未来无线通信系统必须提高容量，具备多功能和可扩展性，并在能耗、成本和频谱使用方面提高效率。华为METIS项目将为迎接上述挑战研究一个全新的5G系统概念，为未来无线通信系统奠定基础。
2020年后的挑战
近年来，无线通信发展迅猛，其应用领域一直在不断扩展，并早已超出了传统的话音、消息和数据的服务范畴。尤其是在智能手机成功占领市场之后，越来越多的新服务不断涌现，包括电子银行、网络化学习、电子医疗以及娱乐点播服务。此外，最新的“物联网”发展趋势显示，除了以人为中心的通信以外，以机器为中心的通信也将成为未来无线通信的一个重要部分，从而大大改善我们的生活质量、办事效率和安全保障。
无线通信的快速演进，使得未来无线通信系统面临若干重大的挑战。首先，无线数据流量将会爆炸式增长。据预测，到2020年，无线数据流量将超过现在的1000倍；海量机器通信（Massive Machine Communication，MMC）将导致联网设备的总数达到500亿之多；最后，由于以人为中心的通信与以机器为中心的通信的共存，服务特征多元化将成为未来无线通信系统的重大挑战之一。这种多元化使得未来无线通信系统必须满足许多新的多样化要求，包括在吞吐量、时延和链路密度方面的要求，以及在成本、复杂度、能量损耗和服务质量等方面的要求。
为此，华为与爱立信等28个欧洲合作伙伴一起成立了METIS（Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society）项目联盟。该项目于2012年11月启动，计划用3年左右的时间致力于研究一个新的5G系统概念并开发各种关键技术，以很高的效率，包括能耗效率、频谱使用效率和成本效率，满足无线数据流量的急速增长。华为作为METIS项目核心管理团队的成员，负责最重要的无线链路工作组，领导无线空口的研究和设计。无线空口是METIS的核心技术组件，是决定能否产生5G跨代技术的关键领域。
METIS的愿景
METIS设想这样一个未来——所有人都可以随时随地获得信息、共享数据、连接到任何物体。这样“信息无界限”的“全联接世界”将会大大推动社会经济的发展和增长。对比今天的无线通信系统，5G系统应在能耗、成本以及资源使用效率上有显着改善，只有这样，才能在总体成本和能量消耗保持在可接受范围内的同时，让系统容量得到稳步提升。另外，5G系统还需要具备很好的多功能性，以支持大量各种各样的性能需求（例如可用性、移动性、服务质量等）和应用场景——尤其是那些和海量机器通信有关的应用场景。最后，5G系统需要提供很好的可扩展性，使得系统能够满足各种广泛的需求，同时保持在成本、能耗和资源使用上的高效率。
METIS构建的5G系统概念将支持:1000倍的区域无线数据流量；10倍到100倍的联网设备；10倍到100倍的用户数据速率；为低功耗海量机器间通信提供10倍的电池使用时间；五分之一的点对点时延（相对LTE release 8）。
METIS关键技术
为了构建5G系统概念，METIS将对下述4大关键技术进行研究：无线链路概念、多节点和多天线传输技术、多接入技术和多层网络、频谱使用技术。
无线链路概念
为了满足未来无线应用的各种新要求，METIS将设计出一个新的无线空口，其中最具挑战性的是对范围很广的各种应用场景的支持——从非常低数据率、低功耗的传感器到超高速的多媒体服务。因此，在新空口设计的同时，必须开发传输波形、编码、调制以及收发机结构方面的新技术，以提高无线链路物理层的频谱效率、能耗效率、抗干扰共存能力，以及鲁棒性。此外，多址接入、媒介控制和无线资源管理等方面也将被重新设计，以大大提升系统效率。
华为欧洲研究中心（ERC）正在积极开展新空口的研究，并把重点放在宽带应用（例如多媒体应用）和窄带应用（例如传感器应用）的抗干扰共存上。为了让频谱在多应用共存的场景下得到最高效率的使用，新空口的波形将会根据实际传输的环境和条件进行自适应调整。此外，新空口的一个重要特征是使用了超低带外泄露的传输波形。利用这种波形，可以设计灵活的频谱使用方法，让无线运营商既能跟其它通信或非通信系统共享频谱，也能在相互之间共享频谱，从而大大提高可用频谱量和频谱使用的整体效率。
多节点和多天线传输技术
多节点和多天线传输技术的设计将有助于未来无线通信系统达到预期的性能和容量。这方面的研究包括性能极限、架构影响、算法和关键技术的开发，以及超高密集网络（Ultra Dense Network，UDN）和海量机器通信等新的应用场景。
METIS首先研究的是基于波束赋形、空分复用、空间多工等技术的大规模多天线应用。其目标是提供很高的数据速率和频谱效率，或提高链路可靠性、覆盖率和能耗效率。其次是开发先进的多节点协调技术，用以显着提升频谱效率和用户吞吐量，并改善在恶劣无线环境里的用户链路质量。这些技术将应用新的空口、新的协调方式，并把先进的多节点协调方式整合到实际系统里。最后是对多跳通信和无线网络编码的研究。这两种技术用到信息源和信息接收端之间的一个或多个中继节点。其目的在于提供高效率回传，以提高覆盖率和可靠性，或者把信息处理和能量消耗从海量机器设备转移到网络里。
多接入技术和多层网络
对多接入技术和多层网络的研究包括网络的多个方面，关系到未来无线通信的高效布网、运营和优化，特别是异构多层和多接入技术的布网。研究的第一个方面是共存、合作和干扰管理。为超高密集网络提供这些方面的解决方案具有特别的挑战性，因为在这种小区里不同实体之间的干扰非常复杂。此外，终端直接通信（D2D）和海量机器通信大大增加了干扰管理的自由度，从而也加大了研究的挑战性。
研究的第二个方面是对需求、流量和移动性的管理。在这方面，预测并利用用户和设备的信息非常重要，包括利用用户的位置信息和环境信息。有效地利用这些信息将大大优化对无线接入技术和网络层的选择。此外，为了将信令的开销降至最低，METIS将提出移动性管理，特别是超高密集网络中移动性管理的全新概念。
研究的第三个方面是网络功能性的实现方法。这些方法包括定义新型的管理接口，提供多类型网络节点的自动整合和自动管理能力，以及可移动蜂窝小区在异构网络里的高效整合。
频谱使用技术
METIS将构建新的频谱共享概念，以确保2020年后的无线通信系统有足够的频谱可以使用。这些概念将会大大增加可用频谱量，并显着提高频谱使用效率。首先，METIS会对300MHz到275GHz的频谱进行分析，以识别新的频谱资源并了解它们的特性。同时，METIS将通过对未来无线通信的场景分析，来了解2020年后的频谱需求。此外，METIS会开发新的灵活的频谱共享和频谱管理技术，实现超高密集小区网络在高频段的运行，同时实现终端直接通信在网络里的自动操作，并支持高移动性。
METIS的6大横向课题
METIS项目提出了多个“横向课题”，从而构建5G总体系统概念。每个横向课题将整合一系列与技术相关的新成果，并为一个或多个应用场景提供有效的解决方案。到目前为止，METIS项目定义了以下6大关键横向课题。
终端直接通信
终端直接通信是指两个或多个无线终端直接通信，即用户面数据无须经过网络基础设施.d2D区别于一般点对点传输（如蓝牙）的一个显着特征是设备间的链路仍然受到网络的管理，包括无线资源管理和干扰管理等。因此，D2D能增加网络覆盖，提高网络可用性和可靠性，同时能分流回传，降低成本效率。此外，D2D能提升频谱使用效率，乃至提升平均网络容量。
实现了D2D之后，网络可以随时根据实际情况减少不必要的无线链路并优化网络资源分配。其次，由于缩短了发送和接收方的距离，D2D可以提升密集区域里的用户服务质量。此外，通过开发新的资源分配和干扰管理技术，D2D将可以整合到多维网络里，包括多接入技术网络和多层网络，从而能整合到整个无线通信系统中。
