B5G泛在融合信息网络

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1、B5G:泛在融合信息网络张平【摘要】延续线面体的演进趋势，超5代移动通信系统(B5G)继续 提高通信速率，拓展通信空间,完善通信智慧，演进为泛在融合信息网络.B5G使用更 高的频段作为信号载体擞据速率达到太比特每秒量级伴随网络性能的增强,B5G的 适用空间拓展至陆海空天与以往移动通信系统不同，人工智能(AI)成为B5G性能提 升的强劲引擎基于AI的干扰管理、深度学习智能信号处理以及太赫兹技术成为物 理层关键技术基于极化码的中继、多天线、多址技术是传输层关键技术基于AI的 移动网络架构、面向人机物泛在融合的全析网络架构以及认知增强与决策推演的智 能定义网络架构等方式的新架构被应用于网络层.期刊名

2、称】 中兴通讯技术年(卷),期】 2019(025)001【总页数】8页(P55-62)【关键词】泛在融合信息网络;B5G;THz;AI作 者】 张平作者单位】 北京邮电大学,北京 100876正文语种】 中 文1信息通信网络发展历程及5G面临的挑战1948年香农发表了通信的数学原理，提出了信息熵的概念，奠定了信息论和 数字通信的理论基础。70年来，在香农信息论的指导下，现代无线通信系统从无 到有，不断取得突破性发展，深刻改变了人们的生活。1978年美国贝尔实验室成 功研制出了第1个移动蜂窝电话系统先进的移动电话系统（AMPS）,它标 志着第1代移动通信系统（1G）正式登上历史舞台1。20世纪

3、七八十年代，世 界各国纷纷建立起了自己的第1代移动通信系统。由于采用模拟蜂窝和频分多址（FDMA ）技术，1G的容量十分有限，并且通话质量不高，不能提供数据业务和 漫游服务1。为解决上述问题，在20世纪90年代，以数字技术和时分多址（TDMA ）技术为主体的第2代移动通信系统（2G）研制成功2。与1G相比， 2G具有通话质量高、频谱利用率高和系统容量大等优点；但是它对定时和同步精 度的要求高，并且系统带宽有限2，无法承载较高数据速率的移动多媒体业务。 为了支持和实现较高速率的移动宽带多媒体业务，以码分多址（CDMA ）技术为 核心的第3代移动通信系统（ 3G ） 3-7应运而生。相比于前2代移

4、动通信系统， 基于Turbo码和CDMA技术的第3代移动通信系统具有更大的系统容量、更好 的通话质量和保密性，并且能够支持较高数据速率的多媒体业务。然而，仍受其带 宽限制，3G无法支持超高清视频等更高质量的多媒体业务3-7。为了追求更大的 系统容量和更高质量的多媒体业务，基于正交频分复用多收发天线（OFDM- MIMO ）技术和空分多址（SDMA ）技术的第4代移动通信系统（4G）应需而来 8-13。与3G通信系统相比，4G通信系统数据传输速率更快，并且它能够更好 地对抗无线传输环境中的多径效应，系统容量和频谱效率得到大幅提升。随着硬件 工艺的提升和成本的下降，无线设备能力不断增强，数量也持续

5、增加。移动网络承 载的数据量呈现爆炸式增长的态势。伴随着“万物互联”的提出，4G急须满足支 持超高质量的多媒体业务以及高可靠、低时延、低能耗、大连接等新需求。第5 代移动通信系统（5G）研究拉开序幕，并逐步从标准走向实现14-22。图1给出了 5G相较于与IMT-Advanced通信系统（也即实际满足4G标准的商用系统）能力的增强。从图中可以看出5G考虑了更多的性能维度提升，包括：（1）在峰值数据速率方面，峰值数据速率提升了 20倍，由1 Gbit/s提升至20 Gbit/s ；（2 ）在用户体验数据速率方面，就广域覆盖而言，城区和城郊用户有望 获得100 Mbit/s的用户体验数据速率，在热

6、点地区，用户体验数据速率值有望提 升至1 Gbit/s;（3 ）在频谱效率方面，频谱效率较4G提升3倍；（4）在移动 性方面，支持更高速的移动，专门为高速铁路设计服务，由350 km/h提升至 500 km/h ；（5 ）在延迟时间方面，支持极低延迟要求的服务，延迟时间降低了 10倍，由10 ms降低至1 ms；（6 ）在连接密度方面，支持更多数量的设备连接， 适用于大规模机器类型通信场景，连接密度由105设备量/千米 2提升至 106设 备量/千米 2；（7）在网络能效方面，较上一代提升100倍；（8）在区域通信能 力方面，区域通信能力提升了 100倍，由0.1 Mbit/（sm2 ）提升至

7、10 Mbit/（sm2）。基于上述8个方面能力的增强，5G网络开始具备渗透垂直行业的能力， 支持的应用场景涵盖增强型移动宽带（eMBB ）、超可靠低时延通信（uRLLC ）以 及大规模机器通信（mMTC） 3大场景。图2给出了 5G的3大场景典型支持业务， 包括4 K/8 K超高清视频、增强现实（AR ）/虚拟现实（VR）、全息技术、智能 终端、智慧城市、智慧工业、智慧家庭、智慧农业、无人驾驶、车联网、智慧医疗 等。为了实现系统性能的增强，5G借助于毫米波频段，并采用大规模MIMO赋 形技术弥补毫米波频段的衰减。采用了低密度校验码（LDPC ）编码和Polar码分 别作为数据和控制信道编码。

8、图1 5G较4G在关键技术方面增强的示意图23 如图3所示，每一代通信系统取得成功的原因在于完美平衡了天平两侧的通信需 求和技术能力。一旦一方打破这个平衡，就会促使移动通信系统演进到新的平衡状 态。1G到5G的演进呈现如下规律：第一，支持场景逐步多样化，从简单的语音 演进至3大场景典型业务；第二，通信速率每代有约1 000倍提升，从2G的千 比特每秒量级提升至5G的吉比特每秒量级。按照上述演进规律进行推断，超5代 移动通信系统（B5G ）将进一步扩展支持的通信场景，同时数据速率将达到太比特 每秒。当前，5G基本上满足了陆地通信系统面向个人终端的基本通信需求。随着 国家信息疆域战略扩展部署， 5

9、G 通信系统尚不能满足全方位、立体化的多域覆盖， 尤其在空天通信、空地通信，及海洋通信的能力严重不足；因此，5G之后的移动 通信系统面临如下挑战：（1 ）数据的速率将难以达到1 Tbit/s量级以上；（2）多域网络之间相对独立，没有完整的协同传输框架，难以满足全方位、立体化的多域、跨域传输及覆盖，空天通信、空地通信及海域通信能力严重不足；（3）随着大数据、互联网、智慧城市、智慧产业和信息物理与社会融合空间的兴起，对网络的创新、智慧、安全融合提出了更高的要求，例如，情景再现与融合、 智慧城市神经网络、智能无人网络等。图2 5G潜在的业务、服务及应用示意图23图3 1G到5G的需求及其关键技术发展

10、示意图2 B5G演进：泛在融合信息网络目前移动通信系统的演进趋势可以归纳为：由“线”到“面”的演进趋势。线是指 演进所围绕的增强移动宽带性能这条主线，即每一代移动通信系统演进的首要目标 是大幅提升数据传输速率和网络容量。而面是指从4G到5G的演进逐步开始考虑 支持多种业务需求矛盾的场景，而不仅限于增强型移动宽带，例如，5G支持的高 可靠低时延通信以及大规模机器通信业务等。基于已有演进规律，B5G通信系统 将由一维的线、二维的面拓展演进为三维的体，如图4所示。具体而言，这个三 维的“体”包括：速率维度、空间维度以及智慧维度。通过 3 个维度的不断完善， B5G通信系统最终演进为泛在融合信息网络。

11、泛在融合信息网络旨在进一步提高 通信速率，达到1 Tbit/s量级以上；进一步拓展通信空间，由目前的陆地覆盖拓 展至海洋、天空、太空场景下的多域和广域覆盖；进一步加强和完善通信智慧，由 目前单一设备的智能处理演进至多设备、多网络之间的协同跨域联动智能处理，并 且从信息传输、处理及应用层面进一步加强和深化通信智慧。图4 “线”“面”“体”的演进趋势示意图3 泛在融合信息网络中的使能关键技术 泛在融合信息网络包括泛在化、社会化、智慧化、情境化等新型应用形态与模式， 蕴含“网络资源随需即用”的核心技术特征。现有的 5G 网络技术难以在信息广度 信息速度及信息深度上支持人、机、物三元空间的深度融合与应

12、用，需要在网络架 构和核心技术方面加以突破，支撑未来应用的业务需求。如图5所示，为了满足B5G网络的泛在化、社会化、智能化、情景化、广域覆盖及多域融合的需求，结 合5G网络技术的发展以及演进过程，我们从理论及技术等多个方面探索并研究 B5G网络可实现的物理层关键技术、传输层关键技术以及网络层关键技术。 图5 泛在融合信息网络中的关键技术3.1 物理层关键技术（1）太赫兹技术。为了支持超高速数据传输，B5G系统必然采用超宽带体制，太赫兹通信被认为是 未来B5G通信的潜在关键技术之一。由于太赫兹频段相比微波频段，带宽更宽， 可提供数十吉比特每秒甚至更高的无线传输速率。同时，其波束窄，方向性更好，

13、还可采用扩频、调频技术24-27，实现更好的通信保密性和抗干扰能力，因此， 普遍认为太赫兹适合于中、近距离通信或太空无线通信。然而要研究太赫兹频段在 移动通信的可行性及相应技术，首要任务就是要掌握太赫兹频段在多样环境中的无 线信道传播特性。由于传播环境中分子共振引起的能量损失可能会引起太赫兹波在 传播过程中经历极大的衰减，因此，研究雨、雾，甚至空气中的水蒸气对太赫兹传 播规律的影响，对其通信的可覆盖范围具有极大的意义。另外，由于太赫兹波段的 粒子性强，穿透能力低，在传播环境中的穿透和反射特性与微波频段的规律有较大 区别，传统模型难以准确刻画，因此，有必要研究太赫兹在受到不同材质阻挡的情 况下反

14、射和穿透的特性。太赫兹信号带宽一般在吉赫兹以上，系统在时延域的分辨 率达到纳秒级。同时太赫兹由于波长短，天线尺寸极小，一般会组成超大规模的天 线阵列，从而使得多径在时延和空间角度方向的可分离程度极高，而传统信道模型 的分辨精度无法支持；因此，对太赫兹频段的超大规模天线和超大带宽的信道特性 研究是其在未来B5G系统中具体采用何种编码、调制等一系列技术的重要基础。（2）深度学习智能信号处理技术。B5G 移动通信是多用户、多小区、多天线、多频段的复杂传输系统，信号接收与 检测是高维优化问题。最优的最大似然（ML ）或最大后验检测（MAP ）是指数复 杂度算法，性能优越但难以普遍应用。深度学习理论另辟

15、蹊径，通过大量离线训练， 获得高性能的深度神经网络模型，从而逼近ML/MAP检测。深度学习为最优信号 检测理论提供了新的研究思路。首先，深入分析多用户 MIMO 的波束赋形信号优 化问题28，以卷积神经网络（CNN ）构建优化模型，研究具有普适性与通用性 的波束赋形算法，并建立算法的收敛性分析和理论。其次，分析大规模MIMO信 号特征，设计深度信号检测算法网络，分析算法收敛性，构建高性能、低复杂度的 检测算法体系。进一步分析MIMO-OFDM信道模型特征，以循环神经网络（RNN）模型为指导，设计高性能的信道估计算法，适应B5G移动信道的动态时 变特征。最后，利用CNN与RNN组合模型，对多小区

16、、复杂干扰场景的信号样 本进行训练，获取信号的高维度特征，设计通用普适的干扰协调深度学习模型。3.2 传输层关键技术（1）非平衡极化传输。极化码是信道容量可达的新型编码，已经被接纳为5G标准。极化设计思想就是利 用编码与信号传输的联合优化，充分放大链路传输中的可靠性差异，最终达到通信 系统的非平衡态优化。这种思想是方法论的革新，可以应用于 B5G 移动通信的各 种场景：多址接入、广播、中继、MIMO等。在各种场景下，极化传输都可严格 证明达到相应的容量极限。（2 ）基于极化码的多址、MIMO及中继（Relay ）技术。目前，非正交多址接入（NOMA ）已成为5G通信系统的代表性技术。NOMA充 分利用多用户自由度，有效提升多址接入系统的容量，可以预见它也将成为 B5G 移动通信的核心技术。将极化编码引入非正交多址系统，