對無線新技術(shù)演進(jìn)的思考

向際鷹

摘要：介紹了中興通訊對未來無線新技術(shù)走向的整體看法。認(rèn)為現(xiàn)有的5G侯選技術(shù)仍然是在傳統(tǒng)空間、時間、頻率3種自由度的基礎(chǔ)上做增強(qiáng)。而在這些增強(qiáng)中，需要尤其關(guān)注一些無須改變4G空口就可以直接使用的5G技術(shù)，例如大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）、超密網(wǎng)（UDN）等。還認(rèn)為所有無線新技術(shù)都將持續(xù)演進(jìn)。隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的制訂，用戶體驗將得到本質(zhì)的提升。

關(guān)鍵詞： 多用戶共享接入；超密網(wǎng)；大規(guī)模MIMO

1 5G的使用場景

隨著移動寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們對任何場景下的全連接、擴(kuò)展場景下的連接、擴(kuò)展載體的連接需求越來越強(qiáng)烈。第4代通信技術(shù)（4G）作為針對移動手持終端和高速數(shù)據(jù)上網(wǎng)而優(yōu)化的制式，在滿足全場景應(yīng)用時存在一些天然的缺陷，例如：海量、低耗電量的物聯(lián)網(wǎng)連接，超低時延的連接（支持實時游戲、車聯(lián)網(wǎng)）等。而超密集用戶群，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)連接，新數(shù)據(jù)載體例如虛擬現(xiàn)實終端的需求，以及移動家庭辦公所需的快速數(shù)據(jù)容量提升，這些都是目前的4G所無法滿足的。因此，人們對第5代移動通信技術(shù)（5G）充滿了期待。5G新場景的愿景如圖1所示。

2 5G技術(shù)及Pre5G概念

我們一般認(rèn)為，5G的商用將在2020年以后，目前業(yè)界對于5G尚缺乏統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的定義，但一般都認(rèn)為5G將不再基于單一的關(guān)鍵技術(shù)（如3G的碼分多址（CDMA）、4G的正交頻分復(fù)用（OFDM）/多輸入多輸出（MIMO））等，而將基于一系列技術(shù)（又稱為技術(shù)簇），如圖2所示。這樣的技術(shù)簇，目前至少包括大規(guī)模MIMO、超密網(wǎng)（UDN）、高頻技術(shù)，多用戶共享接入（MUSA）以及協(xié)同組網(wǎng)技術(shù)。同時，5G還可能包括一些當(dāng)前有爭議的技術(shù)，例如超Nyquist采樣（FTN）、濾波器組多載波技術(shù)（FBMC）以及多元域編碼等。同時，5G將是一個融合多種無線接入技術(shù)（包括現(xiàn)有技術(shù)研究和革命性的新技術(shù)），并包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）核心網(wǎng)的智能化網(wǎng)絡(luò)[1]。

我們把無線新技術(shù)大致分為3類：原理性革命技術(shù)、革命型技術(shù)、演進(jìn)型技術(shù)。其中原理性革命技術(shù)在5G的早期階段研究得比較多，有很多相關(guān)技術(shù)被提出，這些技術(shù)多數(shù)宣稱可以在傳統(tǒng)的自由度（DoF），即時間、空間、頻率之外發(fā)現(xiàn)新自由度類型，從而從根本上成倍提升通信性能。然而經(jīng)過進(jìn)一步理論研究后發(fā)現(xiàn)，上述技術(shù)本質(zhì)上并沒有創(chuàng)造新的自由度，而是原有的傳統(tǒng)自由度的數(shù)學(xué)變型，因此在本質(zhì)上不可能帶來容量的提升。

一些技術(shù)理論宣稱可以大幅度超越香農(nóng)極限，經(jīng)過研究我們一致認(rèn)為：香農(nóng)極限是超越具體技術(shù)的一個普適公式，類似于通信界的能量守恒定律，所有的技術(shù)都不可能超越香農(nóng)極限[2]。

另外我們應(yīng)當(dāng)看到，所有5G侯選技術(shù)都是經(jīng)典電磁學(xué)理論范圍內(nèi)的技術(shù)。非經(jīng)典電磁理論范圍的技術(shù)并不在5G時間窗內(nèi)。

經(jīng)過空間多信道擴(kuò)展之后的香農(nóng)公式如圖3中所示。根據(jù)上述公式，理論容量極限主要取決于以下6個因素：

·更寬的帶寬（W）。在5G中，帶寬將向高頻毫米波擴(kuò)展。

·空間信道數(shù)（m）?？赏ㄟ^更多物理小區(qū)（物理空分，如5G超密網(wǎng)即超空集網(wǎng)絡(luò)）?；蚋嗵炀€（邏輯空分，如5G 大規(guī)模MIMO）來提升空間信道數(shù)。

·空間平衡度?？赏ㄟ^更好的空分算法保證空間平衡度，并確保各個空間信道盡可能正交，從而最大程度地提升通信容量。

·功率（P）?？蛇m當(dāng)提升功率，但功率的提升是有限的，因其有成本、體積、電池壽命等因素約束。

·噪聲（N）。主要是熱噪，由于熱噪聲只與環(huán)境溫度有關(guān)，因此無法減少其對通信性能的影響。

·干擾（I）。與噪聲不同，干擾是人為產(chǎn)生的，例如不同用戶間的干擾，不同小區(qū)之間的干擾等。干擾具有有色性、方向性、空間選擇性，這些都是我們加以利用的已知信息，通過這些已知信息，我們可以有效地降低干擾，甚至把干擾的能量利用起來為我們服務(wù)。

由此可見，在未來5G新技術(shù)中，更好的空分（包括物理空分和邏輯空分）和干擾抑制技術(shù)是關(guān)鍵。幾乎所有的5G關(guān)鍵技術(shù)都是圍繞這兩點(diǎn)開展研究的。

無線新技術(shù)中的革命性技術(shù)，是指相對來說對空口改動較為巨大，但仍然基于傳統(tǒng)自由度（空、時、頻）的技術(shù)；而演進(jìn)型技術(shù)是指基于目前的通信手段，做一些局部增強(qiáng)之后形成的技術(shù)。

對于某項技術(shù)到底是演進(jìn)型還是革命型，業(yè)界有著不同的觀點(diǎn)。中興通訊則認(rèn)為這一現(xiàn)象是正常的，因為大多數(shù)5G核心技術(shù)都介于演進(jìn)與革命之間的邊緣地帶，而演進(jìn)與革命其實是個主觀判斷，因此會存在不同觀點(diǎn)。

為繞過“演進(jìn)、革命”之爭，我們從標(biāo)準(zhǔn)和實現(xiàn)角度，把落入5G時間窗內(nèi)的技術(shù)又分為3類：4G或4G+中已有的技術(shù)；介于4G和5G之間階段的技術(shù)，如中興通訊提出的Pre5G技術(shù)；5G技術(shù)，相對于4G標(biāo)準(zhǔn)來說改動比較大的技術(shù)。

Pre5G技術(shù)是由中興通訊提出的，它包含4個要素：它一定是采用5G的技術(shù)；能夠帶給用戶遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4G，接近于5G的用戶體驗，例如成倍的吞吐率提升，成倍的延遲降低等等；商用時間點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于2020年；可以基于現(xiàn)有空口，甚至直接采用4G終端。

根據(jù)Pre5G的上述特征，我們可以較為清楚地了解Pre5G和4G+、5G之間的區(qū)別。Pre5G的性能明顯超出4G+標(biāo)準(zhǔn)中的定義性能，并且不需要依賴5G的標(biāo)準(zhǔn)中定義的性能。因此，即使標(biāo)準(zhǔn)中不出現(xiàn)Pre5G的階段，也會在實現(xiàn)層面上出現(xiàn)一個介于4G+和5G之間的Pre5G階段。屬于Pre5G階段的技術(shù)有非反饋模式的大規(guī)模MIMO、MUSA以及UDN的一部分技術(shù)。

大規(guī)模MIMO是5G中最重要的核心技術(shù)之一，甚至可以說是唯一成倍提升頻譜效率的技術(shù)（其他多數(shù)技術(shù)只提升空間利用效率，例如更密集地建站，使用更多的頻譜資源等）。大規(guī)模MIMO的天線數(shù)量大幅高于4G，有上百根之多，通過更多的天線之間的聯(lián)合發(fā)送接收可以提升系統(tǒng)的容量和覆蓋[3]。

原理上，大規(guī)模MIMO主要有兩個方面的作用：對廣播信道可以形成半動態(tài)的針對性覆蓋，而傳統(tǒng)天線只能形成靜態(tài)的覆蓋，因此大規(guī)模MIMO的覆蓋更好，更有針對性；對業(yè)務(wù)信道（PDSCH），可以形成完全動態(tài)的數(shù)字波形，從而可以大幅度提升小區(qū)容量。

仿真表明，相比于8天線，容量提升達(dá)到4～6倍之多，這是以往任何技術(shù)不能達(dá)到的。一般認(rèn)為，有100倍左右的容量提升來自于更多小區(qū)和更多的頻譜，只有8～10倍來自于頻譜效率的提升。因此可以說大規(guī)模 MIMO的采用，使頻譜效率的體驗迅速達(dá)到接近5G的水平[4]。

大規(guī)模MIMO的采用使天線的端口數(shù)從傳統(tǒng)的8個，提升到接近甚至超過100個。當(dāng)天線數(shù)增加到上百個時，采用4G傳統(tǒng)的信道反饋機(jī)制必然產(chǎn)生大量的開銷，甚至僅僅參考信號（RS）就能占到整體資源的80%以上，為此，5G中針對信道反饋?zhàn)隽舜罅垦芯?，達(dá)成的一個共識是：必須大幅度修改4G的信道反饋機(jī)制。進(jìn)一步研究表明，在時分雙工（TDD）模式下，可利用上下行對稱性，通過上行的信道估計進(jìn)行下行信道預(yù)測，從而在不增加反饋通道的情況下，支持上百個通道的信道測量。相比于直接反饋模式，這種方式的性能更優(yōu)、更快。

2014年11月，中興通訊聯(lián)合中國移動完成了全球首個時分雙工長期演進(jìn)（TD-LTE 3D）/大規(guī)模MIMO基站的預(yù)商用測試。該測試由中國移動研究院發(fā)起和組織，采用中興通訊最新研制的64端口128天線3D/大規(guī)模MIMO的基帶射頻一體化室外型基站。本次測試重點(diǎn)驗證了3D/大規(guī)模MIMO對高層樓宇的全面深度覆蓋的能力。

在現(xiàn)網(wǎng)中，普通的8天線垂直方向波束固定且垂直覆蓋角度較小，使得高層深度覆蓋差、高層干擾大、終端接收信號與干擾加噪聲比（SINR）和吞吐率低，導(dǎo)致高層用戶體驗差，這已成為運(yùn)營商面臨的一大難題。3D/大規(guī)模MIMO天線則具有3D波束賦形能力，本次測試表明3D/大規(guī)模MIMO基站可全面深度覆蓋35層的高層辦公樓，且其數(shù)據(jù)吞吐率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于8天線基站，其中在35樓，其數(shù)據(jù)吞吐率是8天線基站的3.36倍。該測試證明3D/大規(guī)模MIMO是一種解決高層覆蓋的良好技術(shù)，僅用一個站即可解決傳統(tǒng)基站多個站才能解決的問題。

2015年1月，中興通訊又完成了首例外場多流、多用戶測試。實測表明，多流、多用戶可以在同一時間段、同樣的頻點(diǎn)同時傳輸數(shù)據(jù)，而幾乎互相不發(fā)生干擾。即使兩個用戶非常靠近，也不會互相干擾。無論在室外視距環(huán)境下，還是在室內(nèi)散射環(huán)境下，都可以觀察到這樣的空分效果。測試標(biāo)志著中興通訊Pre5G和大規(guī)模MIMO的理論正確，并已經(jīng)接近商用，向5G邁出堅實一步。

UDN也是5G另一項關(guān)鍵技術(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)研究組中，人們研究了6種典型的UDN應(yīng)用場景，例如體育館、車站、大型辦公樓等，都屬于超密場景。

在4G中，小基站的數(shù)量仍然比較少，因此4G中，涉及小基站的技術(shù)更多的是關(guān)注與宏網(wǎng)之間的干擾（Hetnet），而沒有太關(guān)注小基站間的干擾。5G UDN部署超密，因此小基站間的干擾成為主要矛盾。中興通訊通過研究發(fā)現(xiàn)：小基站間的干擾抑制，在原理上可以沿用中興通訊在4G宏網(wǎng)中的提出的Cloud Radio技術(shù)。我們從而可以認(rèn)為5G UDN技術(shù)是中興通訊4G Cloud Radio的一個自然演進(jìn)。

這是因為，本質(zhì)上Cloud Radio間的干擾與Macro-Macro干擾一樣，屬于同構(gòu)網(wǎng)組網(wǎng)問題。中興通訊將Cloud Radio向UDN演進(jìn)，提出了虛擬基站技術(shù)。傳統(tǒng)的小區(qū)是物理小區(qū)，基站ID用于標(biāo)識小區(qū)，UE的所有通信均基于基站ID。而在虛擬基站中，基站ID變得不重要甚至消失，由網(wǎng)絡(luò)動態(tài)生成針對特定用戶的“UE ID”，在用戶看來，感知上等同于有一個虛擬的邏輯站點(diǎn)一直跟隨自己的移動，因此業(yè)務(wù)的平滑性等都有大幅度提升。

MUSA是中興通訊提出的一項5G技術(shù)。傳統(tǒng)的通信技術(shù)（例如4G），都是采用“正交”的方法區(qū)分用戶，也就是說，不同的用戶分配不同的自由度（時間、子載波、或空間），兩個用戶不能共享同一自由度。而MUSA則為每個用戶分配一個碼序列，然后把這些用戶分配到同一個自由度上（時間、子載波、或空間）。與傳統(tǒng)的3G碼分多址不同，MUSA為用戶分配的碼可以是不能正交的，只能起到擴(kuò)頻的作用。那么在同一個自由度上，如何區(qū)分不同用戶的信號？就需要借助于連續(xù)干擾取消（SIC）接收技術(shù)，例如對于兩個用戶，一個遠(yuǎn)一個近。遠(yuǎn)的用戶需要被分配更多的功率，因此對近的用戶干擾非常大。常規(guī)的接收機(jī)不能很好地處理這種情況，非線性的SIC接收機(jī)可以先解出遠(yuǎn)端用戶的數(shù)據(jù)，進(jìn)行干擾消除，從而順利解出自己的數(shù)據(jù)。表面上看用戶獲得了額外的數(shù)據(jù)，但是并不違反通信規(guī)律，只是使數(shù)據(jù)的流量分配更為均衡。例如，傳統(tǒng)通信方法只能在完全犧牲遠(yuǎn)端用戶的情況下獲得最大系統(tǒng)容量，但MUSA則可以在一個相對較寬松的條件下，保證較大的系統(tǒng)容量，同時保證用戶之間的均衡性。

目前關(guān)于非正交通信的研究很多，中興通訊MUSA在復(fù)雜度可控的情況下，顯著提升性能。另外，由于如圖4所示的碼域方法，可支持大量用戶接入，而且由于非正交檢測原則上不需要同步，有利于提升電池壽命，因此MUSA的上行技術(shù)非常適合于移動測試中心（MTC）物聯(lián)網(wǎng)的一系列相關(guān)應(yīng)用。

此外，中興通訊幾年前投入巨資開發(fā)4G矢量處理器芯片，由于該芯片平臺具有靈活的可軟件擴(kuò)展架構(gòu)以及超強(qiáng)的處理能力，所以能夠在硬件不變的條件下，只簡單地調(diào)整指令集，就可以更好地滿足Pre5G甚至5G的要求。

3其他5G技術(shù)

大規(guī)模MIMO在Pre5G階段，主要基于TDD信道對稱性，采用非反饋模式；而到5G階段，它可以不依賴于信道對稱性，采用反饋模式。中興通訊在5G大規(guī)模MIMO技術(shù)中，主要研究反饋信息的壓縮感知，并取得了不少成果。簡單地說，壓縮感知就是利用信道在時域、頻域、空域上的稀疏性，對RS、PMI等信息進(jìn)行壓縮和還原。從而在可以接受的開銷下，傳送上百個天線的信道信息。

對于高頻通信，由于衰落特點(diǎn)、多徑特點(diǎn)不同，空口定義需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，例如為了適應(yīng)更大的多普勒頻移，我們需要采用更寬的子載波。相應(yīng)地，子載波數(shù)減小，符號減少，循環(huán)前綴（CP）也需要有所減少。中興通訊針對高頻空口作了深入的分析，已經(jīng)提出一些提案供業(yè)界討論。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，高頻雖然路損大，但天線尺寸小，因此可以補(bǔ)償路損。中興通訊則認(rèn)為，衰減因子n往往大于2，因此天線數(shù)量上的優(yōu)勢并不足以彌補(bǔ)路損。還要考慮到在相同面積下，天線數(shù)量需要按平方數(shù)增加，由此帶來平方倍的復(fù)雜度。所以在以覆蓋為目的的應(yīng)用場景下，仍然是盡可能低頻，即使是傳統(tǒng)的大于6G的高頻，也需要盡量地選擇靠近6G的一些頻譜。

面對5G的核心需求，傳統(tǒng)鏈路自適應(yīng)技術(shù)已經(jīng)無法滿足其發(fā)展，而新的編碼調(diào)制與鏈路自適應(yīng)技術(shù)可以顯著地提高系統(tǒng)容量，減少傳輸延遲，提高傳輸可靠性，并增加用戶的接入數(shù)目。中興通訊提出了軟鏈路自適應(yīng)（SLA）、物理層包編碼（PLPC）、吉比特超高速譯碼器技術(shù)（GHD）等。

SLA技術(shù)提高了信道預(yù)測和反饋方法的準(zhǔn)確性，解決了開環(huán)鏈路自適應(yīng)（OLLA）的周期較長、干擾突發(fā)對性能的影響，以及5G各種新場景對服務(wù)質(zhì)量（QoS）的差異化需求（低延遲或超可靠或高吞吐量或高速移動）等問題。

物理層包編碼技術(shù)可以有效地解決大數(shù)據(jù)包與小編碼塊之間的矛盾。GHD技術(shù)可以顯著地提高單用戶的速度，滿足5G需要支持超高速用戶數(shù)據(jù)速率的要求。

傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)專用設(shè)備較多，相比IT網(wǎng)絡(luò)則存在著更高昂的建設(shè)費(fèi)用，更龐雜的運(yùn)維開支和更封閉的業(yè)務(wù)形式，使運(yùn)營商在“收”、“支”兩端都面臨窘境。近幾年興起的NFV和SDN技術(shù)讓運(yùn)營商看到了曙光。

NFV的技術(shù)基礎(chǔ)是虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)提供了將一套服務(wù)器的相關(guān)資源（如計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)）虛擬化成多個不同虛擬機(jī)并為不同的用戶使用的手段。在電信網(wǎng)絡(luò)中引入虛擬化技術(shù)，可以實現(xiàn)電信網(wǎng)絡(luò)硬件資源的共享，提升硬件資源的利用率，也為快速引入第三方新業(yè)務(wù)開啟了一道方便之門。電信網(wǎng)絡(luò)功能本身支持虛擬化后，與專用硬件設(shè)備解除了耦合關(guān)系，使得電信網(wǎng)絡(luò)采用IT化、通用化硬件資源成為可能，有利于運(yùn)營商降低硬件采購成本。

SDN技術(shù)源于IP網(wǎng)絡(luò)的路由控制，它通過將路由設(shè)備的控制和轉(zhuǎn)發(fā)相分離，將網(wǎng)絡(luò)中大量路由器繁雜的路由配置工作轉(zhuǎn)化成通過控制器集中式配置并下發(fā)到轉(zhuǎn)發(fā)面執(zhí)行的方式，極大簡化了網(wǎng)絡(luò)路由維護(hù)工作。同時SDN還可以通過開放北向接口使第三方應(yīng)用方便地控制網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)路由。

在電信網(wǎng)絡(luò)中引入SDN技術(shù)，不但可以提升網(wǎng)絡(luò)部署的自動化能力，實現(xiàn)基于業(yè)務(wù)的靈活組件調(diào)度，同時通過在移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如SAE GW）內(nèi)部引入SDN化理念，還可以有效促進(jìn)整個網(wǎng)絡(luò)的扁平化，提升報文轉(zhuǎn)發(fā)的效率。

4結(jié)束語

文章綜述了未來可能得到應(yīng)用的5G候選技術(shù)，并從理論上分析了上述技術(shù)取得提升的原理，重點(diǎn)分析了一些不需要依賴于空口改動的5G技術(shù)。這些技術(shù)可以提前在4G的時間窗內(nèi)進(jìn)行部署。同時對于其他5G技術(shù)，也進(jìn)行了簡要介紹。認(rèn)為現(xiàn)有的5G候選技術(shù)仍然是在傳統(tǒng)空間、時間、頻率3種自由度的基礎(chǔ)上做增強(qiáng)。而在這些增強(qiáng)中，需要尤其關(guān)注一些無須改變4G空口就可以直接使用的5G技術(shù)。

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