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

　　隨著(zhù)關(guān)鍵技術(shù)的突破，特別是射頻器件和天線(xiàn)等技術(shù)的進(jìn)步，使多達100個(gè)以上天線(xiàn)端口的大規模多天線(xiàn)技術(shù)在5G應用成為可能，是目前業(yè)界公認為應對5G在系統容量、數據速率等方面挑戰的標志技術(shù)之一。在實(shí)際應用中，通過(guò)使用大規模多天線(xiàn)陣列，基站可以在三維空間形成具有更高空間分辨率的高增益窄細波束，從而實(shí)現更靈活的空間復用能力和改善接收端接收信號，并且更窄波束可以大幅度降低用戶(hù)間干擾，從而實(shí)現更高的系統容量和頻譜利用效率。

　　大規模多天線(xiàn)技術(shù)在5G中的潛在應用場(chǎng)景包括宏覆蓋、高層建筑、異構網(wǎng)絡(luò )、室內外熱點(diǎn)及無(wú)線(xiàn)回傳鏈路等。在廣域覆蓋場(chǎng)景，大規模多天線(xiàn)技術(shù)可以利用現有頻段;在熱點(diǎn)覆蓋或回傳鏈路等場(chǎng)景中，則可以考慮使用更高頻段。

　　當前，大規模多天線(xiàn)技術(shù)面臨的挑戰包括：基帶運算的復雜度、處理時(shí)間和成本問(wèn)題;信道測量性能和信道狀態(tài)信息反饋的導頻開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題;相位噪聲與校正問(wèn)題等。主要研究方向包括：高效信號處理技術(shù)、信道建模及系統性能分析技術(shù)、信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)、成形碼本的設計、多用戶(hù)調度與資源管理技術(shù)、大規模有源陣列天線(xiàn)技術(shù)、覆蓋增強技術(shù)以及高速移動(dòng)解決方案。

　　包括大唐電信在內的我國企業(yè)從TD-SCDMA開(kāi)始，首次在全球將智能天線(xiàn)波束成形技術(shù)引入蜂窩移動(dòng)通信系統，并且在TD-LTE中拓展到8天線(xiàn)多流波束成形技術(shù)，實(shí)現了波束成形與空間復用的深度融合，在國際上領(lǐng)先，且已經(jīng)在全球商用，性能得到業(yè)界認可。目前大部分商用FDD LTE仍采用2天線(xiàn)(部分采用4天線(xiàn))。在多天線(xiàn)技術(shù)方面，FDD落后于TDD?？梢?jiàn)，TD-LTE的多天線(xiàn)多流波束成形技術(shù)成果為我國企業(yè)在5G大規模多天線(xiàn)及波束成形的技術(shù)研究、標準與產(chǎn)業(yè)上取得了先機。

　　3.2 5G新型多址接入技術(shù)：PDMA

　　多址接入技術(shù)是解決多用戶(hù)進(jìn)行信道復用的技術(shù)手段，是移動(dòng)通信系統的基礎性傳輸方式，關(guān)系到系統容量、小區構成、頻譜和信道利用效率以及系統復雜性和部署成本，也關(guān)系到設備基帶處理能力、射頻性能和成本等工程問(wèn)題。多址接入技術(shù)可以將信號維度按照時(shí)間、頻率或碼字分割為正交或者非正交的信道，分配給用戶(hù)使用。歷代移動(dòng)通信系統都有其標志性的多址接入技術(shù)作為其革新?lián)Q代的標志。例如：1G的模擬頻分多址接入(FDMA)技術(shù);2G的時(shí)分多址接入(TDMA)和頻分多址接入(FDMA)技術(shù);3G的碼分多址接入(CDMA)技術(shù);4G的正交頻分復用(OFDM)技術(shù)。1G到4G采用的都是正交多址接入技術(shù)。對于正交多址接入，用戶(hù)在發(fā)送端占用正交的無(wú)線(xiàn)資源，接收端易于使用線(xiàn)性接收機來(lái)進(jìn)行多用戶(hù)檢測，復雜度較低，但系統容量會(huì )受限于可分割的正交資源數目。從單用戶(hù)信息論角度，LTE的單鏈路性能已接近點(diǎn)對點(diǎn)信道容量，提升空間十分有限;若從多用戶(hù)信息論角度，非正交多址技術(shù)還能進(jìn)一步提高頻譜效率，也是逼近多用戶(hù)信道容量上界的有效手段。

　　因此，若繼續采用傳統的正交多址接入技術(shù)，難以實(shí)現5G需要支持的大容量和海量連接數。理論上，非正交多址接入將突破正交多址接入的容量極限，能夠依據多用戶(hù)復用倍數來(lái)成倍地提升系統容量。非正交多址接入需要在接收端引入非線(xiàn)性檢測來(lái)區分用戶(hù)，得益于器件和集成電路的進(jìn)步，目前非正交已經(jīng)從理論研究走向實(shí)際應用。

　　圖樣分割多址接入(pattern division multiple access，PDMA)技術(shù)，是大唐電信在早期SAMA(SIC amenable multiple access)研究基礎上提出的一種新型非正交多址接入技術(shù)，它采用發(fā)送端與接收端聯(lián)合優(yōu)化設計的思想，將多個(gè)用戶(hù)的信號通過(guò)PDMA編碼圖樣映射到相同的時(shí)域、頻域和空域資源進(jìn)行復用疊加傳輸，這樣可以大幅度地提升用戶(hù)接入數量。接收端利用廣義串行干擾刪除算法實(shí)現準最優(yōu)多用戶(hù)檢測，逼近多用戶(hù)信道容量界，實(shí)現通信系統的整體性能最優(yōu)。PDMA技術(shù)可以應用于通信系統的上行鏈路和下行鏈路，能夠提升移動(dòng)寬帶應用的頻譜效率和系統容量，支持5G海量物聯(lián)網(wǎng)終端接入。PDMA技術(shù)自提出就受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，2014年，PDMA技術(shù)被寫(xiě)入ITU的新技術(shù)報告IMT.Trend。

　　大唐電信對PDMA的仿真評估表明：PDMA能夠使得系統下行頻譜效率提升50%以上，上行頻譜效率提升100%以上;采用PDMA與OFDM結合的接入方式時(shí)，能支持的終端接入數量，相對于4G提升5倍以上。目前，大唐電信正在開(kāi)發(fā)PDMA原型系統。

　　3.3 雙工模式

　　雙工模式是指如何實(shí)現信號的雙向傳輸。時(shí)分雙工(TDD)是通過(guò)時(shí)間分隔實(shí)現信號的發(fā)送及接收;頻分雙工(FDD)是利用頻率分隔實(shí)現信號的發(fā)送及接收。從1G到4G，GSM、CDMA、WCDMA和FDD LTE都是FDD系統，我國企業(yè)主導的TD-SCDMA和TD-LTE都是TDD系統。最新的研究方向是全雙工。

　　全雙工是指同時(shí)、同頻進(jìn)行雙向通信，即無(wú)線(xiàn)通信設備使用相同的時(shí)間、相同的頻率，同時(shí)發(fā)射和接收無(wú)線(xiàn)信號，理論上可使無(wú)線(xiàn)通信鏈路的頻譜效率提高1倍。由于收發(fā)同時(shí)同頻，全雙工發(fā)射機的發(fā)射信號會(huì )對本地接收機產(chǎn)生干擾。根據典型蜂窩移動(dòng)通信系統不同的覆蓋半徑，天線(xiàn)接頭處收發(fā)信號功率差通常在100~150 dB，如何簡(jiǎn)單有效地消除如此大的自干擾是個(gè)難題，還有鄰近小區的同頻干擾問(wèn)題以及工程實(shí)現上的電路小型化問(wèn)題。目前實(shí)現自干擾抑制主要有空域、射頻域和數字域聯(lián)合等技術(shù)方案，研究以高校的理論分析和技術(shù)試驗為主，還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品樣機和應用。另外，全雙工在解決無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的某些特殊問(wèn)題時(shí)有優(yōu)勢，如隱藏終端問(wèn)題和多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )端到端時(shí)延問(wèn)題。

　　靈活雙工是指能夠根據上下行業(yè)務(wù)變化情況，靈活地分配上下行的時(shí)間和頻率資源，更好地適應非均勻、動(dòng)態(tài)變化或突發(fā)性的業(yè)務(wù)分布，有效提高系統資源的利用率。靈活雙工可以通過(guò)時(shí)域、頻域的方案實(shí)現，若在時(shí)域實(shí)現，就是同一頻段上下行時(shí)隙可靈活配比，也就是TDD方案;若在頻域實(shí)現，則存在多于兩個(gè)頻段時(shí)，可以靈活配比上下行頻段;若在傳統FDD上下行的兩個(gè)頻段中，上行頻段的時(shí)隙配置實(shí)現可靈活時(shí)隙配比，則是TDD與FDD融合方案，可應用于低功率節點(diǎn)，但這需要調研各國頻率政策，分析現有政策是否允許此方式。

　　目前產(chǎn)業(yè)界公認在LTE演進(jìn)上主要定位TDD+，認為在5G低頻段將采用FDD和TDD，在高頻段更宜采用TDD。由于TDD模式能更好地支持5G關(guān)鍵技術(shù)(如大規模多天線(xiàn)、高頻段通信等)。筆者預測，全雙工在5G上的應用將有限，TDD和FDD都會(huì )得到應用且融合發(fā)展，但TDD在5G解決大容量和高頻段中會(huì )起到主導應用，而且5G新空口極可能采用TDD模式，第5節將會(huì )有專(zhuān)門(mén)的分析與討論。

　　3.4 超密集組網(wǎng)

　　據參考文獻統計，在1950-2000年的50年間，相對于語(yǔ)音編碼和調制等物理層技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)不到10倍的頻譜效率提升和采用更大的頻譜帶寬帶來(lái)的傳輸速率幾十倍的提升, 通過(guò)縮小小區半徑(即頻譜資源的空間復用)，帶來(lái)的頻譜效率可以提升2 700倍以上?？梢?jiàn)，網(wǎng)絡(luò )密集化是5G應對移動(dòng)數據業(yè)務(wù)大流量和劇增系統容量需求的重要手段之一。網(wǎng)絡(luò )密集程度可以用單位面積內部署的天線(xiàn)數量來(lái)定義，有兩種手段可以實(shí)現：多天線(xiàn)系統(大規模多天線(xiàn)或分布式天線(xiàn)系統等)和小小區的密集部署。后者就是超密集組網(wǎng)，即通過(guò)更加“密集化”的基站部署，單個(gè)小區的覆蓋范圍大大縮小，以獲得更高的頻率復用效率，從而在局部熱點(diǎn)區域提升系統容量達百倍。典型應用場(chǎng)景主要包括辦公室、密集住宅、密集街區、校園、大型集會(huì )、體育場(chǎng)、地鐵和公寓等。

　　隨著(zhù)小區部署密度的增加，超密集組網(wǎng)將面臨許多新的技術(shù)挑戰，如回傳鏈路、干擾、移動(dòng)性、站址、傳輸資源和部署成本等。為了實(shí)現易部署、易維護、用戶(hù)體驗佳，超密集組網(wǎng)的研究方向包括小區虛擬化、自組織自?xún)?yōu)化、動(dòng)態(tài)TDD、先進(jìn)的干擾管理和先進(jìn)的聯(lián)合傳輸等。筆者提出了以用戶(hù)為中心的超密集組網(wǎng)(UUDN)。UUDN突破傳統以網(wǎng)絡(luò )為中心的理念，基于去蜂窩化的思想，采用更加貼近用戶(hù)的本地控制管理中心構建以用戶(hù)為中心的虛擬伴隨小區，通過(guò)高效的移動(dòng)性管理，實(shí)現網(wǎng)隨用戶(hù)動(dòng)。同時(shí)，系統智能感知用戶(hù)需求和網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)，按需選擇合理的接入方式和傳輸方式，實(shí)現以用戶(hù)為中心的業(yè)務(wù)傳輸。另外，以用戶(hù)為中心的超密集網(wǎng)絡(luò )還引入了先進(jìn)的干擾管理、靈活的無(wú)線(xiàn)回傳、智能的網(wǎng)絡(luò )編排、網(wǎng)絡(luò )自?xún)?yōu)化等先進(jìn)特性，以提升網(wǎng)絡(luò )容量和區域頻譜效率，降低部署和維護成本，提升用戶(hù)體驗。

　　3.5 先進(jìn)的頻譜利用技術(shù)

　　(1)高頻段無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)

　　目前，蜂窩移動(dòng)通信系統工作頻段主要在3 GHz以下，用戶(hù)數的增加和更高通信速率的需求，使得頻譜資源十分擁擠，而在6 GHz以上高頻段具有連續的大帶寬頻譜資源。目前產(chǎn)業(yè)界研究6~100 GHz的頻段(稱(chēng)為毫米波，mmWave)來(lái)滿(mǎn)足5G對更大容量和更高速率的需求，傳送高達10 Gbit/s甚至更高速率的數據業(yè)務(wù)。

　　高頻通信已應用在軍事通信和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)方面，但在蜂窩通信領(lǐng)域的應用研究尚處于起步階段。頻段越高，信道傳播路徑損耗越大，因此小區覆蓋半徑將大大縮小。在一定區域內基站數量將大大增加，即形成UDN。高頻信道與傳統蜂窩頻段信道有明顯差異，存在如傳播損耗大、穿透能力有限、信道變化快、繞射能力差和移動(dòng)性支持能力受限等問(wèn)題，需要深入研究高頻信道的測量與建模、高頻新空口和組網(wǎng)技術(shù)。另外，研制大帶寬、低噪聲、高效率、高可靠性、多功能和低成本的高頻器件，仍是產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，而我國產(chǎn)業(yè)在此方面差距更大。