我国5G技术研发试验进展

2017-06-19 来源:中国信息通信研究院作者:魏克军 我要评论(0) 字号:

当前,移动通信已成为连接人类社会的基础信息网络,它不仅深刻地改变了人们的生产生活方式,而且还带动了移动互联网、物联网、云计算等产业的快速发展,成为推动国民经济发展、提升信息化水平的重要引擎。随着第四代移动通信(4G)技术在全球范围的规模商用,面向2020年及未来商用的第五代移动通信(5G)技术研发与标准化已全面启动。在全球业界的大力推动下,5G技术研究快速发展,当前已经进入技术标准研制的关键阶段,各国也纷纷发布5G试验计划来推动5G技术与标准的发展。

一、5G技术研发试验背景

1、5G已经进入标准制定的关键阶段

当前,国际电信联盟(ITU)已完成5G愿景研究,确定了5G命名、典型场景和关键能力指标体系,并正式发布了IMT-2020(5G)工作计划。国内外主流企业已经达成共识,将在国际主流移动通信标准组织3GPP制定全球统一的5G标准。根据3GPP工作计划,2016年初将启动5G标准研究,2018年6月将完成第一版5G标准,2019年9月将完成5G标准版本的制定。

2、5G技术路线已逐渐清晰,关键技术共识已基本达成

全球业界已基本形成共识,5G无线技术路线包括新空口及4G演进空口。其中新空口将全面满足移动互联网和物联网的业务需求,4G演进空口通过引入一系列新的关键技术,可以大幅度提升用户体验。在关键技术方面,正交频分复用(OFDM)将是5G无线接口的技术基础,大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、新波形技术、先进编码调制、高频段通信等将在未来5G系统方案设计中发挥重要作用。除无线技术外,5G还将在网络技术方面实现突破,5G将采用以虚拟化技术为基础的新型网络架构,其中网络切片、移动边缘计算、控制承载分离与网络功能重构将成为5G网络的核心关键技术。

3、各国积极部署5G试验以推动5G技术、标准与产业发展

欧盟通过5G PPP重大项目,投入14亿欧元研发资金,并计划在2018年开展5G规模试验,验证5G技术标准。韩国发布5G国家战略,计划在2018年冬奥会开展5G预商用试验,为奥运场馆提供5G业务体验。日本计划在2020年夏季奥运会前提供正式的5G商用服务,并透过日本运营商NTT DoCoMo组织全球主要制造企业开展5G技术试验。美国近期发布5G频率,并计划在未来七年内,斥资4亿美元,在美国四座城市建设试验性的5G网络。

4、我国全方位推进5G研发,并启动5G技术研发试验

在IMT-2020(5G)推进组的组织下,我国企业、高校和科研机构全方位开展5G研发,在5G需求、技术及频谱领域取得了一系列的研究成果,有力地推动了全球5G技术、标准的发展。目前已完成5G愿景与需求研究并获得全球广泛共识,在业界率先明确5G技术路线及核心关键技术,并发布5G无线和网络技术架构。当前,5G标准化工作已经启动,我国于2016年1月正式全面启动5G技术研发试验,我国5G技术研发试验对外企开放,目前参加单位包括中国信息通信研究院、中国移动、中国联通、中国电信、日本都科摩、华为、中兴、大唐、爱立信、三星、诺基亚和上海贝尔、英特尔、高通、展讯、罗德施瓦茨、是德科技、星河亮点等国内外企业,涵盖运营商、设备制造企业、芯片、仪表企业等产业链的各个环节。国内外企业共同参与,有利于推动5G关键技术标准共识形成,为5G产业链的构建奠定基础。

二、我国5G技术研发试验总体目标及工作计划

1、总体目标

我国5G技术研发试验的总体目标是通过5G试验,促进5G核心关键技术成熟,推动5G技术研发;验证5G技术方案设计,开发满足ITU性能指标的5G技术概念样机,为5G产品研发奠定基础;构建全球化的5G联合试验平台,促进全球统一的5G国际标准形成。

2、总体规划

基于ITU和3GPP确定的5G工作计划,结合全球主要企业的5G研发计划,我国5G试验分两步实施,第一步为5G技术研发试验(2016年至2018年),主要目标是支撑5G国际标准研制,第二步为5G产品研发试验(2018年至2020年),主要目标是基于3GPP标准的第一版本,开展5G预商用测试。当前主要面向5G技术研发试验开展工作,我国的5G技术研发试验总体规划为三个阶段:

第一阶段(2016年1月-2016年9月)5G关键技术验证阶段。

本阶段主要目标是通过对5G单项关键技术样机的测试,评估5G候选关键技术性能,推动5G关键技术标准共识形成,此阶段测试对象为业界主流企业研发的关键技术试验样机。

第二阶段(2016年6月-2017年9月)5G技术方案验证阶段。

本阶段主要面向ITU确定的5G性能指标,基于不同厂商提出的5G技术方案开发的5G概念样机开展测试,验证不同厂商的5G技术方案性能,支撑国际标准制定。本阶段将制定统一的设备规范和测试规范,利用第三方测试仪表,在统一的试验环境下开展单基站性能测试。

第三阶段(2017年6月-2018年10月)5G系统验证阶段。

本阶段的主要目标是通过多基站高低频混合组网,构建5G典型应用场景,开展5G系统的组网关键技术验证,评估5G系统在组网条件下的性能,同时,开展5G典型业务演示,为后续的5G试商用奠定基础。

我国5G试验总体规划

图1、我国5G试验总体规划

三、我国5G技术研发试验进展

我国5G技术研发试验于2016年1月启动, 截止2016年9月15日,在推进组的组织下,国内外移动通信设备制造商、运营商和科研机构通力合作,已顺利完成了5G技术研发试验第一阶段测试工作。

1、5G无线关键技术测试进展

华为、大唐、中兴、爱立信、诺基亚/上海贝尔、三星、英特尔等共7家国内外企业完成了第一阶段测试工作,涉及的无线关键技术包括大规模天线、新型多址、超密集组网、高频段通信、新型多载波、先进编码调制和全双工等。通过第一阶段5G关键技术试验样机测试,进一步验证了5G关键技术性能,有效推动了我国5G关键技术的研发,促进了5G核心关键技术在业界标准共识的形成。

大规模天线阵列是提升5G系统频谱效率最有效的手段,MIMO技术在4G系统中已经得到了广泛应用,面对5G传输速率与系统容量方面的挑战,天线数目的进一步增加将是5G技术重要的演进方向。基于华为、中兴、大唐大规模天线阵列的试验样机的性能测试结果,通过将天线端口数增加至64-128,相比于LTE-A,可实现3~4倍的频谱效率提升,结合新型多址、先进编码等关键技术,可满足ITU频谱效率指标3~5倍提升需求。面向商用的低成本大规模天线系统将是后续重要的研究方向。

新型多址技术作为创新性的5G技术方向,通过将多个用户信息叠加在相同的时频资源上进行传输,在接收端利用先进的接收算法分离用户信息,不仅可成倍提升系统的接入容量,还可有效提升系统频谱效率。在试验中,通过对华为稀疏编码多址接入(SCMA)、中兴多用户共享接入(MUSA)和大唐图样分割多址接入(PDMA)概念样机的性能测试,相对于现有LTE系统,新型多址技术可以将系统的上行用户接入容量提升至3倍,下行小区平均吞吐量增益可达86%以上,但新型多址技术接收机的复杂度较高,尤其与大规模天线、高阶调制相结合的情况下,因此,低复杂度接收机算法研究将是后续的研究重点。

高频段通信作为未来5G重要的技术方向,在满足5G峰值速率和系统容量指标方面将起到重要的支撑作用,因此,受到业界主流企业的广泛关注。通过对爱立信、华为、三星、中兴、诺基亚和上海贝尔等公司的高频段试验样机进行测试,初步验证了高频段技术方案支持大带宽高速率数据传输的能力,同时,也验证了高频段非视距传输的性能。利用高频段大带宽可满足10~20Gbps的ITU峰值速率指标要求。

新型多载波技术通过滤波处理来降低带外泄露,可以更有效支持基于不同子带的异步传输。通过对华为、中兴、爱立信和上海贝尔新型多载波技术方案的测试,验证了新型多载波技术性能,相对于OFDM技术,新型多载波可以充分利用系统保护带宽进行数据传输,可获得更高的频谱使用效率,同时,面对5G不同场景及业务需求,可将系统带宽划分为不同子带,不同子带采用不同的技术方案进行异步传输,对系统性能不会产生影响。

先进编码调制技术测试主要验证了极化码的性能,极化码是一种新型编码方式,也是当前3GPP标准制定中的一种候选编码技术方案,通过对华为极化码试验样机在静止和移动场景下的性能测试,针对短码长和长码长两种场景,在相同信道条件下,相对于Turbo码,可以获得0.3-0.6dB的误包率性能增益,同时,华为还测试了极化码与高频段通信相结合,实现了20Gbps以上的数据传输速率,验证了极化码可有效支持ITU所定义的三大应用场景。

全双工技术是一种新型的双工技术,通过高效的自干扰消除方案,可以实现同时同频全双工收发,因此,全双工技术的核心是自干扰消除,通过对华为全双工实验样机的测试,在20MHz带宽,2天线收发条件下,可以实现113dB的自干扰消除能力。相对于半双工系统,采用全双工可以获得82.58%以上的吞吐量增益。但是,当前的全双工技术尚不成熟,应用场景还比较有限,后续应当加强对自干扰消除技术、多天线自干扰消除以及芯片化和小型化方面的研究工作。

超密集组网通过更加密集的无线网络基础设施部署,可以获得更高的频谱复用效率,从而在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升,是满足2020年及未来移动数据流量需求的主要技术手段。通过对大唐超密集组网试验样机的测试,验证了超密集组网中的虚拟小区等关键技术在满足系统容量,提升用户体验速率等方面的优势,在100MHz带宽条件下,在覆盖面积300m2情况下,可实现系统吞吐量3.3Gbps,可等效实现流量密度约11Tbps/km2,可满足ITU流量密度指标要求。

2、网络关键技术测试进展

华为、中兴通讯、大唐、爱立信、诺基亚上海贝尔和英特尔六家公司完成了网络关键技术测试。涉及的网络关键技术包括网络切片、移动边缘计算、控制和承载分离、网络功能重构等。

网络切片技术,通过切片技术能够改变原有网络刚性管道模式。切片模板、切片生命周期管理、多切片接入、切片共享和切片运行维护方面等功能已基本成熟,能够实现基于5G场景和需求灵活构建不同特性网络切片的能力;

控制和承载分离,相比与传统网络可实现控制功能和转发功能的完全分离,网络功能可以按需编排和重构,从而满足不同场景差异化要求;

网络功能重构,5G网络设备能够基于虚拟化技术实现,硬件平台采用通用x86服务器,云管理系统基于开源技术。基于虚拟化技术的网络设备在计算性能和通信性能上较专用硬件有一定下降,但是在资源利用效率上更加灵活和高效;

移动边缘计算,5G网络中移动边缘计算技术能够实现业务的本地路由、阻断、透传、限速、计费以及切换等功能,可以有效降低业务时延,提高视频类业务的用户体验。

3、5G技术研发试验第二阶段测试计划

5G技术研发试验第一阶段测试已顺利结束,IMT-2020(5G)推动组已于2016年6月启动了第二阶段测试规范的起草工作,计划10月份完成无线关键技术测试规范的制定,2016年底前将启动第二阶段无线技术测试工作,2017年中将启动第二阶段网络技术测试工作。

5G技术研发试验第二阶段测试将基于统一平台、统一试验频率、统一的设备和测试规范开展,面向连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接等5G典型场景,验证不同厂商技术方案的功能和性能。并且,还将开展5G核心网增强和无线接入网关键技术方案测试。此外,还将重点推动系统、芯片和仪表厂商合作开展多方对接测试,培育5G产业链。

四、展望

当前,5G标准化工作已经全面拉开序幕,各国积极部署5G试验推动5G技术、标准及产业发展。我国于2016年1月全面启动5G技术研发试验,目前已经顺利完成第一阶段测试工作,通过测试,验证了5G关键技术性能,有效推动了我国5G关键技术的研发,促进了5G核心关键技术在业界标准共识的形成。随着5G技术研发试验第二阶段测试工作的有序推进,我国将与国外主流组织、企业密切合作,共同推动全球统一5G标准的形成。

作者简介:魏克军,就职于中国信息通信研究院技术与标准所,主要从事无线与移动领域的研究工作。

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