大唐電信集團陳山枝：如何實(shí)現中國“5G引領(lǐng)”的戰略目標

　　無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信在20多年里得到了飛速的發(fā)展，給人們的生活、學(xué)習和工作方式以及政治、經(jīng)濟、社會(huì )等各方面都帶來(lái)了巨大的影響。

　　1、引言

　　20世紀末，中國提出的TD-SCDMA被國際電信聯(lián)盟(ITU)接納成為三大3G國際標準之一，實(shí)現了中國通信歷史上的百年突破。隨后，我國企業(yè)主導并擁有核心知識產(chǎn)權的TD-LTE-Advanced(以下簡(jiǎn)稱(chēng)TD-LTE)，成為全球兩大4G主流標準之一。目前，已有43個(gè)國家和地區推出了67個(gè)TD-LTE商用網(wǎng)絡(luò )，TD-LTE基站數達140萬(wàn)套，占4G基站總數的43%;TD-LTE用戶(hù)數達4.7億戶(hù)，占全球4G用戶(hù)總數的40%。TD-LTE在與美國企業(yè)主導的WiMAX的產(chǎn)業(yè)競爭中勝出，全球90%的WiMAX網(wǎng)絡(luò )將升級到TD-LTE。TD-LTE已成為全球TDD技術(shù)共同演進(jìn)的方向，發(fā)展空間巨大。

　　自2012年初WRC-12上ITU通過(guò)了4G標準之后，通信業(yè)界開(kāi)始研究5G。各國成立了專(zhuān)門(mén)組織推進(jìn)5G研究，爭搶新一輪技術(shù)和標準的影響力和制高點(diǎn)。例如，歐盟啟動(dòng)了METIS、5GNOW等多個(gè)5G預研項目，并成立了5GPPP;韓國成立了5G Forum等;美國和日本也啟動(dòng)了5G研究?！禝EEE Communications Magazine》在2014年2月和5月出版了兩期關(guān)于5G的技術(shù)專(zhuān)題。

　　2013年2月，我國由工業(yè)和信息化部(以下簡(jiǎn)稱(chēng)工信部)、科技部、國家發(fā)展和改革委員會(huì )(以下簡(jiǎn)稱(chēng)國家發(fā)展改革委)等發(fā)起成立IMT-2020(5G)推進(jìn)組，目標是在“3G突破、4G同步”的基礎上，實(shí)現“5G引領(lǐng)”全球。為配合該目標，國家“863”計劃、國家重大科技專(zhuān)項及地方政府等分別設置了5G相關(guān)研究課題。IMT-2020(5G)推進(jìn)組前期完成了5G的需求、概念、無(wú)線(xiàn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的分析，且有多項成果輸入ITU。

　　我國IMT-2020(5G)推進(jìn)組分析了驅動(dòng)5G發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)兩類(lèi)業(yè)務(wù)需求，提出了包括6項性能指標和3項效率指標的“5G需求之花”，定義了廣域覆蓋、熱點(diǎn)覆蓋、低功耗大連接物聯(lián)網(wǎng)和低時(shí)延高可靠物聯(lián)4類(lèi)5G主要應用場(chǎng)景。ITU將5G需求和應用場(chǎng)景主要分為3類(lèi)：增強的移動(dòng)寬帶(eMBB)(將我國提出的廣域覆蓋、熱點(diǎn)覆蓋歸為此類(lèi))、海量連接的機器類(lèi)通信(mMTC)、超可靠和低時(shí)延通信(cMTC)。同時(shí)定義了8項關(guān)鍵技術(shù)指標，表1中列出了5G相對4G的各個(gè)關(guān)鍵能力提升的倍數。

　　事實(shí)上，5G不再僅僅是上面分析到的更高速率、更大帶寬、更強能力的空中接口技術(shù)，而且是面向用戶(hù)體驗、業(yè)務(wù)應用和行業(yè)應用的智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。需要指出的是，5G對應的是多種不同應用場(chǎng)景，需要的是一組不同能力指標，即表1中的所有指標不是也不可能同時(shí)滿(mǎn)足和達到。上述5G的速率、流量密度、連接密度等關(guān)鍵指標要求帶來(lái)了在技術(shù)、頻率、運營(yíng)等方面的巨大挑戰。

　　2、關(guān)于5G的幾點(diǎn)認識

　　(1)5G是萬(wàn)物互聯(lián)、連接場(chǎng)景的一代

　　5G是移動(dòng)通信從1G到4G主要以人與人通信為主，跨越到人與物、物與物通信的時(shí)代。5G是萬(wàn)物互聯(lián)和連接場(chǎng)景的時(shí)代。從業(yè)務(wù)和應用的角度，5G具有三大特點(diǎn)：大數據、海量連接和場(chǎng)景體驗，滿(mǎn)足未來(lái)更廣泛的數據和連接業(yè)務(wù)需要，提升用戶(hù)體驗。

　　數據和連接是信息社會(huì )的時(shí)代特征。全球化將進(jìn)入一個(gè)新紀元，一個(gè)由數據和連接傳遞信息、思想和創(chuàng )新的全新時(shí)代。5G將應時(shí)而生。

　　(2)5G是電信IT化、軟件定義的一代

　　5G將是全新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò )呈軟件化、智能化、平臺化趨勢，是通信技術(shù)(CT)與信息技術(shù)(IT)的深度融合，是電信IT化的時(shí)代。

　　軟件定義的5G，包括采用通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò )(software defined networking，SDN)和網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化(network function virtualization，NFV)以及軟件定義無(wú)線(xiàn)電的無(wú)線(xiàn)接入空口，實(shí)現5G可編程的核心網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)接口。SDN和NFV將引起5G的IT化，包括硬件平臺通用化、軟件實(shí)現平臺化、核心技術(shù)IP化。運營(yíng)商能在通用硬件基礎上加載專(zhuān)用軟件實(shí)現5G設備運行，IT化對于傳統電信設備制造商將是一個(gè)挑戰。就像Google(谷歌)和百度等定制服務(wù)器一樣，給IBM和HP等傳統服務(wù)器廠(chǎng)商帶來(lái)挑戰。

　　(3)5G是云化的一代

　　5G的云化趨勢包括：基帶處理能力的云化(云架構的RAN，即C-RAN)、采用移動(dòng)邊緣內容與計算(mobile edge content and computing，MECC)、終端云化。

　　C-RAN是將多個(gè)基帶處理單元(baseband unit， BBU)集中起來(lái)，通過(guò)大規模的基帶處理池為成百上千個(gè)遠端射頻單元(remote radio unit，RRH)服務(wù)。此時(shí)，基帶處理能力是云化的虛擬資源。邏輯集中的控制增加了系統的靈活性，方便升級。C-RAN減少了基站機房數量，可以大幅度降低建設和運維成本，同時(shí)還能大幅度降低能耗。但存在的問(wèn)題與挑戰是BBU與RRU間的前傳(fronthaul)帶寬開(kāi)銷(xiāo)大(以L(fǎng)TE為例，3個(gè)扇區的單個(gè)小區的帶寬就在16 Gbit/s左右)以及引起的額外時(shí)延問(wèn)題。

　　5G將采用MECC，即在靠近移動(dòng)用戶(hù)的位置上提供IT服務(wù)環(huán)境和云計算能力，使應用、服務(wù)和內容部署在分布式移動(dòng)環(huán)境中，針對資源密集的應用(如圖像、視頻、制圖等)，將計算和存儲卸載到無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)，從而降低了對通信帶寬的開(kāi)銷(xiāo)，并提高了實(shí)時(shí)性。

　　5G的終端云化，隨著(zhù)集成電路技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)移動(dòng)終端能力和資源(包括計算、存儲、傳感等)將得到大幅提升，也可以實(shí)現本地資源共享和云化，特別是在社交網(wǎng)絡(luò )應用中。

　　(4)5G是蜂窩結構變革的一代

　　從1G到4G都是基于傳統的蜂窩系統，即形狀是基本規則(六邊形)的蜂窩小區組網(wǎng)，且是一個(gè)干擾受限系統。目前，密集高層辦公樓宇、住宅和場(chǎng)館等城市熱點(diǎn)區域承載了70%以上的無(wú)線(xiàn)分組數據業(yè)務(wù)。為了解決容量和干擾問(wèn)題，新技術(shù)不斷引入，如分布式天線(xiàn)、多輸入多輸出(MIMO)、多用戶(hù)檢測、基站間協(xié)作(CoMP)和中繼等。而熱點(diǎn)區域的家庭基站、無(wú)線(xiàn)中繼站、小小區基站和分布式天線(xiàn)等(統稱(chēng)異構基站)大多數呈非規則、無(wú)定形部署特性和層疊覆蓋，形成了異構分層無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

　　結合虛擬網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商(virtual network operator, VNO)需求，產(chǎn)生了虛擬接入網(wǎng)(virtual RAN, VRAN)與虛擬小區的概念。VRAN就是可以在一個(gè)物理設備上按需產(chǎn)生多個(gè)RAN實(shí)例，5G提供了RAN即服務(wù)(RAN-as-a-service，RANaaS)。

　　可見(jiàn)，傳統單層規則的蜂窩小區概念已不存在，移動(dòng)通信首次出現了去蜂窩的趨勢，5G將是蜂窩結構變革的一代。

　　(5)5G是承前啟后和探索的一代

　　移動(dòng)通信技術(shù)更新約10年一代。1G的目的是要解決語(yǔ)音通信，但語(yǔ)音質(zhì)量與安全性都不好;到2G時(shí)，GSM和CDMA在解決語(yǔ)音通信方面達到極致;1998年提出的3G最初目標是解決多媒體通信(如視頻通信)，但2005年后出現移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入的重大應用需求，不過(guò)解決得不好;LTE對移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入需求的解決是到位的，但又面臨語(yǔ)音通信(VoLTE)問(wèn)題。

　　筆者認為，目前呈現的是“1G短、2G長(cháng)、3G短、4G長(cháng)”的特征，那5G呢?5G的目標是要解決萬(wàn)物互聯(lián)，但目前還沒(méi)有得到垂直行業(yè)(物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等)的正面回應。因此，未來(lái)需求到底是什么?產(chǎn)業(yè)生態(tài)是什么?現在都只是通信技術(shù)專(zhuān)家們的設想，正如1998年提出的3G。因此，5G極有可能與3G類(lèi)似，是一個(gè)相對短暫的一代。但有一點(diǎn)是肯定的，5G將是有探索價(jià)值的一代，是移動(dòng)通信歷史上邁向萬(wàn)物互聯(lián)的承前啟后的一代。

　　3、5G無(wú)線(xiàn)傳輸關(guān)鍵技術(shù)

　　從技術(shù)標準架構看，5G無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)涉及幀結構、雙工模式、波形、多址接入、編碼調制、天線(xiàn)、接入控制協(xié)議等。大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(以下簡(jiǎn)稱(chēng)大唐電信)在2013年發(fā)布了5G白皮書(shū)，隨后我國IMT-2020(5G)推進(jìn)組梳理了5G無(wú)線(xiàn)側關(guān)鍵技術(shù)，主要有大規模多天線(xiàn)、新型多址接入、超密集組網(wǎng)、高頻段通信、低時(shí)延高可靠物聯(lián)網(wǎng)、靈活頻譜共享、新型編碼調制、新型多載波、M2M、D2D(device to device)、靈活雙工、全雙工共12項關(guān)鍵技術(shù)。

　　當前5G關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)始收斂。筆者認為：大規模多天線(xiàn)和新型多址接入技術(shù)可以提升頻譜效率，構成“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)”確保用戶(hù)體驗的關(guān)鍵技術(shù);超密集組網(wǎng)和高頻段通信技術(shù)可以提升熱點(diǎn)流量和傳輸速率，基于LTE-Hi演進(jìn)技術(shù)的能力提升;低時(shí)延高可靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以拓展業(yè)務(wù)應用范圍，將成為5G物聯(lián)網(wǎng)應用(如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng))的關(guān)鍵使能技術(shù)。

　　3.1 大規模多天線(xiàn)

　　傳統的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)主要是挖掘時(shí)域與頻域資源，20世紀90年代，Turbo碼的出現使信息傳輸速率幾乎達到了香農極限。多天線(xiàn)技術(shù)將信號處理從時(shí)域和頻域擴展到空間域，從而提高了無(wú)線(xiàn)頻譜效率和傳輸可靠性。多天線(xiàn)技術(shù)經(jīng)歷了從無(wú)源到有源，從二維到三維，從高階MIMO到大規模陣列天線(xiàn)的發(fā)展。

　　從香農信息論可知，從1G到3G，通過(guò)調制與編碼等技術(shù)進(jìn)步來(lái)提高信噪比實(shí)現容量提升的方法已接近極限，但MIMO技術(shù)可以在空間域上進(jìn)一步有效地提高信噪比。理論上，MIMO系統容量與天線(xiàn)數成正比，即增加天線(xiàn)數可以線(xiàn)性地增加系統容量。當基站側天線(xiàn)數遠大于用戶(hù)天線(xiàn)數時(shí)，基站到各個(gè)用戶(hù)的信道將趨于正交。此時(shí)，用戶(hù)間干擾將趨于消失，而巨大的陣列增益將有效地提升每個(gè)用戶(hù)的信噪比，從而能在相同的時(shí)域和頻域資源中共同調度更多用戶(hù)。