5G通信核心关键技术及各国研究进展

1、5G通信简介

5G（5th-generation）是第五代移动通信技术的简称。5G弥补了4G技术的不足，在吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面进一步提升系统性能。它采取数字全IP技术，支持和分组交换，它既不是单一的技术演进，也不是几个全新的无线接入技术，而是整合了新型无线接入技术和现有无线接入技术（WLAN，4G、3G、2G等），通过集成多种技术来满足不同的需求，是一个真正意义上的融合网络。并且，由于融合，5G可以延续使用4G、3G的基础设施资源，并实现与4G、3G、2G的共存。

随着用户需求的驱动，对包括传输技术和网络技术在内的5G关键技术提出了极大的挑战。5G将通过更高的频谱效率、更多的频谱资源以及更密集的小区部署等，共同满足移动业务流量增长的需求。在网络容量方面，5G通信技术将比4G实现单位面积移动数据流量增长1000倍；在传输速率方面，典型用户数据速率将提升10到100倍，峰值传输速率可达10Gbps（4G为100Mbps）；同时，端到端时延缩短5-10倍，频谱效率提升5-10倍，网络综合能效提升1000倍。

5G通信下手机的无线下载速度最快可达每秒3.6Gbps（千兆，数据传输速度单位，1Gbps = 1024Mbps），较LTE（泛称准4G）的75Mbps（兆）快数百倍。使用该技术下载一部超高清电影文件最多仅需1秒时间，容量较大的3D电影和游戏等亦能实现秒传。

2、6大关键技术

关键技术1： 高频段传输

移动通信传统工作频段主要集中在3GHz以下的频段，使得频谱资源十分拥挤，而在高频段（如毫米波、厘米波频段）可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现极高速短距离通信，支持5G容量和传输速率等方面的需求。目前，韩国三星在28GHz高频段，利用64根天线，采用自适应波束赋形技术，在2公里的距离内实现了1Gbps的峰值下载速率，用户只需要不到一秒钟的时间下载一部完整的电影。

高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，业界对此高度关注。足够bh量的可用带宽，小型化的天线和设备，较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点。但是，也存在着传输距离短，穿透和绕射能力差，容易受到气候环境影响等缺点。同时，射频器件、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。

监测中心目前正在积极开展高频段需求研究以及潜在候选频段的遴选工作。高频段资源虽然目前较为丰富，但是仍需要进行科学规划，统筹兼顾，从而使宝贵的频谱资源得到最优配置。

关键技术2 ：新型多天线传输

作为近年来备受关注的技术之一，多天线技术经历了从无源到有源，从二维（2D）到三维（3D），从高阶MIMO到大规模阵列的发展，将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术重要的研究方向之一。

由于引入了有源天线阵列，基站侧可支持的天线协作数将达到128。此外，原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波的技术，将进一步改善无线信号覆盖性能。

目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制等问题进行研究，未来将支持更多的用户空分多址（SDMA），显著降低发射功率，实现绿色节能和提升覆盖能力。

关键技术3: 同时同频全双工

最近几年，同时同频全双工技术吸引了业界的注意。该技术在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率提高1倍。

全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制，使得频谱资源的使用更加灵活。然而，全双工技术需要具备极高的干扰消除能力，这对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时，还存在着邻小区同频干扰问题。在多天线及组网场景下，全双工技术的应用难度更大。

关键技术4 ：终端直通技术（D2D）

传统的蜂窝通信系统的组网方式，是以基站为中心实现小区覆盖，而基站及中继站无法移动，其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务不断增多，传统的以基站为中心的业务提供方式，已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。

D2D技术能够无需借助于基站的帮助实现通信终端之间直接通信，拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信，信道质量高，能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。

关键技术5 ：密集网络

在未来的5G通信中，无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及，数据流量将发生井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得超密集网络成为了实现未来5G的1000倍流量需求的主要手段之一。超密集网络将能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。未来，面向高频段大带宽，将采用更加密集的网络方案，部署高达100个以上小小区/扇区。

与此同时，愈发密集的网络部署，也使得网络拓扑更加复杂，小区间干扰已经成为制约系统容量增长的主要因素，极大地降低了网络能效。干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前密集网络方面的研究热点。

关键技术6： 新型网络架构

目前，LTE接入网采用网络扁平化架构，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。未来5G可能采用C-RAN接入网架构。C-RAN是基于集中化处理(Centralized Processing)，协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算构架(Real-time Cloud Infrastructure)的绿色无线接入网构架(Clean system)。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出。目前，研究的内容包括C-RAN的架构和功能，如集中控制，基带池RRU接口定义，基于C-RAN的更紧密协作，如基站簇、虚拟小区等。

3、各国研究进展

中国

我国启动5G移动通信系统研发

2013年10月，我国启动了国家863计划“第五代移动通信系统研究开发”项目，今年投入1.6亿元人民币，在2020年之前，系统地研究5G移动通信体系架构、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键技术，完成性能评估及原型系统设计，进行技术试验与测试。实现支持业务总速率10Gbps，将目前4G系统的频谱、功率效率提升10倍，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。目前，此项目参加单位除了国内55家通信企业、学术研究机构外，还首次吸纳了三星、诺西、爱立信公司等数家国际企业作为研发合作伙伴，5G研究正在成为全球移动通信领域新一轮技术竞争焦点。

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华为打破5G空口数据传输纪录 实测速率超过100Gbps

华为2014年2月22日宣布，在高频段无线5G空口环境下实现了高达115Gbps的峰值传输速率。这一突破基于5G基本传输技术创新，刷新了无线超宽带数据传输记录。在超高速传输实现架构上，华为在70-90GHz频谱上采用了MIMO、多载波OFDM聚合等先进技术，创新性应用预编码技术解决带外干扰抑制和峰平比抑制问题，采用先进数字算法解决MIMO相躁抑制难题，为每用户速率达到10Gbps光纤的接入体验奠定了基础。华为长期坚持在无线领域研究创新的持续投入，从2009年开始启动5G的研究，计划到2018年投入6亿美金用于5G的研究和创新。到目前为止，华为已经在全球9个地域建立5G的创新研究中心。

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华为测试5G无线技术

5G成为通信产业的热门话题，在日前西班牙巴塞罗那举行的2014年世界移动通信大会（2014 MWC）上，5G也成为热点。在过去几年里，华为5G团队聚焦5G基础关键技术。华为5G团队在5G空口技术，虚拟化接入技术以及新射频技术等方面积极开展断裂技术研究并取得重大突破，有力推动5G的发展。

基于灵活的自适应软定义的空口设计，极大的提升频谱效率并缩短传输时延，满足5G未来多样的业务需求；在空口新波形设计上，开展基于SCMA和可变子载波的非正交接入技术研究，并取得突破，完成概念原型验证，有效提升频谱效率以及离散频谱的使用，满足定制物联网业务的部署以及大带宽下实现虚拟现实等高带宽的业务需求，同时，实现网络的自适应定制化，满足部署各类创新的应用需求。

在5G空口架构上，实现抗多径大带宽的全双工传输技术研究和原型，测试结果表明可以节省将近2倍的频谱资源，为5G时代将TDD和FDD频谱统一使用奠定基础。华为在5G基站原型系统中，创新引入全新的全数字化射频架构，天线与射频单元高度集成的Radiotenna技术，以及复杂的中射频算法，有效提升蜂窝频段和更高频段动态使用的频谱效率，领先实现传统蜂窝频段下的50-100Gbps容量的5G基站原型系统，以及71-76GHz 和81-86GHz频段超过100Gbps的原型系统验证。

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中兴发布5G白皮书 展示下一代移动远景

中兴通讯于2014年2月发布了5G白皮书，其中描述了超大数据流量网络给消费者和企业实现了在广泛的日常生活和工作中可以即时按需接入实时应用和获取信息，将数字世界和物理世界合二为一。据中兴通讯白皮书《5G - 驱动现实和数字世界融合》，5G除了能使人与人之间实现无缝连接，也能够加强“人与物”及“物与物”之间的高速连接，创建一个新的数字生态系统，驱动网络流量加速增长。5G将是M-ICT时代最重要的基础，其发展方向以“人的体验”为中心，在终端、无线、网络、业务等领域进一步融合及创新。同时，5G将为“人”在感知、获取、参与和控制信息的能力上带来革命性的影响。5G的服务对象将由公众用户向行业用户拓展，5G网络将吸收蜂窝网和局域网的优秀特性，形成一个更智能、更友好，更广泛用途的网络。

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欧洲

欧盟拨款5000万欧元加速5G技术发展2020年推出成熟标准

欧盟委员会副主席Neelie Kroes在移动世界大会(MWC 2013)上宣布，欧盟将拨款5000 万欧元(约合6540 万美元)，加速5G 移动技术的发展，计划到2020 年推出成熟的标准。这笔资金将授予多个研究项目，它们的名称都很神秘，包括iJOIN、TROPIC、COMBO 和MOTO。这些机构将解决下一代移动网络所需的架构和功能问题。其中一个名为MEITS 的项目获得了1600 万欧元(约合2100 万美元)的资本注入。

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华为联手欧洲知名运营商推动成立英国5G研究创新中心

华为于2013年11月在英国萨里大学联手世界知名运营商、电信设备制造商、英国通信管理局、媒体以及通信组织的专家学者，与萨里大学的科研人员一起见证了5G创新中心（5GIC）的成立。创始成员包括萨里大学、华为、沃达丰、英国电信、Tefefonica、EE、BBC、OfCom、三星、Aeroflex、AIRCOM International、Fujitsu、、Rohde & Schwarz。5GIC在未来5年里，将分别获得创始成员的3000万英镑和属于英国高等教育拨款委员会的英国研究伙伴投资基金1160万英镑投入。5GIC将成为世界5G研究的重要平台。

5GIC建设于萨里大学的主校区Guildford，预计2015年1月完工。建成后的5GIC将为150位研究人员和100名博士生提供一流的设备和办公环境。5GIC的成立对推动5G技术的研究有着重要的意义，并在业界引起了巨大的反响。

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5G公私合作联盟成立 华为致力于共建全球5G生态圈

欧盟及产业界各方共同推动5GPPP Association (5G公私合作联盟）于2014年世界移动通信上正式宣告成立。5GPPP是欧盟重点投入的5G旗舰研究项目群，总投资近7亿欧元用于基础性研究。

华为作为5GPPP Association成员，5GPPP欧洲技术平台委员会董事会成员，英国5G创新中心（5GIC）创始成员之一，中国5G研究国家项目的发起者之一，积极参与项目的制定，规划和执行。到目前为止，华为已与全球超过20多个顶级高校在5G关键技术领域建立了紧密的合作。在过去两年内，华为不断的寻求与客户及厂商在5G研究领域的广泛合作，其中包括参加由设备商、运营商、高校和科研机构联合发起的欧盟FP7。

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欧盟与爱立信等5G PPP联盟成员启动全新5G合作项目

欧盟委员会携手“5G公私合作”（5G PPP）联盟于2014年2月推出全新5G基础设施公私合作项目，将深入研究未来十年5G通信基础设施的解决方案、架构、技术以及标准等。5G PPP联盟由爱立信、阿尔卡特朗讯、诺基亚通信、Orange 及卫星运营商SES创立，汇聚了电信业、IT业以及科研院所等多方参与者。目前，欧盟委员会与业界正共同致力于为5G研发，并筹措巨额公共基金并加大商业投资。根据欧盟委员会官方公布，预计在2020年之前将有7亿欧元投入5G研发。

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1.2亿美元 英德将合作研究5G通信

英国首相卡梅伦2014年3月9日在汉诺威表示，英国与德国将加强在第五代移动通信技术（5G）和物联网研究上的合作，并共同推进欧洲电信市场一体化。他还透露，英国有意与德国加强物联网方面的研究合作，将把物联网研究经费增加4500万英镑，至7300万英镑（约合1.2亿美元）。卡梅伦当天出席2014年汉诺威通信和信息技术博览会开幕式时说，英国伦敦大学国王学院、萨里大学和德国德累斯顿工业大学将合作开展5G研究。

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爱立信与两家合作伙伴在瑞典建立5G传输实验室

2014年3月，爱立信与瑞典皇家理工学院、瑞典ICT研究机构Acero携手，共同成立了5G传输实验室，三方将采取创新的合作方法，共同推动网络传输基础设施的进一步发展，这也是实现未来5G网络和网络社会的关键一步。该实验室位于瑞典西斯塔，这也是爱立信集团总部所在地，爱立信、Acreo和皇家理工学院将致力于改变网络的结构和设计，甚至使其超越当今最先进的网络，为5G在2020 年左右的问世提前布局。研究人员将着手解决所有网络层的动态运营问题、移动和固定访问流量的共同传输问题，以及不同服务和应用的网络管理一体化等问题。

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爱立信携手纽约大学无线中心共同加快5G移动技术的研发

爱立信于2014年4月宣布成为纽约大学无线中心（NYU WIRELESS）联合赞助商，双方将携手合作研究开发5G技术。

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美国

英特尔推动毫米波无线频段5G研究

2014年3月，在成功主导将60GHz 导入区域网络（LAN）后，英特尔正推动一项研究，以定义在下一代蜂窝系统中采用毫米波无线频段的提案。据介绍，英特尔正与欧洲两大联盟以及三星（Samsung）等厂商合作，共同开发5G毫米波频谱计划。该公司还在中国与韩国等地追踪有关5G 的最新发展。

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美学者呼吁政府开放毫米波频段 赶上5G开发脚步

2014年3月，美国纽约大学理工学院（NYU Polytechnic）的研究人员Theodore Rappaport呼吁，主管机关应该开放毫米波频段的授权，以迎接无线通信领域的技术复兴。Rappaport的研究中心已经建立了一个纽约市内毫米波信号传播特性的资料库，吸引了包括AT&T、Intel、Samsung等企业赞助。其研究中心接下来将开发统计模型以及频道仿真器，做为5G系统与标准的测试平台；那些工具将协助网络服务业者进行成本估算，以及规划毫米波城市通信网络。

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应对5G通信标准 安捷伦布局高频及天线阵列测试技术

在国际电信联盟（ITU）和欧盟5GPPP全力促成下，5G无线通信标准已初具雏形，将采用高达10～80GHz频段、250MHz带宽，支持六十四根以上天线阵列技术。由于测试测量技术与新技术的诞生息息相关，当前测试测量厂商都在加紧布局高频及天线陈列测试技术，以应对5G通信标准的研发，以促进5G 通信于2020年正式投入商用。

目前安捷伦已分别与ITU、3GPP、欧盟5GPPP、中国移动、中国网络通信(CNC)和台湾中科院、工研院等研究组织，以及各国主要电信厂商合作，提供相关的高频和多天线测试方案。安捷伦与中国移动正研究缩小单一天线体积，再组成天线阵列的方式，以符合5G传输速率要求。

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韩国

三星称研发5G通信技术 下载速率可达10Gbps

2013年5月，三星宣布已经成功开发了第5代移动通信(5G)的核心技术，这一技术预计将于2020年开始部署。测试人员用64个天线组，以28GHz频段进行最快达1.056Gbps的速度进行无线传输，最远传输距离可达2公里，其速度几乎是4G的百倍以上。三星技术的理论下载速率将达到10Gbps。业内人士认为，这是5G技术发展的一个重要里程碑。

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韩​国​宣​布​发​展5G网​络​​2020年实现商用

韩国未来创造科学部表示，韩国政府在2014年1月举行的第三次经济部门长官会议上，敲定了以5G科技发展总体规划为主要内容的“未来移动通信产业发展战略”，决定投资1.6万亿韩元(约90.2亿元人民币)，以便在2020年实现第五代移动通信（5G）商业化的目标。据了解，该部门将于明年12月进行pre-5G核心服务的试运行；2017年12月起提供5G核心服务的模拟服务后，于2018年在平昌冬奥会期间试运行。

此外，韩国政府将与欧洲和中国进行技术交流，通过与国际社会的合作实现5G标准化。为了让韩国能在2020年之前获得国际一流的标准专利竞争力，韩国政府将和海外研究机构联合进行研究，并将中小企业参与5G研发的比重从目前的25%提高到40%。

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日本

日本电信商示范5G网络计划 比4G快100倍

2013年10月，日本移动通信运营商NTT DoCoMo在日本高新技术博览会上正式对外公布了其5G网络计划的相关细节。虽然NTT DoCoMo同时也表示该网络在2020年以前并不会正式推出，而且5G网络的标准目前也尚未确定，不过相比于目前的LTE网络来说，NTT DoCoMo的5G网络速度将会是前者的100倍。

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