验（Q-ary LDPC）码、网络编码、极化码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。

5G无线关键技术

大规模天线阵列在现有多天线基础上通过增加天线数可支持数十个独立的空间数据流，将数倍提升多用户系统的频谱效率，对满足5G系统容量与速率需求起到重要的支撑作用。大规模天线阵列应用于5G需解决信道测量与反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现等关键问题。

超密集组网通过增加基站部署密度，可实现频率复用效率的巨大提升，但考虑到频率干扰、站址资源和部署成本，超密集组网可在局部热点区域实现百倍量级的容量提升。干扰管理与抑制、小区虚拟化技术、接入与回传联合设计等是超密集组网的重要研究方向。

新型多址技术通过发送信号在空/时/频/码域的叠加传输来实现多种场景下系统频谱效率和接入能力的显著提升。此外，新型多址技术可实现免调度传输，将显著降低信令开销，缩短接入时延，节省终端功耗。目前业界提出的技术方案主要包括基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址（SCMA）技术，基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入（MUSA）技术，基于非正交特征图样的图样分割多址（PDMA）技术以及基于功率叠加的非正交多址（NOMA）技术。

全频谱接入通过有效利用各类移动通信频谱（包含高低频段、授权与非授权频谱、对称与非对称频谱、连续与非连续频谱等）资源来提升数据传输速率和系统容量。6GHz以下频段因其较好的信道传播特性可作为5G的优选频段，6~

100GHz高频段具有更加丰富的空闲频谱资源，可作为5G的辅助频段。信道测量与建模、低频和高频统一设计、高频接入回传一体化以及高频器件是全频谱接入技术面临的主要挑战。

5G网络关键技术

未来的5G网络将是基于SDN、NFV和云计算技术的更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。5G网络架构包括接入云、控制云和转发云三个域。接入云支持多种无线制式的接入，融合集中式和分布式两种无线接入网架构，适应各种类

型的回传链路，实现更灵活的组网部署和更高效的无线资源管理。5G的网络控制功能和数据转发功能将解耦，形成集中统一的控制云和灵活高效的转发云。

控制云实现局部和全局的会话控制、移动性管理和服务质量保证，并构建面向业务的网络能力开放接口，从而满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率。转发云基于通用的硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现海量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。

基于“三朵云”的新型5G网络架构是移动网络未来的发展方向，但实际网络发展在满足未来新业务和新场景需求的同时，也要充分考虑现有移动网络的演进途径。5G网络架构的发展会存在局部变化到全网变革的中间阶段，通信技术与IT技术的融合会从核心网向无线接入网逐步延伸，最终形成网络架构的整体演变。

5G技术场景

面向2020年及未来，移动互联网和物联网业务将成为移动通信发展的主要驱动力。5G将满足人们在居住、工作、休闲和交通等各种区域的多样化业务需求，即便在密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性特征的场景，也可以为用户提供超高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验。

与此同时，5G还将渗透到物联网及各种行业领域，与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样化业务需求，实现真正的“万物互联”。

5G将解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战，不同应用场景面临的性能挑战有所不同，用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可能成为不同场景的挑战性指标。从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发，可归纳出连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个5G主要技术场景。

连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求，也是传统的4G主要技术场景。

• 连续广域覆盖场景是移动通信最基本的覆盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣环境）为用户提供100Mbps以上的用户体验速率。

  
  

• 热点高容量场景主要面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。1Gbps用户体验速率、数十Gbps峰值速率和数十Tbps/km2的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。

低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持地物联网及垂直行业应用。

• 低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。

  
  

• 低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。

5G主要场景与关键性能的挑战

5G场景和关键技术的关系

连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接等四个5G典型技术场景具有不同的挑战性指标需求，在考虑不同技术共存可能性的前提下，需要合理选择关键技术的组合来满足这些需求。

• 在连续广域覆盖场景，受限于站址和频谱资源，为了满足100Mbps用户体验速率需求，除了需要尽可能多的低频段资源外，还要大幅提升系统频谱效率。大规模天线阵列是其中最主要的关键技术之一，新型多址技术可与大规模天线阵列相结合，进一步提升系统频谱效率和多用户接入能力。在网络架构方面，综合多种无线接入能力以及集中的网络资源协同与QoS控制技术，为用户提供稳定的体验速率保证。

  
  

• 在热点高容量场景，极高的用户体验速率和极高的流量密度是该场景面临的主要挑战，超密集组网能够更有效地复用频率资源，极大提升单位面积内的频率复用效率；全频谱接入能够充分利用低频和高频的频率资源，实现更高的传输速率；大规模天线、新型多址等技术与前两种技术相结合，可实现频谱效率的进一步提升。

  
  

• 在低功耗大连接场景，海量的设备连接、超低的终端功耗与成本是该场景面临的主要挑战。新型多址技术通过多用户信息的叠加传输可成倍提升系统的设备连接能力，还可通过免调度传输有效降低信令开销和终端功耗；F-OFDM和FBMC等新型多载波技术在灵活使用碎片频谱、支持窄带和小数据包、降低功耗与成本方面具有显著优势；此外，终端直接通信（D2D）可避免基站与终端间的长距离传输，可实现功耗的有效降低。

  
  

• 在低时延高可靠场景，应尽可能降低空口传输时延、网络转发时延及重传概率，以满足极高的时延和可靠性要求。为此，需采用更短的帧结构和更优化的信令流程，引入支持免调度的新型多址和D2D等技术以减少信令交互和数据中转，并运用更先进的调制编码和重传机制以提升传输可靠性。此外，在网络架构方面，控制云通过优化数据传输路径，控制业务数据靠近转发云和接入云边缘，可有效降低网络传输时延。

5G标准和中国华为

当前，制定全球统一的5G标准已成为业界正在推进的工作，国际电信联盟（ITU）已启动了面向5G标准的研究工作，并明确了IMT-2020(5G)工作计划：2015年中完成了IMT-2020国际标准前期研究，2016年开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年底启动5G候选方案征集，2020年底完成标准制定。

2016年11月18日，在美国内华达州里诺刚刚结束的国际移动通信标准化组织3GPP的RAN1（无线物理层）#87次会议上，经过与会公司代表多轮技术讨论，3GPP最终确定了5G eMBB（增强移动宽带）场景的信道编码技术方案，其中：华为主推的Polar Code码作为控制信道的编码方案；高通主推的LDPC码作为数据信道的编码方案。

会议最终结论

LDPC码和Polar码的决策是5G标准的一个里程碑，进一步推进了3GPP全球5G统一标准的产业进程，并坚定了电信运营商、设备商、芯片和终端厂商各方共同合作的信念和决心。”华为公司这样评述。

业内认为，标准占据了通信行业“金字塔”顶尖，在通信标准中拥有话语权，即意味着在全球通信行业中拥有了话语权以及产业链先发优势，Polar方案涉及的编码与调制领域又是通信技术的核心。

华为选择了Polar码，5G也选择了Polar码，这就意味着华为在5G领域更具影响力。事实上，华为很早就在5G技术上开始布局。2009年，华为展开了相关技术的早期研究，并在之后的几年里向外界展示了5G原型机基站。2013年11月6日，华为宣布将在2018年前投资6亿美元对5G的技术进行研发与创新，并预计在2020年用户会享受到20Gbps的商用5G移动网络。

华为在研究标准的过程中，申请了很多相关的专利，在技术、产品上已占有先发优势。据了解，华为在Polar标准当中的核心专利占比达70%，未来一旦商用产品、方案使用到相关专利，华为就可收取相应专利费。位于产业链最顶端的华为，利润最丰富，话语权最大。

据悉，Polar码主要推动与支持的厂商不光只是华为，还有中兴、烽火、大唐、中国移动、中国电信、中国联通、宏碁、海能达、联想等中国厂商。主推厂商在编码方案的硬件与软件实现方面前期投入较大，具备先行优势，将有利于厂商在专利许可、产品性能方面占据先导优势，相关支持厂商也能因此获益。

虽然华为主推方案获得通过，但并不意味着华为就已经“拿下了5G”， 这只是技术路线之间话语权的争夺。5G现在还没有形成最终标准，标准太大，Polar码入选只是这个过程当中的一小步。

Polar码方案胜出的意义有三，一是以华为、中兴为代表的中国通信企业，长期投资基础研发，逐渐在全球获得了更多的话语权，越来越多来自中国的专家在通信方面的国际组织中担任重要职务；二是与TD-SCDMA、TD-LTE不同，华为提出的Polar码方案得到了全球通信圈的认可，这不仅代表了技术领先得到认可，更重要的是，华为、中兴等企业积极贡献、积极参与、积极互动的做法，赢得了越来越多的全球通信企业的支持；三是Polar码方案和LDPC码方案先后被采纳，有一定的相互妥协的成分，全球推出一个统一的5G标准的可能性越来越大，这是全球通信企业的胜利。

4G时代拼的是国内市场的天时地利人和，在5G时代，必须站在全球格局下，直面各大老牌巨头的直接挑战。5G标准之争当然是各国角逐的重要制高点，在综合技术实力和产业竞争力的较量中，一个短码标准仅仅是冰山一角，值得鼓掌，但不能一叶障目。eMBB场景刚刚确定，mMTC和URLLC标准要在2018年前确定，届时才是博弈的真正开始。

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