發展5G的分析與建議

陳山枝

（大唐電信科技產業集團，北京 100191）

視點聚焦

發展5G的分析與建議

陳山枝

（大唐電信科技產業集團，北京 100191）

首先簡要介紹了5G在全球的研究進展，分析了5G的需求與挑戰。分享了關于5G的幾點再認識，指出5G是萬物互聯、連接場景的一代，電信IT化、軟件定義、云化的一代，蜂窩結構變革的一代，承前啟后和探索的一代。然后分析了5G無線傳輸和網絡的關鍵技術，簡要介紹了筆者團隊提出的PDMA、UUDN和虛擬RAT等技術。特別指出了TDD在5G中的應用優勢，并預測5G新空口將采用TDD模式。最后結合我國在TD-SCDMA和TD-LTE方面的創新經驗，提出了關于我國實現“5G引領”的建議。

5G；物聯網；TDD優勢技術；大規模多天線；PDMA；超密集組網；SDN；NFV

1 引言

無線移動通信在20多年里得到了飛速的發展，給人們的生活、學習和工作方式以及政治、經濟、社會等各方面都帶來了巨大的影響。20世紀末，中國提出的TD-SCDMA被國際電信聯盟（ITU）接納成為三大3G國際標準之一，實現了中國通信歷史上的百年突破。隨后，我國企業主導并擁有核心知識產權的TD-LTE-Advanced（以下簡稱TD-LTE），成為全球兩大4G主流標準之一。目前，已有43個國家和地區推出了67個TD-LTE商用網絡，TD-LTE基站數達140萬套，占4G基站總數的43%；TD-LTE用戶數達4.7億戶，占全球4G用戶總數的40%。TD-LTE在與美國企業主導的WiMAX的產業競爭中勝出，全球90%的WiMAX網絡將升級到TD-LTE[1]。TD-LTE已成為全球TDD技術共同演進的方向，發展空間巨大。

自2012年初WRC-12上ITU通過了4G標準之后，通信業界開始研究5G。各國成立了專門組織推進5G研究，爭搶新一輪技術和標準的影響力和制高點。例如，歐盟啟動了METIS、5GNOW等多個5G預研項目，并成立了5GPPP；韓國成立了5G Forum等；美國和日本也啟動了5G研究。《IEEE Communications Magazine》在 2014年 2月和5月出版了兩期關于5G的技術專題[2]。

2013年2月，我國由工業和信息化部（以下簡稱工信部）、科技部、國家發展和改革委員會（以下簡稱國家發展改革委）等發起成立IMT-2020(5G)推進組[3]，目標是在“3G突破、4G同步”的基礎上，實現“5G引領”全球。為配合該目標，國家“863”計劃、國家重大科技專項及地方政府等分別設置了5G相關研究課題。IMT-2020(5G)推進組前期完成了5G的需求、概念、無線技術和網絡技術的分析[4-7]，且有多項成果輸入ITU。

我國IMT-2020(5G)推進組分析了驅動5G發展的移動互聯網和移動物聯網兩類業務需求，提出了包括6項性能指標和3項效率指標的 “5G需求之花”[4]，定義了廣域覆蓋、熱點覆蓋、低功耗大連接物聯網和低時延高可靠物聯4類5G主要應用場景。ITU將5G需求和應用場景主要分為3類：增強的移動寬帶 （eMBB）（將我國提出的廣域覆蓋、熱點覆蓋歸為此類）、海量連接的機器類通信（mMTC）、超可靠和低時延通信（cMTC）。同時定義了8項關鍵技術指標，表1中列出了5G相對4G的各個關鍵能力提升的倍數。

事實上，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，而且是面向用戶體驗、業務應用和行業應用的智能無線網絡。需要指出的是，5G對應的是多種不同應用場景，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滿足和達到。上述5G的速率、流量密度、連接密度等關鍵指標要求帶來了在技術、頻率、運營等方面的巨大挑戰。

2 關于5G的幾點再認識

（1）5G是萬物互聯、連接場景的一代

5G是移動通信從1G到4G主要以人與人通信為主，跨越到人與物、物與物通信的時代。5G是萬物互聯和連接場景的時代。從業務和應用的角度，5G具有三大特點：大數據、海量連接和場景體驗，滿足未來更廣泛的數據和連接業務需要，提升用戶體驗。

數據和連接是信息社會的時代特征。全球化將進入一個新紀元，一個由數據和連接傳遞信息、思想和創新的全新時代。5G將應時而生。

（2）5G是電信IT化、軟件定義的一代

5G將是全新一代的移動通信技術，5G網絡呈軟件化、智能化、平臺化趨勢，是通信技術（CT）與信息技術（IT）的深度融合，是電信IT化的時代。

軟件定義的5G，包括采用通過軟件定義網絡（software defined networking，SDN） 和 網 絡 功 能 虛 擬 化 （network function virtualization，NFV）以及軟件定義無線電的無線接入空口，實現5G可編程的核心網和無線接口。SDN和NFV將引起5G的IT化，包括硬件平臺通用化、軟件實現平臺化、核心技術IP化。運營商能在通用硬件基礎上加載專用軟件實現5G設備運行，IT化對于傳統電信設備制造商將是一個挑戰。就像Google（谷歌）和百度等定制服務器一樣，給IBM和HP等傳統服務器廠商帶來挑戰。

（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）、采用移動邊緣內容與計算（mobile edge content and computing，MECC）、終端云化。

表1 5G關鍵指標

C-RAN是將多個基帶處理單元（baseband unit，BBU）集中起來，通過大規模的基帶處理池為成百上千個遠端射頻單元（remote radio unit，RRH）服務。此時，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，同時還能大幅度降低能耗。但存在的問題與挑戰是BBU與RRU間的前傳（fronthaul）帶寬開銷大（以LTE為例，3個扇區的單個小區的帶寬就在16 Gbit/s左右）以及引起的額外時延問題。

5G將采用MECC，即在靠近移動用戶的位置上提供IT服務環境和云計算能力，使應用、服務和內容部署在分布式移動環境中，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線接入網，從而降低了對通信帶寬的開銷，并提高了實時性。

5G的終端云化，隨著集成電路技術的進步，未來移動終端能力和資源（包括計算、存儲、傳感等）將得到大幅提升，也可以實現本地資源共享和云化，特別是在社交網絡應用中。

（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，且是一個干擾受限系統。目前，密集高層辦公樓宇、住宅和場館等城市熱點區域承載了70%以上的無線分組數據業務。為了解決容量和干擾問題，新技術不斷引入，如分布式天線、多輸入多輸出（MIMO）、多用戶檢測、基站間協作（CoMP）和中繼等。而熱點區域的家庭基站、無線中繼站、小小區基站和分布式天線等（統稱異構基站）大多數呈非規則、無定形部署特性和層疊覆蓋，形成了異構分層無線網絡。

結合虛擬網絡運營商 (virtual network operator,VNO)需求，產生了虛擬接入網（virtual RAN,VRAN）與虛擬小區的概念。VRAN就是可以在一個物理設備上按需產生多個RAN實例，5G提供了RAN即服務(RAN-as-a-service，RANaaS)。

可見，傳統單層規則的蜂窩小區概念已不存在，移動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

移動通信技術更新約10年一代。1G的目的是要解決語音通信，但語音質量與安全性都不好；到2G時，GSM和CDMA在解決語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年后出現移動互聯網接入的重大應用需求，不過解決得不好；LTE對移動互聯網接入需求的解決是到位的，但又面臨語音通信（VoLTE）問題。

筆者認為，目前呈現的是“1G短、2G長、3G短、4G長”的特征，那5G呢？5G的目標是要解決萬物互聯，但目前還沒有得到垂直行業（物聯網、工業互聯網等）的正面回應。因此，未來需求到底是什么？產業生態是什么？現在都只是通信技術專家們的設想，正如1998年提出的3G。因此，5G極有可能與3G類似，是一個相對短暫的一代。但有一點是肯定的，5G將是有探索價值的一代，是移動通信歷史上邁向萬物互聯的承前啟后的一代。

3 5G無線傳輸關鍵技術

從技術標準架構看，5G無線接入技術涉及幀結構、雙工模式、波形、多址接入、編碼調制、天線、接入控制協議等。大唐電信科技產業集團（以下簡稱大唐電信）在2013年發布了5G白皮書[8]，隨后我國IMT-2020(5G)推進組梳理了5G無線側關鍵技術[6]，主要有大規模多天線、新型多址接入、超密集組網、高頻段通信、低時延高可靠物聯網、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項關鍵技術。

當前5G關鍵技術開始收斂。筆者認為：大規模多天線和新型多址接入技術可以提升頻譜效率，構成“任何時間、任何地點”確保用戶體驗的關鍵技術；超密集組網和高頻段通信技術可以提升熱點流量和傳輸速率，基于LTE-Hi演進技術的能力提升；低時延高可靠物聯網技術可以拓展業務應用范圍，將成為5G物聯網應用（如工業互聯網、車聯網）的關鍵使能技術。

3.1 大規模多天線

傳統的無線傳輸技術主要是挖掘時域與頻域資源，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。多天線技術將信號處理從時域和頻域擴展到空間域，從而提高了無線頻譜效率和傳輸可靠性。多天線技術經歷了從無源到有源，從二維到三維，從高階MIMO到大規模陣列天線的發展。

從香農信息論可知，從1G到3G，通過調制與編碼等技術進步來提高信噪比實現容量提升的方法已接近極限，但MIMO技術可以在空間域上進一步有效地提高信噪比。理論上，MIMO系統容量與天線數成正比，即增加天線數可以線性地增加系統容量。當基站側天線數遠大于用戶天線數時，基站到各個用戶的信道將趨于正交。此時，用戶間干擾將趨于消失，而巨大的陣列增益將有效地提升每個用戶的信噪比，從而能在相同的時域和頻域資源中共同調度更多用戶。

隨著關鍵技術的突破，特別是射頻器件和天線等技術的進步，使多達100個以上天線端口的大規模多天線技術在5G應用成為可能，是目前業界公認為應對5G在系統容量、數據速率等方面挑戰的標志技術之一。在實際應用中，通過使用大規模多天線陣列，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間干擾，從而實現更高的系統容量和頻譜利用效率[9]。

大規模多天線技術在5G中的潛在應用場景包括宏覆蓋、高層建筑、異構網絡、室內外熱點及無線回傳鏈路等。在廣域覆蓋場景，大規模多天線技術可以利用現有頻段；在熱點覆蓋或回傳鏈路等場景中，則可以考慮使用更高頻段。

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

包括大唐電信在內的我國企業從TD-SCDMA開始，首次在全球將智能天線波束成形技術引入蜂窩移動通信系統，并且在TD-LTE中拓展到8天線多流波束成形技術，實現了波束成形與空間復用的深度融合，在國際上領先，且已經在全球商用，性能得到業界認可。目前大部分商用FDD LTE仍采用2天線（部分采用4天線）。在多天線技術方面，FDD落后于TDD。可見，TD-LTE的多天線多流波束成形技術成果為我國企業在5G大規模多天線及波束成形的技術研究、標準與產業上取得了先機。

3.2 5G新型多址接入技術：PDMA[10]

多址接入技術是解決多用戶進行信道復用的技術手段，是移動通信系統的基礎性傳輸方式，關系到系統容量、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，也關系到設備基帶處理能力、射頻性能和成本等工程問題。多址接入技術可以將信號維度按照時間、頻率或碼字分割為正交或者非正交的信道，分配給用戶使用。歷代移動通信系統都有其標志性的多址接入技術作為其革新換代的標志。例如：1G的模擬頻分多址接入（FDMA）技術；2G的時分多址接入（TDMA）和頻分多址接入（FDMA）技術；3G的碼分多址接入（CDMA）技術；4G的正交頻分復用（OFDM）技術。1G到4G采用的都是正交多址接入技術。對于正交多址接入，用戶在發送端占用正交的無線資源，接收端易于使用線性接收機來進行多用戶檢測，復雜度較低，但系統容量會受限于可分割的正交資源數目。從單用戶信息論角度，LTE的單鏈路性能已接近點對點信道容量，提升空間十分有限；若從多用戶信息論角度，非正交多址技術還能進一步提高頻譜效率，也是逼近多用戶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，難以實現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，能夠依據多用戶復用倍數來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性檢測來區分用戶，得益于器件和集成電路的進步，目前非正交已經從理論研究走向實際應用。

圖樣分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）技術[10]，是大唐電信在早期 SAMA（SIC amenable multiple access）[11]研究基礎上提出的一種新型非正交多址接入技術，它采用發送端與接收端聯合優化設計的思想，將多個用戶的信號通過PDMA編碼圖樣映射到相同的時域、頻域和空域資源進行復用疊加傳輸，這樣可以大幅度地提升用戶接入數量。接收端利用廣義串行干擾刪除算法實現準最優多用戶檢測，逼近多用戶信道容量界，實現通信系統的整體性能最優。PDMA技術可以應用于通信系統的上行鏈路和下行鏈路，能夠提升移動寬帶應用的頻譜效率和系統容量，支持5G海量物聯網終端接入。PDMA技術自提出就受到了業界的廣泛關注，2014年，PDMA技術被寫入ITU的新技術報告IMT.Trend[12]。

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，能支持的終端接入數量，相對于4G提升5倍以上。目前，大唐電信正在開發PDMA原型系統。

3.3 雙工模式

雙工模式是指如何實現信號的雙向傳輸。時分雙工（TDD）是通過時間分隔實現信號的發送及接收；頻分雙工（FDD）是利用頻率分隔實現信號的發送及接收。從1G到4G，GSM、CDMA、WCDMA 和 FDD LTE 都是 FDD 系統，我國企業主導的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、同頻進行雙向通信，即無線通信設備使用相同的時間、相同的頻率，同時發射和接收無線信號，理論上可使無線通信鏈路的頻譜效率提高1倍。由于收發同時同頻，全雙工發射機的發射信號會對本地接收機產生干擾。根據典型蜂窩移動通信系統不同的覆蓋半徑，天線接頭處收發信號功率差通常在100～150 dB，如何簡單有效地消除如此大的自干擾是個難題，還有鄰近小區的同頻干擾問題以及工程實現上的電路小型化問題。目前實現自干擾抑制主要有空域、射頻域和數字域聯合等技術方案，研究以高校的理論分析和技術試驗為主，還沒有成熟的產品樣機和應用。另外，全雙工在解決無線網絡中的某些特殊問題時有優勢，如隱藏終端問題和多跳無線網絡端到端時延問題。

靈活雙工是指能夠根據上下行業務變化情況，靈活地分配上下行的時間和頻率資源，更好地適應非均勻、動態變化或突發性的業務分布，有效提高系統資源的利用率。靈活雙工可以通過時域、頻域的方案實現，若在時域實現，就是同一頻段上下行時隙可靈活配比，也就是TDD方案；若在頻域實現，則存在多于兩個頻段時，可以靈活配比上下行頻段；若在傳統FDD上下行的兩個頻段中，上行頻段的時隙配置實現可靈活時隙配比，則是TDD與FDD融合方案，可應用于低功率節點，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。

目前產業界公認在LTE演進上主要定位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關鍵技術（如大規模多天線、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都會得到應用且融合發展，但TDD在5G解決大容量和高頻段中會起到主導應用，而且5G新空口極可能采用TDD模式[13]，第5節將會有專門的分析與討論。

3.4 超密集組網

[14]統計，在1950-2000年的 50年間，相對于語音編碼和調制等物理層技術進步帶來不到10倍的頻譜效率提升和采用更大的頻譜帶寬帶來的傳輸速率幾十倍的提升,通過縮小小區半徑 （即頻譜資源的空間復用），帶來的頻譜效率可以提升2 700倍以上。可見，網絡密集化是5G應對移動數據業務大流量和劇增系統容量需求的重要手段之一。網絡密集程度可以用單位面積內部署的天線數量來定義，有兩種手段可以實現：多天線系統(大規模多天線或分布式天線系統等)和小小區的密集部署。后者就是超密集組網，即通過更加“密集化”的基站部署，單個小區的覆蓋范圍大大縮小，以獲得更高的頻率復用效率，從而在局部熱點區域提升系統容量達百倍。典型應用場景主要包括辦公室、密集住宅、密集街區、校園、大型集會、體育場、地鐵和公寓等。

隨著小區部署密度的增加，超密集組網將面臨許多新的技術挑戰，如回傳鏈路、干擾、移動性、站址、傳輸資源和部署成本等。為了實現易部署、易維護、用戶體驗佳，超密集組網的研究方向包括小區虛擬化、自組織自優化、動態TDD、先進的干擾管理和先進的聯合傳輸等。筆者提出了以用戶為中心的超密集組網（UUDN）[15]。UUDN突破傳統以網絡為中心的理念，基于去蜂窩化的思想，采用更加貼近用戶的本地控制管理中心構建以用戶為中心的虛擬伴隨小區，通過高效的移動性管理，實現網隨用戶動。同時，系統智能感知用戶需求和網絡狀態，按需選擇合理的接入方式和傳輸方式，實現以用戶為中心的業務傳輸。另外，以用戶為中心的超密集網絡還引入了先進的干擾管理、靈活的無線回傳、智能的網絡編排、網絡自優化等先進特性，以提升網絡容量和區域頻譜效率，降低部署和維護成本，提升用戶體驗。

3.5 先進的頻譜利用技術

（1）高頻段無線傳輸技術

目前，蜂窩移動通信系統工作頻段主要在3 GHz以下，用戶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。目前產業界研究6～100 GHz的頻段 （稱為毫米波，mmWave）來滿足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務。

高頻通信已應用在軍事通信和無線局域網方面，但在蜂窩通信領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、繞射能力差和移動性支持能力受限等問題，需要深入研究高頻信道的測量與建模、高頻新空口和組網技術。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，仍是產業化的瓶頸，而我國產業在此方面差距更大。

（2）動態頻譜共享技術

據產業界預測，到2020年移動通信頻率需求總量為 1 390～1 960 MHz，我國預測結果為 1 490～1 810 MHz，頻率缺口達到1 GHz。頻率短缺矛盾凸顯，雖經IMT產業界努力爭取，但從2015年國際無線電大會（WRC-15）會議結果看，沒有任何一個國家和地區新劃分的總量超過300 MHz，遠不能滿足5G需求。況且，期望WRC-19最終獲得的頻率劃分并不樂觀。

美國頻譜政策工作組（SPTF）調查[16]表明：85%已規劃的無線電頻率在不同時間和地區部分或全部未被使用。歐洲的頻譜測量[17]表明：400 MHz～3 GHz頻段的頻率利用率低于11%。因此，在頻率資源越來越緊張的情況下，為滿足5G需求，在盡力爭取更多IMT專用頻譜外，提高已有IMT頻譜的使用效率尤為重要。引入新型的頻譜管理理念，通過頻譜共享技術結合5G其他關鍵技術，可聯合使用現有IMT頻段和高頻段來滿足5G需求。

頻譜共享的主要應用場景包括：運營商內無線接入技術（RAT）間的頻譜共享、運營商間頻譜共享、免授權頻段的頻譜共享和次級接入頻譜共享等，緩解運營商頻譜過飽或過閑置，提升運營商總頻譜資源使用效率。

頻譜共享技術具備跨不同網絡或系統的最優動態頻譜配置和管理功能，具備智能自主接入網絡和網絡間切換的自適應性功能，目標是實現高效、動態和靈活的頻譜使用，以提升空口效率、系統覆蓋層次和密度等，從而提高頻譜綜合利用效率。

認知無線電指通過對空閑頻譜的探測與機會式占用，在擴展系統自身可用頻譜資源的同時，保證對所占用頻譜的原授權系統無有害干擾。頻譜共享是更廣義的頻譜使用技術，包括異系統間、多RAT間、系統內小區間和不同制式間等的頻譜共享。共享者之間可以是對頻譜具有相同占用等級或者不同占用等級。在頻譜共享技術中，可以利用認知無線電技術進行頻譜探測，也可以通過對頻譜數據庫的查詢來獲取可用頻譜資源，繼而進行高效的頻譜管理，使得頻譜資源在共享者之間得到最大化的利用率。

目前，頻譜共享技術需要研究的關鍵技術與問題，包括新型網絡架構及新增的無線接口設計、頻譜檢測機制和算法、數據庫結構和頻譜地圖生成與管理、頻譜資源的高效管理與分配、支持靈活帶寬和工作頻點的新型射頻和多系統整合帶來的安全性技術問題等。從工程實現上，對基帶算法與器件能力提出了更高要求。另外，頻譜共享技術需要國家頻譜管理政策的支持，研究新的經濟模型，制定新的使用規則、安全策略等。

3.6 多種RAT與虛擬RAT[18]

目前，產業界達成共識：5G將包含LTE演進和新無線空口。LTE演進在第5.1節會有介紹。針對5G新空口，由于5G的不同場景應用（eMBB、mMTC和cMTC等）需求差異很大，很難通過一種RAT實現。因此不會像1G至4G時某一制式是單一RAT，而5G極可能是一個多RAT的時代。從另一角度看，1G至4G是多個標準制式/體系（如2G時的GSM和CDMA）間的競爭，而在5G時，極可能變成了一個標準體系內不同RAT間的競爭。

在5G多RAT情況下，筆者團隊提出了虛擬RAT（virtual RAT）[18]，包括總體架構與協議棧，通過控制面和用戶面分離定義無線空口集實現多個異構RAT協同，提供靈活和可定制的接入網。

4 5G網絡關鍵技術

從技術標準架構看，5G網絡技術涉及移動性管理、接入控制、連接管理等功能。我國IMT-2020(5G)推進組梳理了5G核心網絡的系列關鍵技術[7]，主要有控制轉發分離、控制功能重構、新型連接管理和移動性管理、移動邊緣內容與計算、按需組網、統一的多無線接入技術融合、無線網狀網和動態自組織網絡、無線資源調度與共享、用戶和業務的感知與處理、定制化部署和服務以及網絡能力開放等關鍵技術。

傳統的移動通信網絡難以做到網絡資源的動態調整和按需分配，無法實現根據用戶和業務需求進行可編程操作，造成部署新業務的周期長、成本高等。5G網絡將向扁平化方向發展，控制與轉發分離的軟件定義網絡（SDN）、硬件與軟件分離的網絡功能虛擬化（NFV）成為5G網絡的關鍵支撐技術，以實現5G網絡能根據業務需求靈活動態組網、提升網絡整體效率和降低總成本。

4.1 軟件定義網絡和網絡功能虛擬化

SDN始于學術研究和數據中心，是一種網絡設計理念和新型開放網絡架構，具有控制與轉發分離、控制邏輯集中和網絡可編程三大特征。控制器具有全局網絡信息，負責調度網絡資源和制定轉發規則等，網絡設備僅提供簡單的數據轉發功能。層間采用開放的統一接口（如OpenFlow等）進行交互，這樣有利于實現網絡連接的可編程。

NFV由電信運營商聯盟提出，是一種軟件與硬件分離的架構，通過IT虛擬化技術，采用產業界標準的服務器、存儲設備和交換機等硬件基礎設施，通過加載軟件實現功能重構和網絡智能編排，以降低設備成本、加快網絡和業務的部署速度，改變過去由專用硬件設備來部署的被動局面。

由此可見，SDN和NFV具有很強的互補性，盡管兩個概念和解決方案可以融合應用，但是并不相互依賴。SDN控制網絡的動態連接，NFV實現靈活的網絡功能，SDN和NFV可以互為使能。

多種類型的業務和多樣化的通信場景對5G網絡提出了多樣化的性能需求，而這些多樣化的性能需求顯然無法通過統一的網絡架構來保證。5G需要支持多種不同類型的業務，對應的應用場景差異很大，如mMTC的海量連接物聯網，cMTC的低時延、高可靠的車聯網和工業互聯網應用等，其安全性的要求也不相同。5G將基于SDN和功能重構的技術設計新型網絡架構，提高網絡面向5G復雜場景下的整體接入性能；基于NFV按需編排網絡資源，實現網絡切片和靈活部署，滿足端到端的業務體驗和高效的網絡運營需求。5G的NFV將從核心網向無線接入網推進，但如何有效實現無線資源虛擬化還需深入研究。

5G網絡需具備虛擬化切片的能力，使得每個網絡切片能夠適配不同的業務和通信場景，以提供合理的網絡控制和高效的資源利用。網絡切片是指將物理網絡通過虛擬化技術分割為多個相互獨立的虛擬網絡。每個網絡切片中的網絡功能可以在定制化的裁剪后，通過動態的網絡功能編排形成一個完整的、實例化的網絡架構。通過為不同的業務和通信場景創建不同的網絡切片，使得網絡可以根據不同的業務特征采用不同的網絡架構和管理機制，包括合理的資源分配方式、控制管理機制和運營商策略，從而保證通信場景中的性能需求，提高用戶體驗以及網絡資源的高效利用。

軟件定義與可編程的優點是能感知環境與業務、提供基于場景的業務和應用、方便網絡能力開放。但同時，SDN和NFV帶來了5G網絡和業務運維的新問題。5G采用通用硬件平臺，帶來了比傳統專用通信硬件的低可靠性問題，與5G服務工業互聯網、車聯網等的高可靠性矛盾。因此，還需進一步研究如何提高在通用硬件平臺上實現電信協議的可靠性，如容錯系統設計。

4.2 動態自組織網絡

在傳統的移動通信網絡中，網絡部署、運維等基本依靠人工的方式，需要投入大量的人力,給運營商帶來巨大挑戰。SON是在網絡中引入自組織能力（網絡智能化），包括自配置、自優化、自愈合等,實現網絡規劃、部署、維護、優化和排障等各個環節的自動進行,最大限度地減少人工干預，降低成本、提高效率。

從第3節得知：5G將是融合、協同的多制式共存的異構網絡。從技術上看,將存在多層、多類型無線接入技術的共存,導致網絡結構非常復雜。各種無線接入技術內部和各種覆蓋能力的網絡節點之間的關系錯綜復雜，特別是超密集組網的引入，導致無線參數的急劇增加，網絡的部署、運營、維護將成為一個極具挑戰性的工作。為了縮短建設周期、降低運營維護復雜度和成本，未來5G網絡需要SON功能,能統一實現多個異構無線接入技術、多種覆蓋層次的聯合自配置、自優化、自愈合。

4.3 移動邊緣內容與計算

筆者認為，5G的移動內容云化有兩個趨勢：從傳統的中心云到邊緣云（即移動邊緣計算），再到移動設備云。

由于智能終端和應用的普及,使得移動數據業務的需求越來越大,內容越來越多。為了加快網絡訪問速度,需要將內容存儲和分發能力下沉到無線接入網中，基于對用戶的感知，按需智能推送內容，提升用戶體驗。因此，在無線網絡中采用內容分發網絡 (content delivery network，CDN)技術成為自然的選擇，即無線基站增加計算與存儲能力，構成了分布式CDN，就是移動邊緣內容與計算（MECC）。MECC還可以開放實時的無線網絡信息，為移動用戶提供個性化、上下文相關的體驗。MECC適合應用于新興的智能應用，如增強現實、移動辦公、智能家居、物聯網和移動游戲等。

在移動社交網絡中，通常流行內容會得到在較近距離范圍內的大量移動用戶的共同關注。同時，由于技術進步，移動設備成為可以提供剩余能力（計算、存儲和上下文等）的“資源”，可以是云的一部分，即形成池化的虛擬資源，從而構成移動設備云。

4.4 安全可信的網絡空間

5G提供數據、連接和基于場景的服務，人、物與網絡高度融合的場景化時代即將來臨。現實空間與網絡空間交織發展，安全成為支撐5G健康發展的關鍵要素。

面向信息消費、工業生產、互聯網金融、教育醫療、智能交通和公共管理等典型應用場景，5G網絡需要提供安全可靠的網絡通信和服務平臺，并能夠保護用戶隱私，同時支持國家和社會維護網絡空間秩序。在傳統接入安全、傳輸安全的基礎上，5G需要實現網絡空間與現實空間的有效映射，提供滿足不同應用場景的多級別安全保證，網絡實體自身具備安全免疫能力，構建安全可信的網絡空間。

大唐電信發布的5G網絡安全白皮書[19]分析了未來5G移動寬帶系統的一些典型應用場景，站在用戶、網絡和服務平臺提供者、社會和政府的不同角度分析了5G的安全需求；提出了5G網絡安全的3個核心要素：身份可信、網絡可信和實體可信，并對主要的安全技術方向進行了研討。

5 TDD在5G中的優勢和角色[13,20]

從5G自身特點來看，TDD相比FDD更有優勢。主要原因如下。

·TDD可以利用上行信道以及下行信道的互易性、低復雜度和低成本獲取復雜無線環境下的信道信息，更好地支持大規模多天線、超密集組網等應用。

·5G系統在頻譜上需要更大的帶寬，并向更高頻段拓展，比如6 GHz及以上，TDD使用非成對的單一頻譜，更容易獲得大帶寬的新頻段或空閑頻段。因此，TDD更易于實現高頻段通信、靈活頻譜共享等應用。

·TDD更易于實時且靈活地調整上行以及下行帶寬的比例配置，更好地匹配大量下載或上傳的業務突發情況，提升系統效率。

可以預期，面向5G，TDD制式將獲得全球移動通信業界更多的關注、研究以及商用。下面介紹TD-LTE向5G演進的TDD+技術[21]及5G中TDD優勢技術[13,20]。

5.1 TDD+：向5G演進的TDD系列增強技術

3GPP在2016年初啟動5G研究，計劃將R14和R15當作5G的基礎版本，R16作為5G的正式版本。關于5G，參與3GPP的各公司的共識是“5G=LTE演進+新空口”，其中，LTE演進主要在低頻段，新空口同時包括低頻段和高頻段。

考慮到5G商用還有5年，為了實現TD-LTE網絡在滿足5G商用之前的更多需求 （如提升容量和連接數、降低時延等），TD-LTE全球聯盟（GTI）提出了 TDD+的概念[21]，系列TDD增強技術包括：TDD-FDD載波聚合、動態 TDD、全維度 MIMO、三維（3D）波束成形、LTE-Hi和機器類通信（machine type commuication，MTC），GTI將 TDD+看成是TD-LTE向5G平滑演進的橋梁。與此相關的5G中TDD優勢技術包括大規模多天線、超密集組網、高頻段通信、靈活頻譜共享和低時延高可靠等，如圖1所示。

5.2 5G中TDD優勢技術[13,20]

（1）基于TDD的大規模多天線

大規模多天線應用的一個重要假設是信道具備互易性。否則，要依靠信道測量與反饋的開銷將非常巨大，系統設計和實現都變得異常復雜。

FDD系統的頻點間相差較遠，在實際中，由于頻率選擇性問題，可能在一個頻點上某個方向能量強一些，而在另一個頻點上可能是另一個方向能量強。因此，FDD的信道互易性較差。在FDD系統中，基站側需要針對每個天線發送導頻信息，終端側需要對下行信道測量合成后反饋給基站。因此，FDD需要信道估計和反饋的導頻開銷將隨著天線數的增多而增大。基站上百根天線的導頻設計需要耗費大量的時頻資源，因此，實際應用中采用基于導頻的信道估計方式是不可取的。

TDD有天然的優勢，由于在相同的頻點發送和接收，只是時間上有區分。在實際中，認為信道是互易的。這樣，TDD系統就可以利用信道互易性進行信道估計，不需要額外的開銷進行信道估計，只需要終端側發送導頻信息，即開銷與天線數量無關。

（2）基于TDD的超密集組網

UDN主要解決熱點區域的成百倍系統容量的提升問題，通過高頻段實現短距離的高速率通信。超密集組網更適合TDD系統，主要體現在TDD模式的上行和下行靈活配置，更易于滿足超密集組網對應的上下行業務不對稱需求；TDD模式更易于小蜂窩覆蓋和靈活組網；在高頻段要獲得成對的大帶寬頻段相對困難，高頻段更適合TDD模式的應用。

圖1 TDD+所包含的系列技術和5G中TDD優勢技術

（3）基于TDD的設備直通和車聯網

D2D是指兩個對等設備間直接進行通信的方式。傳統的蜂窩用戶設備（終端）只需在上行具備發送能力及在下行具備接收能力，而D2D要求終端能在上下行的資源上同時具備發送和接收的能力，所以對于終端的能力和復雜度有很大的影響。

對于FDD系統來說，接收D2D信息的終端必須具備在上行頻段接收、解調信號的能力，終端的射頻和基帶都要升級。而對于TDD系統而言，因為上、下行使用相同的頻段，接收D2D的終端必須具備在上行時隙接收、解調信號的能力，終端的基帶要升級，但射頻不需要改動，硬件改動較小。因此，相對于FDD系統，D2D在TDD系統中的應用更有優勢。車聯網中的主要業務類型是終端之間的廣播業務，在終端構成網絡的拓撲結構為無線網狀結構，不存在統一的中央節點，收發均集中于相同的頻段上。因此，D2D和車聯網的工作方式，都更接近于蜂窩系統中的TDD模式，TDD技術將成為D2D和車聯網中的唯一技術。

（4）基于TDD的高頻段通信和動態頻譜共享

在高頻段要獲得成對的大帶寬頻段相對困難，因此高頻段更適合TDD技術的應用。現有的在高頻段工作的系統，例如IEEE 802.11ad，都是以TDD模式在工作。

無論是在機會式的空閑頻段，還是在免授權頻段，甚至是多運營共享使用的特定頻段，要找到成對的頻段是十分困難的，因此頻譜共享技術更適合采用TDD模式。

綜上分析，筆者認為TDD將是5G的主要組成部分，特別是5G新空口極可能采用TDD模式。而我國企業從TD-SCDMA到TD-LTE長期在TDD領域積累的技術、標準與產業優勢，將得到更大程度的發揮。

6 關于實現我國5G引領的建議

在技術突破、標準制定方面，我國學術界和產業界經過3G和4G近20年的積累，已具備系統創新的能力。但5G的系統要求、設計難度和應用場景復雜度等更高！在系統設計、標準制定上必然將更加復雜和關鍵！

突破5G核心技術，是取得5G國際標準制定話語權和引領產業的根本。另外，5G的競爭將不僅是通信基礎技術的競爭，而且是核心器件等基礎產業的全產業鏈競爭、面向行業應用的新產業生態競爭。

因此，在推動5G發展中，需要特別提升3個能力：系統及標準體系的設計和推動能力；基礎產業能力，包括器件、芯片、軟件等能力；垂直行業的整合及應用推廣能力（如工業互聯網、車聯網等）。

我國如何才能實現5G引領的戰略目標呢？建議采取“發揮優勢、引領標準，政策引導、率先示范，突破瓶頸、帶動行業”的整體戰略。具體描述如下。

（1）發揮優勢、引領標準

當前，我國已在從TD-SCDMA到TD-LTE的持續創新中，積累形成了TDD領域（包括多天線多流波束成形技術等）在全球的技術與產業優勢。而且依據5G的整體特點，TDD將會在5G中發揮更大的作用，大規模多天線等具有TDD應用優勢的關鍵技術將成為5G標志性技術。建議要立足發揮TDD技術優勢，確保實現對5G標準的引領。

（2）政策引導、率先示范

我國應盡早發布對國際有影響力和引導作用的產業政策，盡早為5G發布豐富優質的頻譜資源。加快推進研發、標準化和產業化等進度，率先啟動關鍵技術實驗，保證技術的先進性和完整性，提升國際影響力和標準話語權。

（3）突破瓶頸、帶動行業

發揮產業帶動作用，5G要在具有國際競爭力的TDD產業鏈、4G帶動我國集成電路技術與產業進步的基礎上，“縱向提升、橫向拓展”，即縱向提升我國基礎產業能力，突破4G仍受制約的射頻功放、濾波器等核心器件的產業瓶頸環節；橫向拓寬應用領域，如工業互聯網、車聯網等行業應用。

7 結束語

通過推動TD-SCDMA產業化，我國初步形成了基于本土企業的完整移動通信產業鏈。在4G階段，我國實現了標準同步制定、設備同平臺開發、網絡性能相當和全球商用同步，TD-LTE已發展成為全球兩大4G主流標準之一，形成了具有國際競爭力的移動通信產業鏈，特別是我國企業在TDD技術、標準和產業上具有全球競爭力。我國已具備了從“3G追趕、4G同行”到“5G引領”的基礎。況且通過分析5G的整體需求與關鍵技術特點，我國擁有優勢的TDD和多天線多流波束成形技術等將會在5G中發揮更大的作用。

我國針對5G研究成立了IMT-2020（5G）推進組，前期已經完成了對5G的需求、概念、網絡技術和無線技術的分析，且有多項成果輸入ITU獲得認可。相信在政府的指導下，通過我國企業和高校、研究所等在5G的技術突破、標準制定和樣機開發與試驗網方面的努力，有信心在“3G追趕、4G同行”的基礎上，實現中國“5G引領”的戰略目標。

參考文獻：

[1]WiMAX Forum.White paper:WiMAX advanced to harmonize with TD-LTE in the 2.3,2.5&3.5GHz bands opportunities&challenges for WiMAX2 [R/OL]. [2016-05-10].http://www.wimaxforum.com.

[2]THOMPSON J,GE X L,WU H C,et al.5G wireless communication systems: prospects and challenges [guest editorial][J].IEEE Communications Magazine,2014,52(2):62-64.

[3]IMT-2020 (5G) Promotion Group. IMT-2020 [EB/OL].[2016-05-10].http://www.IMT-2020.org.cn/.

[4]IMT-2020(5G)推進組.5G愿景與需求白皮書 [R].北京：IMT-2020,2014.IMT-2020(5G)Promotion Group.White paper of 5G vision and demand[R].Beijing:IMT-2020,2014.

[5]IMT-2020(5G)推進組.5G概念白皮書[R].北京：IMT-2020,2015.IMT-2020(5G)Promotion Group.White paper of 5G concept[R].Beijing:IMT-2020,2015.

[6]IMT-2020(5G)推進組.5G無線技術架構白皮書 [R].北京：IMT-2020,2014.IMT-2020(5G)Promotion Group.White paper of 5G wireless technology architecture[R].Beijing:IMT-2020,2014.

[7]IMT-2020(5G)推進組.5G網絡技術架構白皮書 [R].北京：IMT-2020,2015.IMT-2020(5G)Promotion Group.White paper of 5G network technology architecture[R].Beijing:IMT-2020,2015.

[8]大唐電信科技產業集團.演進、融合與創新——5G白皮書[R].北京:大唐電信科技產業集團,2013.Datang Telecom Group.Evolution、convergence and innovation——5G white paper[R].Beijing:Datang Telecom Group,2013.

[9]CHEN SZ.AdaptivebeamforminginTDD-based mobile communication systems:state of the art and 5G research directions[J].Accepted by IEEE Wireless Communications Magazine.

[10]CHEN S Z.Pattern division multiple access (PDMA)-a novel non-orthogonalmultiple accessfor5G radio networks[J].Accepted by IEEE Transactions on Vehicular Technology.

[11]DAI X M,AI X M,CHEN S Z.Successive interference cancelation amenable multiple access (SAMA)forfuture wireless communications [C]//2014 IEEE International Conference on Communication System(ICCS),November 19-21,2014,Macau,China.New Jersey:IEEE Press,2014:222-226.

[12]IMT.IMT trend from ITU-R WP5D[EB/OL].[2016-05-10].http://www.itu.org/.

[13]CHEN S Z,ZHAO J.Therequirements,challengesand technologies for 5G of terrestrial mobile telecommunication[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(5):36-43.

[14]WEBB W.Wireless communications:the future[M].New York:Wiley,2007.

[15]CHEN S Z,QIAN F,HU B,et al.User-centric ultra-dense networks for 5G:challenges,methodologies and directions[J].IEEE Wireless Communications Magazine,2016,23(2):78-85.

[16]Spectrum Efficiency Working Group.Federal communications commission spectrum policy task report[R/OL].[2016-05-10].http://transition.fcc.gov/sptf/files/SEWGFinalReport_1.pdf.

[17]YUAN G,GRAMMENOS R C,YANG Y,et al.Performance analysis of selective opportunistic spectrum access with traffic prediction [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2010,59(4):1949-1959.

[18]CHEN S Z,ZHAO J,AI M,et.al.Virtual RATs and a flexible and tailored radio access network evolving to 5G [J].IEEE Communications Magazine,2015,53(6):52-58.

[19]大唐電信科技產業集團.建設安全可信的網絡空間——5G網絡安全白皮書[R].北京：大唐電信集團,2015.Datang Telecom Group.The construction of security and trusted cyberspace——5G network security white paper[R].Beijing:Datang Telecom Group,2015.

[20]CHEN S Z.TD-LTE evolution and future 5G directions[C]//IEEE/CIC ICCC 2015,November 2-4,2015,Shenzhen,China.

[21]GTI.TDD+:bridge the gap from 4G to 5G[EB/OL].[2016-05-10].http://www.gtigroup.org/e/DownSys/doaction.php?enews=DownSoft&classid=494&id=564&pathid=0&pass=afcf4c22b9897be54ad0c 9ccfd5e0a71&p=1616.

Analysis and suggestion of future 5G directions

CHEN Shanzhi
Datang Telecom Technology and Industry Group,Beijing 100191,China

Firstly,the global research progress of 5G was briefly introduced,and the requirements and challenges of 5G were analyzed.The understanding and views on 5G were shared,and 5G was pointed out as an internet of things generation,a telecom IT generation,software definition and cloud generation,a cellular structure transition generation,and serving as a link between the past and the future generation.Then,the key technologies of 5G wireless transmission and network were also analyzed,including PDMA,UUDN and virtual RAT technologies,which were proposed by the author’s team.Particularly,the advantages of TDD in 5G was pointed,and the new air interface of 5G adopting TDD mode was predicted.At last,combined with China’s innovative experience in TD-SCDMA and TD-LTE,suggestions on how to develop 5G in China were provided.

5G,internet of things,TDD priority technology,massive MIMO,pattern division multiple access,ultra dense network,software defined networking,network function virtualization

Distinguished Young Scholar Award of National Natural Science Foundation （No.61425012）

TN929

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016185

2016-04-23；

2016-07-08

國家杰出青年科學基金資助項目（No.61425012）

陳山枝(1969-)，男，博士，大唐電信科技產業集團副總裁，電信科學技術研究院副院長，無線移動通信國家重點實驗室主任，教授級高級工程師、博士生導師，IEEE高級會員，工業和信息化部通信科技委常務委員，中國電子學會會士，中國通信學會會士。曾任國家“863”計劃專家組成員、國家科技重大專項三專家組成員等。同時擔任 《IEEE Network》《IEEE Internet of Things Journal》《通信學報》《電信科學》和 《中國通信》（China Communications） 的 編 委 ，IEEE Wireless CommunicationsMagazine和 IEEECommunications Magazine的特邀編委。曾獲2015年度國家技術發明獎二等獎、2012年度國家科學技術進步一等獎、2001年度國家科學技術進步二等獎、第九屆光華工程科技獎和2014年度中國通信學會科學技術特等獎等榮譽。目前主要研究方向為網絡體系構架、無線移動通信、物聯網。