通向5G之路，需要用到哪些关键技术？

5G除了速度更快、时延更短，能接入更多的设备外，还涵盖了非常全面，而且复杂的连接过程。在5G网络上，既有传统的语音服务，也有从移动互联网上延伸的数据服务，还有诸如自动驾驶和远程医疗的关键业务，以及海量物联网等等。这些都需要关键技术的支持，那么这背后到底需要用到哪些关键技术呢？

“5G将会在统一的架构下，统一的空口中实现多样化部署、多样化频谱和多样化服务。”Qualcomm高级研发总监及中国研发中心负责人侯纪磊博士在一次5G媒体沙龙中表示。同时，他还提到了OFDM、5G NR、MIMO技术和频谱共享等概念。

图1：Qualcomm高级研发总监及中国研发中心负责人侯纪磊博士。

什么是OFDM?

OFDM是一种波形， “传输数字信号其实要传的就是0和1信号，当我们在无线信道上传输0和1的时候，外面需要包裹一个覆盖性外形的东西，相当于是衣服或鞋子，这样在无线信道传输的时候才能保证在一定的频谱和时间范围内进行有效传输。”侯纪磊博士通俗地解释说，“一个人走在路上，不穿鞋脚就会痛，容易受伤；类似地，0和1信号在传输中很容易有衰落，导致传输失败。”

OFDM其实是从原来的4G技术延伸过来的，现在的LTE和WiFi信号的基本波形都是OFDM。“我们研究了很多替代性方案，但最终发现OFDM仍然是最有效的模式。”侯纪磊博士强调，“当然，我们也对OFDM进行了进一步的优化，帮助它进行参数扩展，外加针对不同用例进行优化的多址接入。”

什么是5G NR?

5G指的是第五代移动通信，NR则是3GPP目前确定的5G空口技术的名词缩写，它代表的是new radio，意指新无线电或新无线通信技术。3GPP，它是全球移动通信方面最权威的标准组织，无论是Qualcomm、爱立信、华为、诺基亚还是其他中国厂商，大家都在这个标准组织内参与制定新的空口技术。

图2：5G NR的发展。

为了满足5G空口设计需求，除了要使用OFDM技术外，还需要通用灵活的框架。这相当于把无线通信的资源从频率和时间上进行划分，将频率和时间都划分成小格。

从调度和通信的角度看，每一个小格就代表一个通信单元，而一个用户可以占用一个或多个小格。有了这样通用灵活的架构，无论是单用户还是多用户，是点对点连接还是一点对多点的广播业务连接，或者是D2D(即终端到终端)直连的模式，这些都可以在这样一个时间频率网格上进行统一性的设计和规划。

大规模MIMO技术

5G与4G最大的不同是，将会使用大规模MIMO技术。MIMO代表多天线输入和多天线输出，目前在全世界比较通用的LTE网络中绝大多数都是2×2，即在基站发送端使用两根天线，在手机端也使用两根接收天线。

大规模MIMO技术是MIMO上的一个颠覆性新发展。将来可以在发送端做到128根，甚至是256根天线；在接收端由于手机空间比较少，天线数量将取决于手机的操作频率。如果是在2GHz或3GHz，接收端可以是4~8根天线，如果是毫米波频率，则可以支持16或32根天线。

毫米波

在5G的频谱支持方面，首先表现出来的是对从低频、中频到高频的广泛频段的支持，包括现在比较热门的毫米波频段。越是低频的信号，它能传输的距离就越远，覆盖范围越大。

1GHz以下低频频谱的传播距离可以达到几公里甚至十几公里，随着频率往上，其波长变得更短，信号绕射和对抗非视距的能力也会下降。也就是说，频率越高其传播距离就越短，因此我们对信号及其业务范围的设计就要有非常好的适配。

侯纪磊博士认为，5G不是一定要使用毫米波，但如果想要获得更大的传输带宽的话，就不可避免要用到毫米波频段。目前，每个LTE载波的带宽大约是20MHz，而到了毫米波范畴，毫米波载频到20GHz或30GHz时，其载波带宽可以达到800MHz甚至是1GHz。

从信道带宽上看，相当于原来4G载波带宽的10倍、20倍甚至是50倍，这就相当于大幅扩宽高速公路的通道宽度，我们知道通道宽度对车辆的容量和速度都有直接的影响。

非授权频谱和共享频谱

3G和4G的服务都是基于授权频谱的，当运营商拥有某个频段，它就是这个频段的唯一使用者，对不明用户的干扰运营商可以直接屏蔽，从而避免频道干扰和破坏。这就是所谓的授权频谱。

图3：5G NR支持所有频谱类型。

那什么是非授权频谱呢？非授权频谱的基本概念是，当你进入系统的时候，首先需要监听这个系统是否有别人正在进行操作或服务。如果别人在操作，你可以先在系统边上等一会，过一段时间回来再次监听；如果监听时系统没有使用者，这个时候你就可以非常及时且有效地把你的信号传输出去。

通过这样一种先听后说（Listen-before-talk，即载波侦听）的方式，我们可以利用非授权频谱。

其实在2.4GHz、5GHz和60GHz频谱上，有很多频段是被划分为非授权频谱的。

图4：引领5G频谱共享技术。

另外一种比较新型的概念叫共享频谱。

它指的是，某个频谱目前已经有拥有该频谱的使用方，但无论从地区还是时间上看，使用方对频谱的使用非常有限。比如说使用者每天只需要在10：00~12：00使用这个频段，这种情况下使用者就可以与第三方协议，把他不需要使用频段的时段，通过协议或有偿的方式转租给第三方。这种转租的模式也就是我们经常说的共享经济，某种意义上共享频谱其实是共享经济在通信方面的表现，这将允许频谱的利用更加有效、更加合理。

侯纪磊博士还特别介绍了频谱共享技术。频谱共享可以分为几种不同类别。

一是频谱聚合，比如说有一个载波在授权频谱上，另一个载波在非授权频谱，通过聚合授权频谱和非授权频谱上的载波可以实现容量和体验的提升。

二是射频聚合。射频聚合与频谱聚合的区别在于，频谱聚合在调度和网络后端共享的层次上是相同的，而射频聚合，谈的是聚合两个在网络后端其实完全不同的网络。比如说LTE与Wi-Fi的链路聚合，就属于射频聚合。

三是分层共享，正如前面提到的，某个频谱的使用方在自己不使用频谱的情况下，他可以通过优先级的方式、基于时间或物理位置频谱与第三方共享，我们称之为分层共享。分层共享在美国和欧洲有两种模式，分别是CBRS和LSA。

最后一类频谱共享的新方式是独立非授权。跟频谱聚合技术相比，频谱聚合的非授权载波不具有独立性，它的操作必须依赖于某个授权频谱作为控制载波；而独立非授权指的是，这个载波在非授权频谱上可以独立操作，无论从接入、内容使用还是移动性的角度看，它都是一张独立完整的新型网络。独立非授权模式的好处在于，如果有新的服务商希望建立新型业务，这种模式可以帮助他们通过成本更低且更加灵活的方式建立网络，将来这对通信业务的构成和补充也都是非常好的方式。

其他关键技术

在通向5G的过程中，我们还需要有非常多的准备，需要用到大量新的技术。比如说在2G、3G和4G网络部署的最多的宏基站，将来在5G时代中，由于宏基站放的高度比较高，且占的物理空间比较大，这就允许在宏基站中部署更多天线，例如256根天线，甚至更多。

5G另外一个比较大的技术亮点是先进信道编码。3G和4G网络大量采用的是Turbo码；到了5G，针对增强型移动宽带业务，数据信道将采用LDPC码，控制信道则将采用Polar码。这些都是新型编码技术在未来5G网络上的直接应用。

另一方面，小基站的优势在于，当宏基站的覆盖或容量出现缺失时，我们可以通过更灵活的小基站部署增强容量和覆盖。小基站为实现新型部署模式提供了一种非常强有力的补充。

在小基站里面还有两个非常重要的概念。

一个是毫米波，而且是移动化的毫米波技术。当信号传输频率越高，尤其是在非视距的情况下，也就是从发送到接收天线之间没有一个视距可以直接连接他们的时候，如何通过移动化的设计保证稳健、无缝的毫米波连接，这是将来小基站方面非常有特色的地方。

另一个概念是多连接。“当用户身边存在多个基站，我们一方面强调毫米波的移动性和稳健性，另一方面是，当毫米波移动性和稳健性依然存在挑战的时候，我们需要保持用户与多个基站之间的同时连接，这样在我们与某个基站连接出现短时间空白的时候，我与其他基站依然保持连接，从而保证连接质量、通信通畅并且提供非常好的用户体验。”侯纪磊博士表示。

当我们把所有这些5G全新技术在统一框架下设计实现以后，我们期待能实现更高水平的性能和效率。根据ITU世界无线电联的愿景，与4G系统相比，我们期待5G实现十倍吞吐量，将端到端时延降到4G的十分之一，连接密度提高十倍，传送单个比特信号所占用频谱的效率也能提高三倍，数据容量和网络效率大幅度提升。最终，无论从体验还是容量看，5G都将给广大用户带来颠覆性的网络连接。