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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，数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。
关键词：泛在融合信息网络;B5G;THz;AI
Abstract： Following the “line-plane-cube” evolution trend， Beyond Fifth Generation （B5G） in mobile communication system aims at improving communication data rate， extending communication dimensions， implementing communication intelligence and is on the way to evolve into ubiquitous fusion information networks. Higher spectrum bands are used in B5G and the peak data rate could be T bits per second. With the enhancement of network ability， the support scenarios of B5G includes the land， the sea， the sky and the aerospace. Different with the existing generations， artificial intelligence （AI） becomes a powerful engine for B5G. The key technologies in the physical layer include the AI-based interference management， deep learning intelligent signal processing and THz technology. The transport layer uses the polar code-based relay， multiple input multiple output （MIMO） and multiple access technologies. The AI-based mobile network framework， the ubiquitous fusion fully-analyzed network framework for human-machine-things and the intelligent definition network framework for cognitive enhancement and decision deduction are used in the network layer.
Key words： ubiquitous fusion information networks;B5G;THz;AI
1 信息通信网络发展历程
及5G面臨的挑战
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/（s·m2）提升至10 Mbit/（s·m2）。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。