對無線新技術演進的思考

向際鷹

摘要：介紹了中興通訊對未來無線新技術走向的整體看法。認為現有的5G侯選技術仍然是在傳統空間、時間、頻率3種自由度的基礎上做增強。而在這些增強中，需要尤其關注一些無須改變4G空口就可以直接使用的5G技術，例如大規模多輸入多輸出（MIMO）、超密網（UDN）等。還認為所有無線新技術都將持續演進。隨著5G標準的制訂，用戶體驗將得到本質的提升。

關鍵詞： 多用戶共享接入；超密網；大規模MIMO

1 5G的使用場景

隨著移動寬帶網絡的發展，人們對任何場景下的全連接、擴展場景下的連接、擴展載體的連接需求越來越強烈。第4代通信技術（4G）作為針對移動手持終端和高速數據上網而優化的制式，在滿足全場景應用時存在一些天然的缺陷，例如：海量、低耗電量的物聯網連接，超低時延的連接（支持實時游戲、車聯網）等。而超密集用戶群，高質量的數據連接，新數據載體例如虛擬現實終端的需求，以及移動家庭辦公所需的快速數據容量提升，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（5G）充滿了期待。5G新場景的愿景如圖1所示。

2 5G技術及Pre5G概念

我們一般認為，5G的商用將在2020年以后，目前業界對于5G尚缺乏統一的、標準的定義，但一般都認為5G將不再基于單一的關鍵技術（如3G的碼分多址（CDMA）、4G的正交頻分復用（OFDM）/多輸入多輸出（MIMO））等，而將基于一系列技術（又稱為技術簇），如圖2所示。這樣的技術簇，目前至少包括大規模MIMO、超密網（UDN）、高頻技術，多用戶共享接入（MUSA）以及協同組網技術。同時，5G還可能包括一些當前有爭議的技術，例如超Nyquist采樣（FTN）、濾波器組多載波技術（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（包括現有技術研究和革命性的新技術），并包括軟件定義網絡（SDN）、網絡功能虛擬化（NFV）核心網的智能化網絡[1]。

我們把無線新技術大致分為3類：原理性革命技術、革命型技術、演進型技術。其中原理性革命技術在5G的早期階段研究得比較多，有很多相關技術被提出，這些技術多數宣稱可以在傳統的自由度（DoF），即時間、空間、頻率之外發現新自由度類型，從而從根本上成倍提升通信性能。然而經過進一步理論研究后發現，上述技術本質上并沒有創造新的自由度，而是原有的傳統自由度的數學變型，因此在本質上不可能帶來容量的提升。

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

另外我們應當看到，所有5G侯選技術都是經典電磁學理論范圍內的技術。非經典電磁理論范圍的技術并不在5G時間窗內。

經過空間多信道擴展之后的香農公式如圖3中所示。根據上述公式，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展。

·空間信道數（m）?？赏ㄟ^更多物理小區（物理空分，如5G超密網即超空集網絡）。或更多天線（邏輯空分，如5G 大規模MIMO）來提升空間信道數。

·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，由于熱噪聲只與環境溫度有關，因此無法減少其對通信性能的影響。

·干擾（I）。與噪聲不同，干擾是人為產生的，例如不同用戶間的干擾，不同小區之間的干擾等。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。

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

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

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

為繞過“演進、革命”之爭，我們從標準和實現角度，把落入5G時間窗內的技術又分為3類：4G或4G+中已有的技術；介于4G和5G之間階段的技術，如中興通訊提出的Pre5G技術；5G技術，相對于4G標準來說改動比較大的技術。

Pre5G技術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；能夠帶給用戶遠遠高于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；商用時間點遠遠早于2020年；可以基于現有空口，甚至直接采用4G終端。

根據Pre5G的上述特征，我們可以較為清楚地了解Pre5G和4G+、5G之間的區別。Pre5G的性能明顯超出4G+標準中的定義性能，并且不需要依賴5G的標準中定義的性能。因此，即使標準中不出現Pre5G的階段，也會在實現層面上出現一個介于4G+和5G之間的Pre5G階段。屬于Pre5G階段的技術有非反饋模式的大規模MIMO、MUSA以及UDN的一部分技術。

大規模MIMO是5G中最重要的核心技術之一，甚至可以說是唯一成倍提升頻譜效率的技術（其他多數技術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）。大規模MIMO的天線數量大幅高于4G，有上百根之多，通過更多的天線之間的聯合發送接收可以提升系統的容量和覆蓋[3]。

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

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

大規模MIMO的采用使天線的端口數從傳統的8個，提升到接近甚至超過100個。當天線數增加到上百個時，采用4G傳統的信道反饋機制必然產生大量的開銷，甚至僅僅參考信號（RS）就能占到整體資源的80%以上，為此，5G中針對信道反饋做了大量研究，達成的一個共識是：必須大幅度修改4G的信道反饋機制。進一步研究表明，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行下行信道預測，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、更快。

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

在現網中，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，導致高層用戶體驗差，這已成為運營商面臨的一大難題。3D/大規模MIMO天線則具有3D波束賦形能力，本次測試表明3D/大規模MIMO基站可全面深度覆蓋35層的高層辦公樓，且其數據吞吐率遠遠優于8天線基站，其中在35樓，其數據吞吐率是8天線基站的3.36倍。該測試證明3D/大規模MIMO是一種解決高層覆蓋的良好技術，僅用一個站即可解決傳統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、同樣的頻點同時傳輸數據，而幾乎互相不發生干擾。即使兩個用戶非?？拷膊粫ハ喔蓴_。無論在室外視距環境下，還是在室內散射環境下，都可以觀察到這樣的空分效果。測試標志著中興通訊Pre5G和大規模MIMO的理論正確，并已經接近商用，向5G邁出堅實一步。

UDN也是5G另一項關鍵技術。在標準研究組中，人們研究了6種典型的UDN應用場景，例如體育館、車站、大型辦公樓等，都屬于超密場景。

在4G中，小基站的數量仍然比較少，因此4G中，涉及小基站的技術更多的是關注與宏網之間的干擾（Hetnet），而沒有太關注小基站間的干擾。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現：小基站間的干擾抑制，在原理上可以沿用中興通訊在4G宏網中的提出的Cloud Radio技術。我們從而可以認為5G UDN技術是中興通訊4G Cloud Radio的一個自然演進。

這是因為，本質上Cloud Radio間的干擾與Macro-Macro干擾一樣，屬于同構網組網問題。中興通訊將Cloud Radio向UDN演進，提出了虛擬基站技術。傳統的小區是物理小區，基站ID用于標識小區，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，由網絡動態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一直跟隨自己的移動，因此業務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。傳統的通信技術（例如4G），都是采用“正交”的方法區分用戶，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，只能起到擴頻的作用。那么在同一個自由度上，如何區分不同用戶的信號？就需要借助于連續干擾取消（SIC）接收技術，例如對于兩個用戶，一個遠一個近。遠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。常規的接收機不能很好地處理這種情況，非線性的SIC接收機可以先解出遠端用戶的數據，進行干擾消除，從而順利解出自己的數據。表面上看用戶獲得了額外的數據，但是并不違反通信規律，只是使數據的流量分配更為均衡。例如，傳統通信方法只能在完全犧牲遠端用戶的情況下獲得最大系統容量，但MUSA則可以在一個相對較寬松的條件下，保證較大的系統容量，同時保證用戶之間的均衡性。

目前關于非正交通信的研究很多，中興通訊MUSA在復雜度可控的情況下，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的上行技術非常適合于移動測試中心（MTC）物聯網的一系列相關應用。

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

3其他5G技術

大規模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大規模MIMO技術中，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、多徑特點不同，空口定義需要進行相應調整，例如為了適應更大的多普勒頻移，我們需要采用更寬的子載波。相應地，子載波數減小，符號減少，循環前綴（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，已經提出一些提案供業界討論。有一種觀點認為，高頻雖然路損大，但天線尺寸小，因此可以補償路損。中興通訊則認為，衰減因子n往往大于2，因此天線數量上的優勢并不足以彌補路損。還要考慮到在相同面積下，天線數量需要按平方數增加，由此帶來平方倍的復雜度。所以在以覆蓋為目的的應用場景下，仍然是盡可能低頻，即使是傳統的大于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，傳統鏈路自適應技術已經無法滿足其發展，而新的編碼調制與鏈路自適應技術可以顯著地提高系統容量，減少傳輸延遲，提高傳輸可靠性，并增加用戶的接入數目。中興通訊提出了軟鏈路自適應（SLA）、物理層包編碼（PLPC）、吉比特超高速譯碼器技術（GHD）等。

SLA技術提高了信道預測和反饋方法的準確性，解決了開環鏈路自適應（OLLA）的周期較長、干擾突發對性能的影響，以及5G各種新場景對服務質量（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。

物理層包編碼技術可以有效地解決大數據包與小編碼塊之間的矛盾。GHD技術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據速率的要求。

傳統電信網絡專用設備較多，相比IT網絡則存在著更高昂的建設費用，更龐雜的運維開支和更封閉的業務形式，使運營商在“收”、“支”兩端都面臨窘境。近幾年興起的NFV和SDN技術讓運營商看到了曙光。

NFV的技術基礎是虛擬化技術。虛擬化技術提供了將一套服務器的相關資源（如計算、存儲和網絡）虛擬化成多個不同虛擬機并為不同的用戶使用的手段。在電信網絡中引入虛擬化技術，可以實現電信網絡硬件資源的共享，提升硬件資源的利用率，也為快速引入第三方新業務開啟了一道方便之門。電信網絡功能本身支持虛擬化后，與專用硬件設備解除了耦合關系，使得電信網絡采用IT化、通用化硬件資源成為可能，有利于運營商降低硬件采購成本。

SDN技術源于IP網絡的路由控制，它通過將路由設備的控制和轉發相分離，將網絡中大量路由器繁雜的路由配置工作轉化成通過控制器集中式配置并下發到轉發面執行的方式，極大簡化了網絡路由維護工作。同時SDN還可以通過開放北向接口使第三方應用方便地控制網絡中的業務路由。

在電信網絡中引入SDN技術，不但可以提升網絡部署的自動化能力，實現基于業務的靈活組件調度，同時通過在移動網絡節點（如SAE GW）內部引入SDN化理念，還可以有效促進整個網絡的扁平化，提升報文轉發的效率。

4結束語

文章綜述了未來可能得到應用的5G候選技術，并從理論上分析了上述技術取得提升的原理，重點分析了一些不需要依賴于空口改動的5G技術。這些技術可以提前在4G的時間窗內進行部署。同時對于其他5G技術，也進行了簡要介紹。認為現有的5G候選技術仍然是在傳統空間、時間、頻率3種自由度的基礎上做增強。而在這些增強中，需要尤其關注一些無須改變4G空口就可以直接使用的5G技術。

參考文獻

[1] LUO F L. Signal Processing Techniques for 5G： An Overview [J]. ZTE Communications， 2015， 13（2）： 20-27. doi： 10.3969/j.issn.1673-5188.2015，01.003

[2] 余莉，張治中，程方，胡昊南. 第五代移動通信網絡體系架構及其關鍵技術[J]. 重慶郵電大學學報（自然科學版）， 2014， 26（4）： 427-433

[3] 李方健. D2D通信系統中的最優中繼選擇及功率分配策略研究[J]. 重慶郵電學報（自然科學版）， 2014， 26（5）： 605-610

[4] 曹衛東， 張濤，李福昌. Small Cell網絡部署策略及技術演進研究[J]. 2014， （10）： 37-42