5G移动通信发展趋势与若干关键技术_尤肖虎.pdf

中国科学: 信息科学 2014 年第 44 卷第 5 期: 551–563
o.
评述
5G 移动通信发展趋势与若干关键技术
尤肖虎x∗, 潘志文x, 高西奇x, 曹淑敏y, 邬贺铨z
x 东南大学移动通信国家重点实验室, 南京 210096
y 工业和信息化部电信研究院, 北京 100191
z 中国工程院, 北京 100088
* 通信作者. E-mail: ******@seu.
收稿日期: 2014–02–19; 接受日期: 2014–03–21
国家高技术研究发展计划(批准号: 2014AA01A704)、国家自然科学基金委员会创新群体(批准号: 61221002) 和 Intel 公司资助
项目
摘要第 5 代移动通信系统(5G) 是面向 2020 年之后的新一代移动通信系统, 其技术发展尚处于探
索阶段. 结合国内外移动通信发展的最新趋势, 本文对 5G 移动通信发展的基本需求、技术特点与可
能发展途径进行了展望, 并分无线传输和无线网络两个部分, 重点论述了富有发展前景的 7 项 5G 移
动通信关键技术, 包括大规模天线阵列、基于滤波器组的多载波技术、全双工复用、超密集网络、自
组织网络、软件定义网络及内容分发网络. 本文还概括性地介绍了国内 5G 移动通信的相关研发活
动及其近期发展目标.
关键词 5G 关键技术发展趋势无线传输技术无线网络技术
1 概述与总体趋势
5G 是面向 2020 年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统. 根据移动通信的发展规律,
5G 将具有超高的频谱利用率和能效, 在传输速率和资源利用率等方面较 4G 移动通信提高一个量级
或更高, 其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高. 5G 移动通信将与其
他无线移动通信技术密切结合, 构成新一代无所不在的移动信息网络, 满足未来 10 年移动互联网流
量增加 1000 倍的发展需求. 5G 移动通信系统的应用领域也将进一步扩展, 对海量传感设备及机器与
机器(M2M) 通信的支撑能力将成为系统设计的重要指标之一. 未来 5G 系统还须具备充分的灵活性,
具有网络自感知、自调整等智能化能力, 以应对未来移动信息社会难以预计的快速变化.
5G 已经成为国内外移动通信领域的研究热点. 2013 年初欧盟在第 7 框架计划启动了面向 5G 研
发的 METIS (mobile and munications enablers for the 2020 information society) 项目[1],
由包括我国华为公司等 29 个参加方共同承担; 韩国和中国分别成立了 5G 技术论坛和 IMT-2020(5G)
推进组, 我国 863 计划也分别于 2013 年 6 月和 2014 年 3 月启动了 5G 重大项目一期和二期研发课
题. 目前, 世界各国正就 5G 的发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标及使能技术进行广泛的
研讨, 力求在 2015 年世界无线电大会前后达成共识, 并于 2016 年后启动有关标准化进程[2].
引用格式: 尤肖虎, 潘志文, 高西奇, 等. 5G 移动通信发展趋势与若干关键技术. 中国科学: 信息科学, 2014, 44: 551–563, doi:
-00032
尤肖虎等: 5G 移动通信发展趋势与若干关键技术
移动互联网的蓬勃发展是 5G 移动通信的主要驱动力. 移动互联网将是未来各种新兴业务的基础
性业务平台, 现有固定互联网的各种业务将越来越多地通过无线方式提供给用户, 云计算及后台服务
的广泛应用将对 5G 移动通信系统提出更高的传输质量与系统容量要求. 5G 移动通信系统的主要发
展目标将是与其他无线移动通信技术密切衔接, 为移动互联网的快速发展提供无所不在的基础性业务
能力. 按照目前业界的初步估计, 包括 5G 在内的未来无线移动网络业务能力的提升将在 3 个维度上
同时进行: 1) 通过引入新的无线传输技术将资源利用率在 4G 的基础上提高 10 倍以上; 2) 通过引入
新的体系结构(如超密集小区结构等) 和更加深度的智能化能力将整个系统的吞吐率提高 25 倍左右;
3) 进一步挖掘新的频率资源(如高频段、毫米波与可见光等), 使未来无线移动通信的频率资源扩展 4
倍左右.
当前信息技术发展正处于新的变革时期, 5G 技术发展呈现出新的如下特点.
1) 5G 研究在推进技术变革的同时将更加注重用户体验, 网络平均吞吐速率、传输时延以及对虚
拟现实、3D、交互式游戏等新兴移动业务的支撑能力等将成为衡量 5G 系统性能的关