陆峰5G概述关键技术标准各国进展产
陆峰
1.什么引发了5G通信技术革命？
IBM前首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点，认为计算模式每隔15年发生一次重要变革。年前后开启了“大型机”时代、年前后开启了“个人计算机”时代、年前后开启了“互联网”时代、年前后开启了“物联网”时代，这一判断像摩尔定律一样准确，人们把它称为“十五年周期定律”。过去10年，随着3G、4G网络的部署应用，移动互联网和物联网快速发展，渗透到了经济社会各个领域，移动互联网、物联网已成为经济社会发展重要基础设施，应用的快速普及带来了用户数、连接设备数、数据量均持续呈指数式增长。
移动互联网、物联网时代的到来，千亿设备连接、海量数据传输、所触即所得的用户体验对基础通信网络提出了新的发展要求，然而现有2G、3G和4G网络在应对移动互联网和物联网爆发式发展面临着能力不足等众多瓶颈限制，主要表现为以下几点：一是现有网络在精确监控网络资源、有效感知业务特性等方面能力不足，无法智能地满足未来用户、业务需求多样化趋势。二是能耗、每比特综合成本、部署和维护的复杂度等，难以高效应对未来千倍业务流量增长和海量设备连接等需求。三是多种制式网络共存造成了复杂度的增长和用户体验急剧下降。四是无线频谱从低频到高频跨度很大，分布较为碎片化，干扰复杂，整合利用难度高。五是小区密集化以及移动设备的增加导致的干扰，制约了网络容量增长和传输速率增加。
此外，多频段、多接入模式、小的覆盖半径给网络技术带来新挑战：有限的频谱资源制约着无线通信系统性能大幅提升；信道在高速移动条件下的恶化、高频段信道的开发为高传输速率技术带来挑战；海量设备带来的能耗增加为绿色通信发展要求带来挑战；新型通信技术和高频段开发给半导体技术带来挑战。
面临新的发展趋势，新一代移动通信必须解决好上述问题，才能更好地满足移动互联网和物联网大规模应用时代业务发展需求。对新一代移动通信5G网络建设、部署和运营维护提出了新要求，主要表现在以下几个方面：
网络建设和部署方面。对5G网络的新要求：一是提供更高网络容量和更好覆盖，同时降低网络部署、尤其是超密集网络部署的复杂度和成本。二是具备灵活可扩展的网络架构以适应用户和业务的多样化需求。三是灵活高效地利用各类频谱，包括对称和非对称频段、重用频谱和新频谱、低频段和高频段、授权和非授权频段等。四是更强的设备连接能力来应对海量物联网设备的接入。
网络运营维护方面。对5G网络的新要求：一是改善网络能效和比特运维成本，以应对未来数据迅猛增长和各类业务应用的多样化需求。二是要降低多制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度。三是支持网络对用户行为和业务内容的智能感知并作出智能优化。四是提供多样化的网络安全解决方案，以满足各类移动互联网和物联网设备及业务的需求。
总得来讲，5G网络是时代发展的要求，5G发展新要求和新特性，主要是用来移动互联网、物联网时代2G、3G、4G等网络的能力不足，更好地支撑新时代新业务发展需求，满足更好地业务服务体验。
2.5G如何领跑4G、3G、2G？
移动通信技术经历了几十年历程发展，第一代移动通信(1G)于20世纪70年代末推出，80年代初投入使用。从那时起，新一代通信技术和无线标准每隔十年左右就会推出一次，上世纪80年代初推出1G，90年代初推出2G，年左右推出3G，年左右推出4G，预计到前后全球主要国家会大规模部署5G。移动通信已经经历了四代更迭，其中1G是模拟电话技术，2G是数字电话技术，提高了抗干扰和保密能力，并实现了短信功能；3G重要的突破发展是实现了网络连接，开启了移动互联网时代；4G大幅提升了网络传输速率，支撑了移动互联网爆发式增长；第五代移动通信将促进万物互联，有可能带动生活生产发生巨大变革。
年国际电信联盟ITU对5G应用场景进行了明确定义，将5G大体划分为三类典型应用场景。一是增强型移动宽带(eMBB)，主要用于提升VR、超高清视频等移动大宽带业务的用户体验。二是大连接物联网(mMTC)，主要用于智能电表等大规模物联网应用。三是低时延、高可靠通信(uRLLC)，用于支撑无人汽车、工业互联网等对网络时延和可靠性要求极高的业务。
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、可靠性、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，大体可将应用场景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4个5G主要技术场景。其中，连续广域覆盖和热点高容量场景主要满年及未来的移动宽带互联网业务发展需求。低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务需求，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海量物联网连接及垂直行业大规模应用等问题。
一是连续广域覆盖场景，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。该场景主要技术要求是在于能够随时随地，特别是包括小区边缘、偏远农村地区、高速移动等恶劣环境下都能为用户提供Mbps以上的用户体验速率。
二是热点高容量场景，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，比如，1Gbps用户体验速率、数十Gbps峰值速率，数十Tbps/km2的流量密度需求等等。
三是低功耗大连接场景，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，具有数据包小、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，能够满足万/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。
四是低时延高可靠场景，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%的业务可靠性保证服务能力。
另外，5G相比4G在频谱效率、能源效率和成本效率方面也有提升需求，按照设计需求，频谱效率需要提高5～15倍，能源效率和成本效率也需要有百倍以上提升。
3.5G的关键技术有哪些？
为了支撑5G网络多种场景不同性能要求，5G需要更多新的技术来支撑新业务需求，相比2G、3G、4G网络，5G网络主要有以下8大关键技术。
一是多输入多输出技术。该技术建成MIMO技术（MIMO：Multiple-InputMultiple-Output）。该技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。该技术通过充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍地提高系统信道容量，显示出明显的优势，被视为下一代移动通信的核心技术。
二是超密集组网技术。该技术主要用于满足年以及未来移动数据流量需求。超密集组网通过更加“密集化”的无线网络基础设施部署，可获得更高的频率复用效率，从而在局部热点区域实现百倍量级的系统传输容量的提升。超密集组网的典型应用场景主要包括：办公室、密集住宅、密集街区、校园、大型集会、体育场、地铁、公寓等。
三是全频谱接入技术。该技术涉及6GHz以下低频段和6GHz以上高频段，其中低频段是5G的核心频段，用于无缝覆盖；高频段作为辅助频段，用于热点区域速率的提升。全频谱接入采用低频和高频混合组网，充分挖掘低频和高频的组合优势，共同满足无缝覆盖、高速率、大容量等5G业务新需求。
四是新型多址技术。多址技术是指实现小区内多用户之间，小区内外多用户之间通信地址识别的技术。该技术主要通过多用户信息在相同资源上的叠加传输，在接收侧利用先进的接收算法分离多用户信息，不仅可以有效提升系统频谱效率，还可成倍增加系统的接入容量。典型新型多址接入技术包括稀疏码多址接入（SCMA：SparseCodeMultipleAccess）、图样分割多址接入技术（PDMA：PatternDivisionMultipleAccess）和多用户共享接入（MUSA：Multi-UserSharedAccess）等技术。
五是新型多载波技术。载波技术是指利用载波传输信息的技术，主要方法是把表示信息的信号加到载波上,使载波的频率、幅度或相位发生相应变化(称为“调制”)，由于经调制后的信号中包含有原始信号信息,传输到对方后,经解调、滤波等一系列过程后,可使原信号得以恢复。为了更好地支撑5G的各种应用场景，能更好地支持新业务、具有良好的可扩展性、和其他技术实现良好兼容等需求，业界已提出了多种新型多载波技术，例如：滤波正交频分复用技术（F-OFDM：Filtered-OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）、通用过滤多载波技术（UFMC：UniversalFilteredMulti-Carrier）和过滤宽带载波技术（FBMC：FilterBankMulti-Carrier）等。
六是先进编码调制技术。该技术是在不降低系统有效传输速率的前提下进行有效的编码和调制，是未来宽带移动通信系统中的关键技术之一。5G包括多种应用场景，性能指标要求差异很大。例如，热点高容量场景对单用户链路的速率要求极高，这就需要在大带宽和信道好的条件下支持很高的频谱效率和码长。在密集部署场景，无线回传会广泛应用，这就需要有更先进的信道编码设计和路由策略来降低节点之间的干扰。先进调制编码包括链路级调制编码、链路自适应、网络编码三大领域。
七是虚拟化技术。该技术是一种资源管理技术，是将通信系统各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，使用户可以比原本的组态更好方式来应用这些资源。利用网络虚拟化技术，可以在同一基站平台上同时承载多个不同类型的无线接入方案，完成接入网逻辑实体的实时动态功能迁移和资源伸缩，可以实现无线接入网内部各功能实体动态无缝连接，便于配置客户所需的接入网边缘业务模式。
八是网络切片技术。该技术让运营商可以将公共网络划分为不同的专用虚拟网络，并为每个虚拟网分配合适的资源，针对不同虚拟网的用户和产品应用，提供与之匹配的总体功能和服务参数。一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络，按切片需求方的需求，灵活地提供一种或多种网络服务。网络切片是5G时代将多样化的网络特性高效使能到不同行业的关键技术。
4.5G的国际标准有哪些？
5G国际标准是一个标准集合，包括关系网络整体架构的组网标准、安全技术标准、信道编码标准、融合业务标准。5G标准不是一个静态的概念，是一个不断升级演进的过程。
按照国际电信联盟（ITU）IMT-(5G)工作计划：年中完成IMT-国际标准前期研究，年开展5G技术性能需求和评估方法研究，年底启动5G候选方案征集，年底完成标准制定。
一、组网方面标准
年12月21日，国际电信标准组织3GPP无线接入网第78次全体会议上，5G非独立组网（NSA：Non-Standalone）首发版本正式冻结并发布，这是全球第一个可商用部署的5G标准。5GNSA组网是一种过渡方案，主要以提升热点区域带宽为主要目标，没有独立信令面，依托4G基站和核心网工作。
年6月14日，国际电信标准组织3GPP在美国举行全体会议，第五代移动通信技术标准5G独立组网(SA：Standalone)方案获得批准并发布，这标志着首个真正完整的国际5G标准正式出炉，5G完成第一阶段全功能标准化工作，进入了产业发展新阶段。不同于此前的非独立组网的5GRelease15NSA版本，5GRelease15SA(独立组网)，是采用崭新设计思路的全新架构，在引入全新网元与接口的同时，还将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术。R15协议版本中，主要是聚焦增强移动宽带（eMBB：EnhancedMobileBroadband），而超可靠、低时延通信（uRLLC：UltraReliableLowLatencyCommunication）及海量机器类通信（mMTC：massiveMachineTypeofCommunication）会在后续版本进一步研究。
在非独立组网（NSA）模式中，4G基站（eNB：）和5G基站（gNB：）共用4G核心网（EPC：EvolvedPacketCoreNetwork），eNB为主站，gNB为从站，控制面信令走4G通道至EPC。独立组网（SA）模式，基站为5G基站（gNB），核心网为5G核心网（NG）。
5G独立组网可降低对现有4G网络的依赖性，更好地支持5G大带宽、低时延和大连接等各类业务，并可根据场景提供定制化服务，满足各类崭新业务需求。Release16将是下个5G标准，标准制定工作预计将于年12月完成。
此外，在年2月举办的国际电信联盟第15研究组全会上，我国代表团提交的切片分组网（SPN：SlicingPacketNetwork）、面向移动优化的光传送网（M-OTN：Mobile-optimizedOpticalTransportNetwork）等5G传送网络解决方案正式获准立项研究，标志着5G承载网研究进入新的阶段，也是中国企业推动5G传送网标准研究的里程碑。其中，SPN概念由中国移动提出，并主导完成标准立项，获得了全球超过16家运营商和厂商的支持，体现了我国运营商及设备商在5G传输领域研究的领先优势。
二、安全技术规范方面标准
在年2月举行的3GPP会议上，3GPP完成了5G一阶段的安全技术规范，定义了5G系统中的认证、加密、完整性、切换安全、互操作安全、网络域安全和信令核心网安全等安全要求，为5G的实施提供了安全保障。在年3月举办的国际电信联盟第17研究组（ITU-TSG17）会议上，中国移动成功主导了“5G系统量子安全算法应用指引”标准立项，这是ITU-T第一个关于5G安全的标准立项。
三、信道编码方面标准
年11月17日，在3GPP无线接入网次会议的5G短码方案讨论中，中国华为公司主推的PolarCode（极化码）方案，成为5G控制信道eMBB场景编码最终方案，美国高通助推的LDPC（LowDensityParityCheck）码成为eMBB场景数据信道的上行和下行短码方案。
四、融合业务方面标准
年5月，在ITU-TSG12及SG20全会上，中国移动在多媒体、交通、医疗、家庭等领域牵头完成视频通话业务质量监控模型研究、5G网络新业务用户体验研究、AR业务用户体验研究、5G网联无人机、智慧医疗蜂窝无线网络能力、智能家庭设备空闲计算能力开放、基于网络的自动汽车辅助驾驶相关的功能或参考架构等七个项目立项，这些项目将为5G网络下新型多媒体业务的质量评估提供评测标准体系，推动蜂窝网在相关垂直行业的深度融合发展和应用。
5.5G技术在世界主要国家的进展如何？
年12月，5G非独立组网（NSA：Non-Standalone）首发版本正式冻结并发布。年6月14日，5G独立组网(SA：Standalone)方案获得批准并发布，首个真正完整的国际5G标准正式出炉，5G完成第一阶段全功能标准化工作，进入了产业发展新阶段。年以来，全球主要国家加快了5G推进步伐，中国、美国、日本、韩国纷纷颁发5G商用牌照，推动运营商全面开展5G网络部署。
一、中国
我国5G技术在政府的大力推动下，从-年完成了5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段技术研发试验。年12月6日，工信部明确了三大运营商全国范围5G中低频段试验频率使用许可，中国移动将获得2.6GHz频段，而中国联通与中国电信分食3.5GHz频段。年6月6日，工业和信息化部向中国移动、中国电信、中国联通和中国广电四家公司正式发布了5G商用牌照，运营商正式进入5G网络大规模建设部署阶段。当前，我国已建成全球最大5G试验网，年8月，北京、上海、天津、重庆、广州、武汉、成都、杭州、南京、福州、沈阳、郑州、深圳、青岛、兰州、苏州、贵阳、雄安等18个城市成为三大运营商首批5G试点地区。另外，根据三大运营商推进计划，年中国电信、中国移动、中国联通今年将分别在至少40个城市覆盖网络，并在部分城市推出5G服务。
二、美国
特朗普政府提出了一系列倡议和指令，强调了5G的重要性，并制定了明确的路线图。特朗普政府支持由私营部门主导的5G计划，而不是由政府主导的国有化5G计划。年9月，白宫发布了“关于制定美国未来可持续频谱战略的总统备忘录”，强调美国需要领导5G，以促进国家安全和公共及私营领域的创新。美国联邦通信委员会于年9月发布了“促进美国在5G技术计划中的优势”全面的5G战略，该计划重点
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