1.3.2 5G关键技术

为了应对行业应用对网络能力的要求，5G推出了一系列的新空口的理念和关键技术，全面覆盖基础波形、多址方式、信道编码、接入协议和帧结构等领域，其中最关键的技术如下所述。

1.新波形技术

4G采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术将高速率数据通过串/并转换调制到相互正交的子载波上去，并引入循环前缀（Cyclic Prefix，CP），较好地解决了码间串扰问题，在移动互联网时代得到了广泛应用。但OFDM最主要的问题就是不够灵活，未来不同业务场景对带宽、时延和连接数的网络能力需求迥异，OFDM无法同时满足不同业务对网络能力的不同需求。

5G采用了F-OFDM（Filtered OFDM，滤波OFDM）的新空口技术，这一技术在继承了OFDM的全部优点的基础上，克服了OFDM的一些固有缺陷，提升了灵活性和频谱利用效率。图1-5所示为5G新波形F-OFDM的时频资源分配方式。F-OFDM在频域上采用灵活的子载波带宽；在时域上采用灵活的符号（5G中时域资源调度的最小单位）长度，能够根据不同业务在传输带宽、传输时延以及接入用户数的需求上进行灵活的资源分配，是实现5G空口的基础技术。

2.新信道编码技术

信道编码的目标是以尽可能小的开销确保信息的可靠传送。香农第二定理指出，只要信息传输速率小于信道容量，就存在一类编码，使信息传输的错误概率可以任意小，而狭义的香农极限就是指通过编码达到无误码传输时所需要的最小信噪比，但在现实中，实现无误码传输的代价太高，在可以承受一定误码率的条件下，所需要的最小信噪比就是广义的香农极限。

2007年，土耳其比尔肯大学教授Erdal Arikan首次提出了信道极化的概念。所谓信道极化，顾名思义就是信道出现了两极分化，是指针对一组独立的二进制对称输入离散无记忆信道，可以采用特定的编码方法，使各个子信道呈现出不同特征，当码长持续增加时，一部分信道将趋向于完美信道（零误码），而另一部分信道则趋向于纯噪声信道。基于该理论，他给出了人类已知的第一种能够被严格证明达到香农极限的信道编码方法，并命名为极化码（Polar Code）。

Polar码相比4G采用的Turbo码，具备更高的编码效率、更高的可靠性，以及更低的编译码复杂度，可以更好地应用于如无人驾驶等高可靠业务，以及大连接、低功耗的物联网业务。

3.大规模天线技术

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）技术是一种可以在不增加无线频谱的前提下提高无线接入链路的频谱效率、提高链路可靠性并增大系统容量的技术，通常要在信号发射端与接收端部署多副天线，而且基站发射天线的数量要高于终端接收天线的数量。基站的多副天线可以采用相同的时间以及频率资源来同时为多个移动通信终端用户提供接入服务，通过对空间的复用，显著地提升系统容量。

在4G移动通信标准中就引入了MIMO技术，但是由于天线尺寸的限制，4G的下行和上行的接收天线数量都被限制为最多8个。5G将MIMO的天线数量扩增为16/32/64/128天线，所以被称为大规模MIMO（Massive MIMO）。5G在相同的时间及频率资源内可以提供比4G多得多的接入终端用户数，从而获得更高的小区容量。相关试验结果表明，5G采用Massive MIMO技术后，无线频谱效率相比4G可以提高5～10倍，而且即使在小区的边缘，系统也能维持很高的吞吐量。

图1-6 所示为5G基站采用大规模天线及波束赋形提升容量。5G部署了Massive MIMO后，还可以采用波束赋形的技术来进一步提高容量。Massive MIMO负责在发送端和接收端将越来越多的天线聚合起来；波束赋形负责将每个信号引导到终端接收器的最佳路径上，提高信号强度，避免信号干扰，从而改善通信质量。天线数越多，波束的指向性越强，终端获得能量就越高。

4.5G切片技术

5G时代是一个万物互联的时代，不同的服务对于网络的要求将是多样化的，例如基于AR/VR的娱乐信息服务要求连接宽带达到100Mbit/s以上；而智能电网、智能秒表需要大量的连接和频繁小数据包的传输；自动驾驶和工业控制要求毫秒级延迟和趋于100%的可靠性。上述多种类型服务需求表明5G网络能力需要更加灵活，以支撑不同的业务需求。5G切片技术就是为满足上述要求而出现的。

5G切片技术可以将一个物理网络切分为多个逻辑网络，从而实现一网多用的功能。利用5G切片，运营商可以在一个物理网络上构建多个专用的、虚拟的、相互隔离、按需定制的逻辑网络，从而满足不同行业客户对网络能力的不同需求，如带宽、时延和连接数等。

切片技术是5G区别于2G/3G/4G网络的一个关键能力。通过5G切片，可以共享已有网络资源，降低网络使用成本，快速推出定制化的网络服务，从而实现端到端的保障特定业务的网络性能，助力5G技术服务于行业数字化转型。

5.低时延技术

在网络能力方面，5G相比于4G的另一个重大突破就是时延的大幅降低，从而可以应用于工业控制等对时延要求很高的领域。5G可通过多种技术综合运用来降低空口时延。

1）5G灵活的载波结构：在频谱域上，5G采用更大的频谱带宽，每一帧的子载波带宽是4G的2倍以上，这样在时域上，调度一个资源单位所消耗的时间就只有4G的1/2。

2）上行预调度：5G基站在未收到终端发送的调度请求情况下允许终端发送数据，从而节省了信令传输时间。

3）符号级调度（又叫None-slot）技术：普通的数据调度周期内基站需要发送14个符号，而符号级调度一个调度周期内只需要发送2个符号，大幅缩短了调度时间。

4）免授权（Grant free）技术：普通的调度模式下，终端在发送数据之前，需要向基站发起数据传输请求并得到基站的许可；在免授权模式下，终端在有数据传输时，可以先将数据发送出去而无需事先获得基站的授权，从而达到数据传输的“零等待”的效果。