5G无线技术架构白皮书（2015年）_39页_13mb

5G无线技术架构与关键技术总结

核心内容

5G无线技术架构旨在满足未来移动通信在多场景下的高性能需求，包括连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接。为实现这一目标，5G将采用新型多址技术、大规模天线、超密集组网和全频谱接入等关键技术，同时结合5G新空口与4G演进两条技术路线，构建一个统一、灵活、可配置的无线技术框架。

主要观点

• 5G将支持更多样化的业务场景，包括高速率、高容量、低时延和低功耗等。
• 与4G相比，5G需要突破后向兼容限制，设计全新空口技术，以支持更广泛的性能指标。
• 高频和低频频段将共同构成5G频谱资源，其中低频用于广覆盖和大连接，高频用于热点区域的高速传输。
• 灵活双工与全双工技术将提升频谱效率，支持动态资源分配和减少时延。
• 频谱共享技术将实现对未被充分利用频谱资源的动态管理和高效利用，提高系统整体性能。

关键信息

1. 5G主要技术场景

• 连续广域覆盖：支持100Mbps以上的用户体验速率，适用于所有移动场景。
• 热点高容量：支持1Gbps用户体验速率、数十Gbps峰值速率和数十Tbps/km²的流量密度。
• 低时延高可靠：支持毫秒级端到端时延和接近100%的业务可靠性，适用于车联网、工业控制等场景。
• 低功耗大连接：支持百万/平方公里的连接密度，适用于环境监测、智能农业等物联网场景。

2. 5G无线技术路线

• 5G新空口：包含低频和高频部分，用于满足不同场景下的性能需求。
• 4G演进：基于LTE/LTE-Advanced，提升速率、容量、连接数和时延，作为5G的补充。

3. 5G空口技术框架

• 帧结构与信道化：支持灵活配置，如子载波间隔、TTI、上下行配比等。
• 双工技术：支持TDD、FDD、灵活双工和全双工，以适应业务需求。
• 波形技术：支持OFDM、F-OFDM、FBMC、UFMC等，降低带外泄露和提升频谱效率。
• 多址技术：支持OFDMA、SCMA、PDMA、MUSA、NOMA等，提升系统连接能力和频谱效率。
• 调制编码技术：支持多元LDPC、极化码、APSK、网络编码等，以适应不同业务场景。
• 天线技术：支持大规模天线、自适应波束赋形、集中式/分布式架构等，提升系统容量和覆盖能力。
• 协议技术：支持免调度、自适应HARQ、节能机制等，提升接入效率和用户体验。

4. 5G无线关键技术

• 大规模天线：提升频谱效率，支持空间复用，优化波束赋形技术。
• 超密集组网：通过密集部署小基站提升系统容量，解决干扰、移动性、部署成本等问题。
• 全频谱接入：利用低频和高频混合组网，支持高速率和广覆盖，6-100GHz频段被重点关注。
• 新型多址技术：如SCMA、PDMA、MUSA，支持海量连接和高效频谱利用。
• 新型多载波技术：如F-OFDM、FBMC、UFMC，支持灵活资源分配，适应多变业务需求。
• 终端直通技术（D2D）：支持终端间直接通信，提升车联网、物联网等场景的通信效率。
• 灵活双工技术：支持上下行资源动态分配，提升频谱效率和系统灵活性。
• 全双工技术：理论上可提升一倍频谱效率，需解决自干扰抑制与组网协调问题。
• 频谱共享技术：实现多运营商、多系统间的频谱共享，提升频谱使用效率和系统容量。

5G技术发展挑战与解决方案

• 频谱资源有限：需通过高频段利用、频谱共享和灵活双工等方式解决。
• 干扰管理复杂：需引入自干扰抑制、干扰协调、小区虚拟化等技术。
• 系统复杂度高：需通过统一技术框架、灵活配置和模块化设计降低复杂度。
• 终端功耗与成本高：需优化波形、编码、多址和协议，提升能效并降低成本。

技术路线与产业推进

• 5G技术路线需兼顾新空口与4G演进，形成统一技术框架。
• 技术方案需根据场景需求进行灵活配置，实现“量体裁衣”式优化。
• 5G将推动国际标准制定和产业共识达成，以支持后续产业发展。
• 主要贡献单位包括中国信息通信研究院、中国移动、中国电信、华为、中兴、大唐电信等。

图表与示意图

• 图1：5G技术路线与场景
• 图2：灵活可配的5G空口技术框架
• 图3：大规模天线应用场景
• 图4：关键技术示意图
• 图5：虚拟层技术示意图
• 图6：软扇区示意图
• 图7：高频通信关键技术
• 图8：SCMA工作原理
• 图9：PDMA工作原理
• 图10：MUSA工作原理
• 图11：F-OFDM的灵活自适应帧结构
• 图12：OFDM与FBMC在高速场景下的性能对比
• 图13：APSK与QAM星座的链路性能比较
• 图14：新型调制编码技术分类
• 图15：16元码与二元LDPC码的链路性能比较
• 图16：APSK与QAM星座的链路性能比较
• 图17：网络编码和路由选择对系统吞吐量的增益
• 图18：时域及频域的灵活资源分配
• 图19：小区上行吞吐量
• 图20：小区下行吞吐量
• 图21：全双工工作原理
• 图22：性能仿真结果
• 图23：评估场景拓扑示意图
• 图24：性能仿真结果

总结

5G无线技术架构的构建是实现未来移动通信系统性能提升的关键，其技术路线和框架需在统一性、灵活性和可扩展性之间取得平衡。通过引入新型多址、大规模天线、超密集组网、全频谱接入等关键技术，5G将能够满足多样化的业务需求，包括高速率、高容量、低时延和大连接等。同时，频谱共享、灵活双工和全双工等技术将提升系统效率，应对频谱资源紧缺和复杂干扰环境。5G的标准化和产业化将依赖于技术突破、产业协作和政策支持，推动全球通信技术发展迈入新阶段。