未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統必須提高容量，具備多功能和可擴展性，并在能耗、成本和頻譜使用方面提高效率。華為METIS項目將為迎接上述挑戰研究一個(gè)全新的5G系統概念，為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統奠定基礎。
2020年后的挑戰
近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展迅猛，其應用領(lǐng)域一直在不斷擴展，并早已超出了傳統的話(huà)音、消息和數據的服務(wù)范疇。尤其是在智能手機成功占領(lǐng)市場(chǎng)之后，越來(lái)越多的新服務(wù)不斷涌現，包括電子銀行、網(wǎng)絡(luò )化學(xué)習、電子醫療以及娛樂(lè )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，以機器為中心的通信也將成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信的快速演進(jìn)，使得未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統面臨若干重大的挑戰。首先，無(wú)線(xiàn)數據流量將會(huì )爆炸式增長(cháng)。據預測，到2020年，無(wú)線(xiàn)數據流量將超過(guò)現在的1000倍；海量機器通信（Massive Machine Communication，MMC）將導致聯(lián)網(wǎng)設備的總數達到500億之多；最后，由于以人為中心的通信與以機器為中心的通信的共存，服務(wù)特征多元化將成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統的重大挑戰之一。這種多元化使得未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統必須滿(mǎn)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(ài)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）項目聯(lián)盟。該項目于2012年11月啟動(dòng)，計劃用3年左右的時(shí)間致力于研究一個(gè)新的5G系統概念并開(kāi)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(mǎn)足無(wú)線(xiàn)數據流量的急速增長(cháng)。華為作為METIS項目核心管理團隊的成員，負責最重要的無(wú)線(xiàn)鏈路工作組，領(lǐng)導無(wú)線(xiàn)空口的研究和設計。無(wú)線(xiàn)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設想這樣一個(gè)未來(lái)——所有人都可以隨時(shí)隨地獲得信息、共享數據、連接到任何物體。這樣“信息無(wú)界限”的“全聯(lián)接世界”將會(huì )大大推動(dòng)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展和增長(cháng)。對比今天的無(wú)線(xiàn)通信系統，5G系統應在能耗、成本以及資源使用效率上有顯著(zhù)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的同時(shí)，讓系統容量得到穩步提升。另外，5G系統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）和應用場(chǎng)景——尤其是那些和海量機器通信有關(guān)的應用場(chǎng)景。最后，5G系統需要提供很好的可擴展性，使得系統能夠滿(mǎn)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構建的5G系統概念將支持:1000倍的區域無(wú)線(xiàn)數據流量；10倍到100倍的聯(lián)網(wǎng)設備；10倍到100倍的用戶(hù)數據速率；為低功耗海量機器間通信提供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)
為了構建5G系統概念，METIS將對下述4大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究：無(wú)線(xiàn)鏈路概念、多節點(diǎn)和多天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)鏈路概念
為了滿(mǎn)足未來(lái)無(wú)線(xiàn)應用的各種新要求，METIS將設計出一個(gè)新的無(wú)線(xiàn)空口，其中最具挑戰性的是對范圍很廣的各種應用場(chǎng)景的支持——從非常低數據率、低功耗的傳感器到超高速的多媒體服務(wù)。因此，在新空口設計的同時(shí)，必須開(kāi)發(fā)傳輸波形、編碼、調制以及收發(fā)機結構方面的新技術(shù)，以提高無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)資源管理等方面也將被重新設計，以大大提升系統效率。
華為歐洲研究中心（ERC）正在積極開(kāi)展新空口的研究，并把重點(diǎn)放在寬帶應用（例如多媒體應用）和窄帶應用（例如傳感器應用）的抗干擾共存上。為了讓頻譜在多應用共存的場(chǎng)景下得到最高效率的使用，新空口的波形將會(huì )根據實(shí)際傳輸的環(huán)境和條件進(jìn)行自適應調整。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，可以設計靈活的頻譜使用方法，讓無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商既能跟其它通信或非通信系統共享頻譜，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。
多節點(diǎn)和多天線(xiàn)傳輸技術(shù)
多節點(diǎn)和多天線(xiàn)傳輸技術(shù)的設計將有助于未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統達到預期的性能和容量。這方面的研究包括性能極限、架構影響、算法和關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)，以及超高密集網(wǎng)絡(luò )（Ultra Dense Network，UDN）和海量機器通信等新的應用場(chǎng)景。
METIS首先研究的是基于波束賦形、空分復用、空間多工等技術(shù)的大規模多天線(xiàn)應用。其目標是提供很高的數據速率和頻譜效率，或提高鏈路可靠性、覆蓋率和能耗效率。其次是開(kāi)發(fā)先進(jìn)的多節點(diǎn)協(xié)調技術(shù)，用以顯著(zhù)提升頻譜效率和用戶(hù)吞吐量，并改善在惡劣無(wú)線(xiàn)環(huán)境里的用戶(hù)鏈路質(zhì)量。這些技術(shù)將應用新的空口、新的協(xié)調方式，并把先進(jìn)的多節點(diǎn)協(xié)調方式整合到實(shí)際系統里。最后是對多跳通信和無(wú)線(xiàn)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器設備轉移到網(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(lái)無(wú)線(xiàn)通信的高效布網(wǎng)、運營(yíng)和優(yōu)化，特別是異構多層和多接入技術(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性，因為在這種小區里不同實(shí)體之間的干擾非常復雜。此外，終端直接通信（D2D）和海量機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，預測并利用用戶(hù)和設備的信息非常重要，包括利用用戶(hù)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(wú)線(xiàn)接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )層的選擇。此外，為了將信令的開(kāi)銷(xiāo)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)現方法。這些方法包括定義新型的管理接口，提供多類(lèi)型網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的自動(dòng)整合和自動(dòng)管理能力，以及可移動(dòng)蜂窩小區在異構網(wǎng)絡(luò )里的高效整合。
頻譜使用技術(shù)
METIS將構建新的頻譜共享概念，以確保2020年后的無(wú)線(xiàn)通信系統有足夠的頻譜可以使用。這些概念將會(huì )大大增加可用頻譜量，并顯著(zhù)提高頻譜使用效率。首先，METIS會(huì )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(guò)對未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信的場(chǎng)景分析，來(lái)了解2020年后的頻譜需求。此外，METIS會(huì )開(kāi)發(fā)新的靈活的頻譜共享和頻譜管理技術(shù)，實(shí)現超高密集小區網(wǎng)絡(luò )在高頻段的運行，同時(shí)實(shí)現終端直接通信在網(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項目提出了多個(gè)“橫向課題”，從而構建5G總體系統概念。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)應用場(chǎng)景提供有效的解決方案。到目前為止，METIS項目定義了以下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(wú)線(xiàn)終端直接通信，即用戶(hù)面數據無(wú)須經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )基礎設施.d2D區別于一般點(diǎn)對點(diǎn)傳輸（如藍牙）的一個(gè)顯著(zhù)特征是設備間的鏈路仍然受到網(wǎng)絡(luò )的管理，包括無(wú)線(xiàn)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)現了D2D之后，網(wǎng)絡(luò )可以隨時(shí)根據實(shí)際情況減少不必要的無(wú)線(xiàn)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可以提升密集區域里的用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量。此外，通過(guò)開(kāi)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(wú)線(xiàn)通信系統中。
