無線移動通信在20多年里得到了飛速的發展，給人們的生活、學習和工作方式以及政治、經濟、社會等各方面都帶來了巨大的影響。

　　1、引言

　　20世紀末，中國提出的TD-SCDMA被國際電信聯盟(ITU)接納成為三大3G國際標準之一，實現了中國通信歷史上的百年突破。隨后，我國企業主導并擁有核心知識產權的TD-LTE-Advanced(以下簡稱TD-LTE)，成為全球兩大4G主流標準之一。目前，已有43個國家和地區推出了67個TD-LTE商用網絡，TD-LTE基站數達140萬套，占4G基站總數的43%;TD-LTE用戶數達4.7億戶，占全球4G用戶總數的40%。TD-LTE在與美國企業主導的WiMAX的產業競爭中勝出，全球90%的WiMAX網絡將升級到TD-LTE。TD-LTE已成為全球TDD技術共同演進的方向，發展空間巨大。

　　自2012年初WRC-12上ITU通過了4G標準之后，通信業界開始研究5G。各國成立了專門組織推進5G研究，爭搶新一輪技術和標準的影響力和制高點。例如，歐盟啟動了METIS、5GNOW等多個5G預研項目，并成立了5GPPP;韓國成立了5G Forum等;美國和日本也啟動了5G研究。《IEEE Communications Magazine》在2014年2月和5月出版了兩期關于5G的技術專題。

　　2013年2月，我國由工業和信息化部(以下簡稱工信部)、科技部、國家發展和改革委員會(以下簡稱國家發展改革委)等發起成立IMT-2020(5G)推進組，目標是在“3G突破、4G同步”的基礎上，實現“5G引領”全球。為配合該目標，國家“863”計劃、國家重大科技專項及地方政府等分別設置了5G相關研究課題。IMT-2020(5G)推進組前期完成了5G的需求、概念、無線技術和網絡技術的分析，且有多項成果輸入ITU。

　　我國IMT-2020(5G)推進組分析了驅動5G發展的移動互聯網和移動物聯網兩類業務需求，提出了包括6項性能指標和3項效率指標的“5G需求之花”，定義了廣域覆蓋、熱點覆蓋、低功耗大連接物聯網和低時延高可靠物聯4類5G主要應用場景。ITU將5G需求和應用場景主要分為3類：增強的移動寬帶(eMBB)(將我國提出的廣域覆蓋、熱點覆蓋歸為此類)、海量連接的機器類通信(mMTC)、超可靠和低時延通信(cMTC)。同時定義了8項關鍵技術指標，表1中列出了5G相對4G的各個關鍵能力提升的倍數。

　　事實上，5G不再僅僅是上面分析到的更高速率、更大帶寬、更強能力的空中接口技術，而且是面向用戶體驗、業務應用和行業應用的智能無線網絡。需要指出的是，5G對應的是多種不同應用場景，需要的是一組不同能力指標，即表1中的所有指標不是也不可能同時滿足和達到。上述5G的速率、流量密度、連接密度等關鍵指標要求帶來了在技術、頻率、運營等方面的巨大挑戰。

　　2、關于5G的幾點認識

　　(1)5G是萬物互聯、連接場景的一代

　　5G是移動通信從1G到4G主要以人與人通信為主，跨越到人與物、物與物通信的時代。5G是萬物互聯和連接場景的時代。從業務和應用的角度，5G具有三大特點：大數據、海量連接和場景體驗，滿足未來更廣泛的數據和連接業務需要，提升用戶體驗。

　　數據和連接是信息社會的時代特征。全球化將進入一個新紀元，一個由數據和連接傳遞信息、思想和創新的全新時代。5G將應時而生。

　　(2)5G是電信IT化、軟件定義的一代

　　5G將是全新一代的移動通信技術，5G網絡呈軟件化、智能化、平臺化趨勢，是通信技術(CT)與信息技術(IT)的深度融合，是電信IT化的時代。

　　軟件定義的5G，包括采用通過軟件定義網絡(software defined networking，SDN)和網絡功能虛擬化(network function virtualization，NFV)以及軟件定義無線電的無線接入空口，實現5G可編程的核心網和無線接口。SDN和NFV將引起5G的IT化，包括硬件平臺通用化、軟件實現平臺化、核心技術IP化。運營商能在通用硬件基礎上加載專用軟件實現5G設備運行，IT化對于傳統電信設備制造商將是一個挑戰。就像Google(谷歌)和百度等定制服務器一樣，給IBM和HP等傳統服務器廠商帶來挑戰。

　　(3)5G是云化的一代

　　5G的云化趨勢包括：基帶處理能力的云化(云架構的RAN，即C-RAN)、采用移動邊緣內容與計算(mobile edge content and computing，MECC)、終端云化。

　　C-RAN是將多個基帶處理單元(baseband unit， BBU)集中起來，通過大規模的基帶處理池為成百上千個遠端射頻單元(remote radio unit，RRH)服務。此時，基帶處理能力是云化的虛擬資源。邏輯集中的控制增加了系統的靈活性，方便升級。C-RAN減少了基站機房數量，可以大幅度降低建設和運維成本，同時還能大幅度降低能耗。但存在的問題與挑戰是BBU與RRU間的前傳(fronthaul)帶寬開銷大(以LTE為例，3個扇區的單個小區的帶寬就在16 Gbit/s左右)以及引起的額外時延問題。

　　5G將采用MECC，即在靠近移動用戶的位置上提供IT服務環境和云計算能力，使應用、服務和內容部署在分布式移動環境中，針對資源密集的應用(如圖像、視頻、制圖等)，將計算和存儲卸載到無線接入網，從而降低了對通信帶寬的開銷，并提高了實時性。

　　5G的終端云化，隨著集成電路技術的進步，未來移動終端能力和資源(包括計算、存儲、傳感等)將得到大幅提升，也可以實現本地資源共享和云化，特別是在社交網絡應用中。

　　(4)5G是蜂窩結構變革的一代

　　從1G到4G都是基于傳統的蜂窩系統，即形狀是基本規則(六邊形)的蜂窩小區組網，且是一個干擾受限系統。目前，密集高層辦公樓宇、住宅和場館等城市熱點區域承載了70%以上的無線分組數據業務。為了解決容量和干擾問題，新技術不斷引入，如分布式天線、多輸入多輸出(MIMO)、多用戶檢測、基站間協作(CoMP)和中繼等。而熱點區域的家庭基站、無線中繼站、小小區基站和分布式天線等(統稱異構基站)大多數呈非規則、無定形部署特性和層疊覆蓋，形成了異構分層無線網絡。

　　結合虛擬網絡運營商(virtual network operator, VNO)需求，產生了虛擬接入網(virtual RAN, VRAN)與虛擬小區的概念。VRAN就是可以在一個物理設備上按需產生多個RAN實例，5G提供了RAN即服務(RAN-as-a-service，RANaaS)。

　　可見，傳統單層規則的蜂窩小區概念已不存在，移動通信首次出現了去蜂窩的趨勢，5G將是蜂窩結構變革的一代。

　　(5)5G是承前啟后和探索的一代

　　移動通信技術更新約10年一代。1G的目的是要解決語音通信，但語音質量與安全性都不好;到2G時，GSM和CDMA在解決語音通信方面達到極致;1998年提出的3G最初目標是解決多媒體通信(如視頻通信)，但2005年后出現移動互聯網接入的重大應用需求，不過解決得不好;LTE對移動互聯網接入需求的解決是到位的，但又面臨語音通信(VoLTE)問題。

　　筆者認為，目前呈現的是“1G短、2G長、3G短、4G長”的特征，那5G呢?5G的目標是要解決萬物互聯，但目前還沒有得到垂直行業(物聯網、工業互聯網等)的正面回應。因此，未來需求到底是什么?產業生態是什么?現在都只是通信技術專家們的設想，正如1998年提出的3G。因此，5G極有可能與3G類似，是一個相對短暫的一代。但有一點是肯定的，5G將是有探索價值的一代，是移動通信歷史上邁向萬物互聯的承前啟后的一代。

　　3、5G無線傳輸關鍵技術

　　從技術標準架構看，5G無線接入技術涉及幀結構、雙工模式、波形、多址接入、編碼調制、天線、接入控制協議等。大唐電信科技產業集團(以下簡稱大唐電信)在2013年發布了5G白皮書，隨后我國IMT-2020(5G)推進組梳理了5G無線側關鍵技術，主要有大規模多天線、新型多址接入、超密集組網、高頻段通信、低時延高可靠物聯網、靈活頻譜共享、新型編碼調制、新型多載波、M2M、D2D(device to device)、靈活雙工、全雙工共12項關鍵技術。

　　當前5G關鍵技術開始收斂。筆者認為：大規模多天線和新型多址接入技術可以提升頻譜效率，構成“任何時間、任何地點”確保用戶體驗的關鍵技術;超密集組網和高頻段通信技術可以提升熱點流量和傳輸速率，基于LTE-Hi演進技術的能力提升;低時延高可靠物聯網技術可以拓展業務應用范圍，將成為5G物聯網應用(如工業互聯網、車聯網)的關鍵使能技術。

　　3.1 大規模多天線

　　傳統的無線傳輸技術主要是挖掘時域與頻域資源，20世紀90年代，Turbo碼的出現使信息傳輸速率幾乎達到了香農極限。多天線技術將信號處理從時域和頻域擴展到空間域，從而提高了無線頻譜效率和傳輸可靠性。多天線技術經歷了從無源到有源，從二維到三維，從高階MIMO到大規模陣列天線的發展。

　　從香農信息論可知，從1G到3G，通過調制與編碼等技術進步來提高信噪比實現容量提升的方法已接近極限，但MIMO技術可以在空間域上進一步有效地提高信噪比。理論上，MIMO系統容量與天線數成正比，即增加天線數可以線性地增加系統容量。當基站側天線數遠大于用戶天線數時，基站到各個用戶的信道將趨于正交。此時，用戶間干擾將趨于消失，而巨大的陣列增益將有效地提升每個用戶的信噪比，從而能在相同的時域和頻域資源中共同調度更多用戶。