王志勤 余泉 潘振崗 Francis Chow張朝陽 范平志

摘要：部分5G領(lǐng)軍人物探討了5G框架、技術(shù)、發(fā)展時間表與發(fā)展方式等熱點問題。

關(guān)鍵詞：5G；架構(gòu)；空口；算法

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.002

5G的愿景與需求

工信部電信研究院通信標準研究所所長王志勤稱，5G是面向2020年商業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)。對5G到底是一個什么樣的系統(tǒng)，到底能滿足哪些需求，今年國際電信聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)布了5G的愿景和需求。在國內(nèi)有IMT-2020 （5G）推進組，提出了我們國家對5G的理解。

5G架構(gòu)

5G-方面在現(xiàn)有的4G進一步提升，滿足移動互聯(lián)網(wǎng)的需求、另外SG向各行各業(yè)拓展，因此說5G是未來社會生活的基礎(chǔ)設(shè)施。圖1展現(xiàn)的是一個非常有名的、我國提出來的5G之花，其中六片花瓣代表了5G的性能指標，下面三個葉子是它的能效指標。從它的關(guān)鍵性能來看、和4G相比，也能夠體現(xiàn)對移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的支持。一個在移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域提出了用戶體驗速率，另外針對物聯(lián)網(wǎng)提出來每平方公里達到百萬級的連接密度、毫秒級的時延。

可以簡單地將5G的主要場景劃分為兩大類：移動物聯(lián)網(wǎng)場景，移動互聯(lián)網(wǎng)場景。移動互聯(lián)網(wǎng)場景和4G網(wǎng)比較相象，所以也包括了廣域覆蓋、熱點高容量。針對物聯(lián)網(wǎng)多樣化場景、簡單的來看，或者說從非常具有挑戰(zhàn)意義的關(guān)鍵指標來看又劃分為兩個：1.低時延高可靠性場景，車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)場所在的環(huán)境；2.低功耗、大連接場景，如智能電網(wǎng)，抄表等，在此條件下連接和低功耗的要求挑戰(zhàn)最大。

對于物聯(lián)網(wǎng)多樣化的場景，如何通過一個無線接口實現(xiàn)，對我們來說是非常大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在國內(nèi)首先提出來5G軟空口或叫做靈活空口?？湛谑墙y(tǒng)一框架，能夠滿足移動互聯(lián)網(wǎng)各種場景的需要，同時又是一個靈活可配制的，它包括很多關(guān)鍵參數(shù)，比如幀結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式、信道編碼等等，針對不同的應(yīng)用場景可以做不同的參數(shù)，我們可以形成一個最優(yōu)的解決方案滿足這個場景。

5G關(guān)鍵技術(shù)

在整個架構(gòu)確定之后，5G的關(guān)鍵技術(shù)也是非常重要的一個元素。什么是5G關(guān)鍵技術(shù)？大家還在討論。因為從明年開始會在全球開始5G標準的一些研究工作，所以哪些關(guān)鍵技術(shù)能夠進入到標準中，其中除了它的先進性以外，這種技術(shù)的可實現(xiàn)性和產(chǎn)業(yè)的成熟度也是評估技術(shù)標準的要素，從這兩個角度來說也是本次大賽所特別驗證的，也是對我們的標準化工作給予有力支撐的一個方面。

圖4中列出了部分5G的關(guān)鍵技術(shù)、有一些其實是在4G中有很多積累。包括大規(guī)模天線陣列，新型多址技術(shù)和超密集組網(wǎng)等。此外，針對新型的多載波和先進的調(diào)制編碼技術(shù)，業(yè)界現(xiàn)在正在做很多研究，看它們到底在哪些方面是否可適用于5G。其中三大新空口算法就是重要的5G候選技術(shù)：

F-OFDM（Filter-OFDM），它能夠?qū)崿F(xiàn)空口物理層切片后向兼容LTE 4G系統(tǒng)、又能滿足未來5G發(fā)展的需求。它能將OFDM載波帶寬劃分成多個不同參數(shù)的子帶，并對子帶進行濾波，而在子帶間盡量留出較少的隔離頻帶；可以將整個頻段按照未來不同種類的業(yè)務(wù)精細分割，對空口實現(xiàn)靈活切片更好支持不同業(yè)務(wù)的帶寬時延、可靠性需要，同時帶來頻譜資源利用率提升。

極化碼Polar Code， -個能達到香農(nóng)極限信道容量的特殊碼系，近年得到了5G標準化研發(fā)機構(gòu)和學(xué)術(shù)界的強烈關(guān)注。

SCMA（稀疏碼多址接入），是應(yīng)5G需求設(shè)計產(chǎn)生的一種菲正交多址技術(shù)。其非正交疊加的碼字個數(shù)可以成幾倍大于使用的資源塊個數(shù)，從而成幾倍的提高頻譜利用率。

5G關(guān)鍵技術(shù)在為期7個月的“第一屆5G算法大賽“中得到很好的驗證，此次大賽最大的感受就是驚喜！成功！這和華為提供算法培訓(xùn)，ALtera提供FPGA平臺支持以及高校學(xué)生的努力是分不開的，這是高校和產(chǎn)業(yè)界合作的典范，也剛好為2016年即將開啟的5G標準研究奠定了很好的基礎(chǔ)！

5G需要開放、共贏

華為無線網(wǎng)絡(luò)首席戰(zhàn)略官余泉稱，5G有一個非常美好的萬物互聯(lián)的遠景，相比以前的技術(shù)會有很大的差異。我們從第一代模擬移動通信技術(shù)到現(xiàn)在正在使用的4G通信技術(shù)，主要解決的就是人的通信問題和聯(lián)接需求問題。5G將會把物的需求也納入進來，這里面肯定會有很多技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)方面的改變。現(xiàn)在的移動通信是由移動運營商主導(dǎo)的，未來5G產(chǎn)業(yè)有很多垂直行業(yè)的參與者，我們的消費者，也就是移動通信的使用者都會參與到5G產(chǎn)業(yè)當(dāng)中去。有人說，移動通信發(fā)展到現(xiàn)在，是一個傳統(tǒng)行業(yè)，而5G，有可能又將移動通信產(chǎn)業(yè)重新變成一個朝陽產(chǎn)業(yè)。

萬物互聯(lián)的世界對每個人都是激動人心的事情。面向這樣的一個時代，華為認為一個很重要的改變，就是要更加開放。5G時代需要一個更加開放，更加創(chuàng)新的環(huán)境。所以華為從投入5G第一天開始，就抱著開放的心態(tài)。華為在全球有9個重量級研究中心、超過500名專家參與到5G的研發(fā)、根據(jù)不同國家的科學(xué)家擅長的領(lǐng)域，不同研究中心覆蓋不同的方面，比如：華為俄羅斯研究所主要領(lǐng)域在算法，因為俄羅斯的數(shù)學(xué)很強，有很多很強的數(shù)學(xué)家。

在這樣的研究布局基礎(chǔ)之上，華為跟全球頂尖高校都有合作，也包括國內(nèi)的西電、成電、清華和東南大學(xué)等。華為還和全球近10家頂級運營商在SG方面開展合作，還參加了全球主要的SG產(chǎn)業(yè)組織。我們希望以這樣一種方式，整合全球的資源，來共創(chuàng)5G更美好的未來。

展望未來，5G會在2020年商用（如圖5和6）。中國政府宣布了2020年5G商用的目標，韓國、日本、美國也宣布了類似的時間表。我相信中國的5G產(chǎn)業(yè)會在前幾代人的基礎(chǔ)之上，站在更加領(lǐng)先的位置。我們可以看到在全球的標準組織和頻譜組織已經(jīng)制訂相應(yīng)的時間表，為5G的到來做好準備，服務(wù)于2020年的商用目標。

華為從2009年開始投入5G，目前約有500位以上的科學(xué)家和頂級專家專注于在5G研究。截止到目前基本上完成了大部分可能的SG技術(shù)篩選和技術(shù)研究，也在實驗室完成了這些技術(shù)的驗證，并且在成都建立了全球第一個基于5G候選技術(shù)的多用戶的外場。這個外場取得了菲常好的、超出業(yè)界預(yù)期的結(jié)果。未來3-5年，華為會在全球主要5G的市場上和全球其他合作伙伴開展外場和預(yù)商用測試，積極為5G產(chǎn)業(yè)貢獻自己的力量。

堅守5G物理層創(chuàng)新

展訊通信5G研發(fā)高級總監(jiān)潘振崗稱，四年前，幾個學(xué)術(shù)界大牛撰寫過一篇非常著名的文章，對無線通信的物理層技術(shù)進行了一次自我拷問：“Is the phy layer dead？”雖然文章的結(jié)論還是比較正面的。但這個自我拷問的出現(xiàn)就已經(jīng)表明無線通信界對物理層技術(shù)繼續(xù)往前發(fā)展的一種悲觀氣氛。因為物理層的技術(shù)在高速發(fā)展過程中，未來給我們的空間是有限的。這從業(yè)界的動態(tài)也有所體現(xiàn)，在這個領(lǐng)域的研究人員越來越少。原因如下。

1.在前幾代相對單一的需求和評估準則下，我們的物理層技術(shù)看上去離理論極限已經(jīng)很近。大家很難接受花幾倍甚至更多的復(fù)雜度去爭取O.xdB BER/BLER性能的提高。

然而5G的情況發(fā)生根本的變化。

一方面需求變得非常多樣化，除了傳統(tǒng)移動寬帶，更多的需求來自垂直行業(yè)的物聯(lián)需求，以至于現(xiàn)在IMT-2020已經(jīng)不能使用單一雷達圖來表達5GKPI，需要在此基礎(chǔ)上定義幾個子集來表示。評估準則發(fā)生了變化，也就出現(xiàn)了對Shannon公式的再解釋，綠色通信理論的出現(xiàn)等，拓展了新的理論空間。另外，業(yè)務(wù)狀況：SN小包業(yè)務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)突發(fā)規(guī)則/非規(guī)則業(yè)務(wù)等。

另一方面，可利用的資源/條件不一樣了。過去多年無線通信的發(fā)展已經(jīng)把無線頻譜的優(yōu)質(zhì)資源都用的差不多了。未來我們需要：1）開墾蠻荒地帶如高頻段。2）充分利用邊角料如Gap band；因此物理層的技術(shù)有了新的用武之地。

2.物理層的研究對人員的要求非常高。知識技能要求多：最優(yōu)化理論、概率論與隨機過程、統(tǒng)計估計理論、代數(shù)、多項式、矩陣/線性代數(shù)、實分析/復(fù)分析、微積分、微分幾何等。很多知識都是非常抽象的，對這些知識的把握，需要一個人能夠忍受孤獨，去靜思，去理解，去長期一點一滴地積累。這好像跟我們現(xiàn)在各類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的敏捷開發(fā)、快速迭代是截然不同的兩個世界。

其實不僅是物理層技術(shù)，整個通信系統(tǒng)越來越成為一個幕后英雄了。大家可以看到現(xiàn)在的智能手機評測，看CPU的處理速度，看GPU的能力，看屏幕的分辨率，看音質(zhì)，…。好像跟通信沒有關(guān)系了。仿佛回到十多年前，各種電腦雜志對臺式機/筆記本、對最新一代的CPU、顯卡的評測一樣。

我希望未來對手機的評測中（注：當(dāng)然，未來的終端是不是還是以“手機”這個形態(tài)存在還值得探討），可以看到在戈壁灘上的信號還很好，大型演出會現(xiàn)場也可以，高鐵/飛機上可以，能隨時連接家里的各種傳感器/攝像頭，以了解家里的情況，等等。這些才是體現(xiàn)移動通信本質(zhì)的。

因此，無論你今天預(yù)測了如何新奇的各類5G應(yīng)用，無線通信是根本。

展訊是隨著中國的通信標準自主戰(zhàn)略一起成長起來的公司，見證、也全程參與了中國的通信標準從空白到跟隨、到并進的過程；產(chǎn)業(yè)上，也全力支撐了中國的TD標準走向成熟，并為世界所接受的歷程。未來，展訊將繼續(xù)在中國5G標準化過程中實現(xiàn)引領(lǐng)而貢獻自己的力量。

展訊已經(jīng)成立了專門的5G研發(fā)團隊，在北京、上海、芬蘭，在核心技術(shù)、系統(tǒng)方案設(shè)計方案都進行了精心的布點。專利戰(zhàn)略、標準化推進、技術(shù)原型驗證都制定了詳細的里程碑計劃。目標是成為5G時代tier 1的終端芯片提供商。

5G物理層空間很大

浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院教授張朝陽稱，所謂物理層傳輸技術(shù)在提升容量上的空間不大，主要是因為不同編碼調(diào)制技術(shù)離香農(nóng)界限很近了，這是指在物理層編碼調(diào)制方面，新的技術(shù)帶來的增益不大，但是這些新的5G技術(shù)有一些特殊的特點。這些新的特點不僅僅是為了提升容量和速率所需要的，這些特點是為了支持SG未來大規(guī)模接入等等一些新需求所必需的。

為什么要做物理層新的空口？為什么要做新的傳輸體制？是因為除了容量和速度之外，還有一些特殊的要求，比如大規(guī)模接入、低時延，這些在過去和現(xiàn)有的傳輸體制里面是無法解決的，所以實際上不是5G物理層的空間不大，恰恰相反是空間很大。因為1G、2G、3G、4G中，目前還沒有一個物理層體制能夠真正支持大規(guī)模的接入和互聯(lián)。未來剛好也是物聯(lián)網(wǎng)時代，現(xiàn)有體制是無法支撐的，所以這就是5G為什么在很大程度上被視作革命性的技術(shù)，相對2G和3G、4G來說改變是很大的。所以，所謂空間不大是指一些物理層傳輸技術(shù)在傳輸速率方面提升空間不大，但是在其他方面空間還是很大的，而且是必須要的，如果沒有這些技術(shù)很多新的應(yīng)用需求是無法支撐的。

產(chǎn)學(xué)聯(lián)合，用FPGA共創(chuàng)5G未來

Altera公司副總裁兼通信業(yè)務(wù)總經(jīng)理Francis Chow稱，5G可將數(shù)據(jù)速率提升千倍，所連接的設(shè)備也將增加成百上千倍。要真正實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)，我們必須解決很多技術(shù)上和商業(yè)上的挑戰(zhàn)。僅僅靠半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)解決不了這些挑戰(zhàn)。因此，我們必須充分挖掘同學(xué)們的天賦和潛力。這就是我們聯(lián)合西安電子科技大學(xué)、友晶舉辦2015年首次5G大賽的原因。這次競賽，共有來自76所大學(xué)的184個團隊參加大賽，最后30個團隊用不到7個周的時間，基于Altera的FPGA平臺完成了整個系統(tǒng)的部署，結(jié)果非常出色。

關(guān)于這次大賽，西南交通大學(xué)范平志教授稱：大賽分為兩個階段，初賽和決賽。初賽側(cè)重對算法的考察，大賽組委會提供了一套算法的基礎(chǔ)方案，看同學(xué)們是否能夠仿真設(shè)計出來。復(fù)賽側(cè)重在硬件實現(xiàn)。評選是綜合性的，首先看最基本的鏈路功能是否已經(jīng)實現(xiàn)；另外就要看學(xué)生們實現(xiàn)的性能及優(yōu)化創(chuàng)新的地方。比如說我負責(zé)的SCMA組，一些團隊提出了跟參考方案不一樣的更具新穎性的低復(fù)雜度譯碼算法，通過仿真驗證了其可行性，并在硬件上實現(xiàn)出來。Altera這個板子總體反映應(yīng)用不錯非常給力，有團隊在做完了算法鏈路的基礎(chǔ)上，還用視頻數(shù)據(jù)看看傳輸效果，帶來更加直觀的演示。

Francis Chow在談到FPGA作用時稱，長期以來，F(xiàn)PGA一直在為通信系統(tǒng)架構(gòu)做出卓越的貢獻。例如，今天如果你拿起電話跟你海外的朋友通話，你的電話有95%以上的可能性是通過Altera的FPGA實現(xiàn)的。FPGA具有極大的靈活性并可驅(qū)動創(chuàng)新。我們希望我們的FPGA能夠像過去一樣為未來的5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展做出貢獻。

參考文獻：

[1]王瑩.5G標準未行，算法等研發(fā)已開始預(yù)熱電子產(chǎn)品世界，2015（7）：27-30

[2]張晨光.展訊已經(jīng)開始做5G研發(fā)電子產(chǎn)品世界，2015（7）：26

[3]蘇寒松，錢鑫，來世兵，等LTE系統(tǒng)中宏小區(qū)與femtocell的切換方法電子產(chǎn)品世界，2014（6）：33-36