未來無線通信系統(tǒng)必須提高容量，具備多功能和可擴(kuò)展性，并在能耗、成本和頻譜使用方面提高效率。華為METIS項(xiàng)目將為迎接上述挑戰(zhàn)研究一個(gè)全新的5G系統(tǒng)概念，為未來無線通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

　　2020年后的挑戰(zhàn)

　　近年來，無線通信發(fā)展迅猛，其應(yīng)用領(lǐng)域一直在不斷擴(kuò)展，并早已超出了傳統(tǒng)的話音、消息和數(shù)據(jù)的服務(wù)范疇。尤其是在智能手機(jī)成功占領(lǐng)市場之后，越來越多的新服務(wù)不斷涌現(xiàn)，包括電子銀行、網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)、電子醫(yī)療以及娛樂點(diǎn)播服務(wù)。此外，最新的“物聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展趨勢顯示，除了以人為中心的通信以外，以機(jī)器為中心的通信也將成為未來無線通信的一個(gè)重要部分，從而大大改善我們的生活質(zhì)量、辦事效率和安全保障。

　　無線通信的快速演進(jìn)，使得未來無線通信系統(tǒng)面臨若干重大的挑戰(zhàn)。首先，無線數(shù)據(jù)流量將會爆炸式增長。據(jù)預(yù)測，到2020年，無線數(shù)據(jù)流量將超過現(xiàn)在的1000倍；海量機(jī)器通信（Massive Machine Communication，MMC）將導(dǎo)致聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總數(shù)達(dá)到500億之多；最后，由于以人為中心的通信與以機(jī)器為中心的通信的共存，服務(wù)特征多元化將成為未來無線通信系統(tǒng)的重大挑戰(zhàn)之一。這種多元化使得未來無線通信系統(tǒng)必須滿足許多新的多樣化要求，包括在吞吐量、時(shí)延和鏈路密度方面的要求，以及在成本、復(fù)雜度、能量損耗和服務(wù)質(zhì)量等方面的要求。

　　為此，華為與愛立信等28個(gè)歐洲合作伙伴一起成立了METIS（Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society）項(xiàng)目聯(lián)盟。該項(xiàng)目于2012年11月啟動(dòng)，計(jì)劃用3年左右的時(shí)間致力于研究一個(gè)新的5G系統(tǒng)概念并開發(fā)各種關(guān)鍵技術(shù)，以很高的效率，包括能耗效率、頻譜使用效率和成本效率，滿足無線數(shù)據(jù)流量的急速增長。華為作為METIS項(xiàng)目核心管理團(tuán)隊(duì)的成員，負(fù)責(zé)最重要的無線鏈路工作組，領(lǐng)導(dǎo)無線空口的研究和設(shè)計(jì)。無線空口是METIS的核心技術(shù)組件，是決定能否產(chǎn)生5G跨代技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域。

　　METIS的愿景

　　METIS設(shè)想這樣一個(gè)未來——所有人都可以隨時(shí)隨地獲得信息、共享數(shù)據(jù)、連接到任何物體。這樣“信息無界限”的“全聯(lián)接世界”將會大大推動(dòng)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和增長。對比今天的無線通信系統(tǒng)，5G系統(tǒng)應(yīng)在能耗、成本以及資源使用效率上有顯著改善，只有這樣，才能在總體成本和能量消耗保持在可接受范圍內(nèi)的同時(shí)，讓系統(tǒng)容量得到穩(wěn)步提升。另外，5G系統(tǒng)還需要具備很好的多功能性，以支持大量各種各樣的性能需求（例如可用性、移動(dòng)性、服務(wù)質(zhì)量等）和應(yīng)用場景——尤其是那些和海量機(jī)器通信有關(guān)的應(yīng)用場景。最后，5G系統(tǒng)需要提供很好的可擴(kuò)展性，使得系統(tǒng)能夠滿足各種廣泛的需求，同時(shí)保持在成本、能耗和資源使用上的高效率。

　　METIS構(gòu)建的5G系統(tǒng)概念將支持:1000倍的區(qū)域無線數(shù)據(jù)流量；10倍到100倍的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；10倍到100倍的用戶數(shù)據(jù)速率；為低功耗海量機(jī)器間通信提供10倍的電池使用時(shí)間；五分之一的點(diǎn)對點(diǎn)時(shí)延（相對LTE release 8）。

　　METIS關(guān)鍵技術(shù)

　　為了構(gòu)建5G系統(tǒng)概念，METIS將對下述4大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究：無線鏈路概念、多節(jié)點(diǎn)和多天線傳輸技術(shù)、多接入技術(shù)和多層網(wǎng)絡(luò)、頻譜使用技術(shù)。

　　無線鏈路概念

　　為了滿足未來無線應(yīng)用的各種新要求，METIS將設(shè)計(jì)出一個(gè)新的無線空口，其中最具挑戰(zhàn)性的是對范圍很廣的各種應(yīng)用場景的支持——從非常低數(shù)據(jù)率、低功耗的傳感器到超高速的多媒體服務(wù)。因此，在新空口設(shè)計(jì)的同時(shí)，必須開發(fā)傳輸波形、編碼、調(diào)制以及收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)方面的新技術(shù)，以提高無線鏈路物理層的頻譜效率、能耗效率、抗干擾共存能力，以及魯棒性。此外，多址接入、媒介控制和無線資源管理等方面也將被重新設(shè)計(jì)，以大大提升系統(tǒng)效率。

　　華為歐洲研究中心（ERC）正在積極開展新空口的研究，并把重點(diǎn)放在寬帶應(yīng)用（例如多媒體應(yīng)用）和窄帶應(yīng)用（例如傳感器應(yīng)用）的抗干擾共存上。為了讓頻譜在多應(yīng)用共存的場景下得到最高效率的使用，新空口的波形將會根據(jù)實(shí)際傳輸?shù)沫h(huán)境和條件進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。此外，新空口的一個(gè)重要特征是使用了超低帶外泄露的傳輸波形。利用這種波形，可以設(shè)計(jì)靈活的頻譜使用方法，讓無線運(yùn)營商既能跟其它通信或非通信系統(tǒng)共享頻譜，也能在相互之間共享頻譜，從而大大提高可用頻譜量和頻譜使用的整體效率。

　　多節(jié)點(diǎn)和多天線傳輸技術(shù)

　　多節(jié)點(diǎn)和多天線傳輸技術(shù)的設(shè)計(jì)將有助于未來無線通信系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的性能和容量。這方面的研究包括性能極限、架構(gòu)影響、算法和關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)，以及超高密集網(wǎng)絡(luò)（Ultra Dense Network，UDN）和海量機(jī)器通信等新的應(yīng)用場景。

　　METIS首先研究的是基于波束賦形、空分復(fù)用、空間多工等技術(shù)的大規(guī)模多天線應(yīng)用。其目標(biāo)是提供很高的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率，或提高鏈路可靠性、覆蓋率和能耗效率。其次是開發(fā)先進(jìn)的多節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)技術(shù)，用以顯著提升頻譜效率和用戶吞吐量，并改善在惡劣無線環(huán)境里的用戶鏈路質(zhì)量。這些技術(shù)將應(yīng)用新的空口、新的協(xié)調(diào)方式，并把先進(jìn)的多節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)方式整合到實(shí)際系統(tǒng)里。最后是對多跳通信和無線網(wǎng)絡(luò)編碼的研究。這兩種技術(shù)用到信息源和信息接收端之間的一個(gè)或多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。其目的在于提供高效率回傳，以提高覆蓋率和可靠性，或者把信息處理和能量消耗從海量機(jī)器設(shè)備轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)里。

　　多接入技術(shù)和多層網(wǎng)絡(luò)

　　對多接入技術(shù)和多層網(wǎng)絡(luò)的研究包括網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)方面，關(guān)系到未來無線通信的高效布網(wǎng)、運(yùn)營和優(yōu)化，特別是異構(gòu)多層和多接入技術(shù)的布網(wǎng)。研究的第一個(gè)方面是共存、合作和干擾管理。為超高密集網(wǎng)絡(luò)提供這些方面的解決方案具有特別的挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵谶@種小區(qū)里不同實(shí)體之間的干擾非常復(fù)雜。此外，終端直接通信（D2D）和海量機(jī)器通信大大增加了干擾管理的自由度，從而也加大了研究的挑戰(zhàn)性。

　　研究的第二個(gè)方面是對需求、流量和移動(dòng)性的管理。在這方面，預(yù)測并利用用戶和設(shè)備的信息非常重要，包括利用用戶的位置信息和環(huán)境信息。有效地利用這些信息將大大優(yōu)化對無線接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層的選擇。此外，為了將信令的開銷降至最低，METIS將提出移動(dòng)性管理，特別是超高密集網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)性管理的全新概念。

　　研究的第三個(gè)方面是網(wǎng)絡(luò)功能性的實(shí)現(xiàn)方法。這些方法包括定義新型的管理接口，提供多類型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)整合和自動(dòng)管理能力，以及可移動(dòng)蜂窩小區(qū)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)里的高效整合。

　　頻譜使用技術(shù)

　　METIS將構(gòu)建新的頻譜共享概念，以確保2020年后的無線通信系統(tǒng)有足夠的頻譜可以使用。這些概念將會大大增加可用頻譜量，并顯著提高頻譜使用效率。首先，METIS會對300MHz到275GHz的頻譜進(jìn)行分析，以識別新的頻譜資源并了解它們的特性。同時(shí)，METIS將通過對未來無線通信的場景分析，來了解2020年后的頻譜需求。此外，METIS會開發(fā)新的靈活的頻譜共享和頻譜管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超高密集小區(qū)網(wǎng)絡(luò)在高頻段的運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)終端直接通信在網(wǎng)絡(luò)里的自動(dòng)操作，并支持高移動(dòng)性。

　　METIS的6大橫向課題

　　METIS項(xiàng)目提出了多個(gè)“橫向課題”，從而構(gòu)建5G總體系統(tǒng)概念。每個(gè)橫向課題將整合一系列與技術(shù)相關(guān)的新成果，并為一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用場景提供有效的解決方案。到目前為止，METIS項(xiàng)目定義了以下6大關(guān)鍵橫向課題。

　　終端直接通信

　　終端直接通信是指兩個(gè)或多個(gè)無線終端直接通信，即用戶面數(shù)據(jù)無須經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施.d2D區(qū)別于一般點(diǎn)對點(diǎn)傳輸（如藍(lán)牙）的一個(gè)顯著特征是設(shè)備間的鏈路仍然受到網(wǎng)絡(luò)的管理，包括無線資源管理和干擾管理等。因此，D2D能增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提高網(wǎng)絡(luò)可用性和可靠性，同時(shí)能分流回傳，降低成本效率。此外，D2D能提升頻譜使用效率，乃至提升平均網(wǎng)絡(luò)容量。

　　實(shí)現(xiàn)了D2D之后，網(wǎng)絡(luò)可以隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況減少不必要的無線鏈路并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配。其次，由于縮短了發(fā)送和接收方的距離，D2D可以提升密集區(qū)域里的用戶服務(wù)質(zhì)量。此外，通過開發(fā)新的資源分配和干擾管理技術(shù)，D2D將可以整合到多維網(wǎng)絡(luò)里，包括多接入技術(shù)網(wǎng)絡(luò)和多層網(wǎng)絡(luò)，從而能整合到整個(gè)無線通信系統(tǒng)中。