大唐電信集團(tuán)陳山枝：如何實(shí)現(xiàn)中國(guó)“5G引領(lǐng)”的戰(zhàn)略目標(biāo)

　　無線移動(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(xí)和工作方式以及政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各方面都帶來了巨大的影響。

　　1、引言

　　20世紀(jì)末，中國(guó)提出的TD-SCDMA被國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)接納成為三大3G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)通信歷史上的百年突破。隨后，我國(guó)企業(yè)主導(dǎo)并擁有核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-LTE-Advanced(以下簡(jiǎn)稱TD-LTE)，成為全球兩大4G主流標(biāo)準(zhǔn)之一。目前，已有43個(gè)國(guó)家和地區(qū)推出了67個(gè)TD-LTE商用網(wǎng)絡(luò)，TD-LTE基站數(shù)達(dá)140萬(wàn)套，占4G基站總數(shù)的43%;TD-LTE用戶數(shù)達(dá)4.7億戶，占全球4G用戶總數(shù)的40%。TD-LTE在與美國(guó)企業(yè)主導(dǎo)的WiMAX的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中勝出，全球90%的WiMAX網(wǎng)絡(luò)將升級(jí)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通過了4G標(biāo)準(zhǔn)之后，通信業(yè)界開始研究5G。各國(guó)成立了專門組織推進(jìn)5G研究，爭(zhēng)搶新一輪技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)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(yù)研項(xiàng)目，并成立了5GPPP;韓國(guó)成立了5G Forum等;美國(guó)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)專題。

　　2013年2月，我國(guó)由工業(yè)和信息化部(以下簡(jiǎn)稱工信部)、科技部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱國(guó)家發(fā)展改革委)等發(fā)起成立IMT-2020(5G)推進(jìn)組，目標(biāo)是在“3G突破、4G同步”的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)“5G引領(lǐng)”全球。為配合該目標(biāo)，國(guó)家“863”計(jì)劃、國(guó)家重大科技專項(xiàng)及地方政府等分別設(shè)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、無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分析，且有多項(xiàng)成果輸入ITU。

　　我國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組分析了驅(qū)動(dòng)5G發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)兩類業(yè)務(wù)需求，提出了包括6項(xiàng)性能指標(biāo)和3項(xiàng)效率指標(biāo)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5G主要應(yīng)用場(chǎng)景。ITU將5G需求和應(yīng)用場(chǎng)景主要分為3類：增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶(eMBB)(將我國(guó)提出的廣域覆蓋、熱點(diǎn)覆蓋歸為此類)、海量連接的機(jī)器類通信(mMTC)、超可靠和低時(shí)延通信(cMTC)。同時(shí)定義了8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，表1中列出了5G相對(duì)4G的各個(gè)關(guān)鍵能力提升的倍數(shù)。

　　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(qiáng)能力的空中接口技術(shù)，而且是面向用戶體驗(yàn)、業(yè)務(wù)應(yīng)用和行業(yè)應(yīng)用的智能無線網(wǎng)絡(luò)。需要指出的是，5G對(duì)應(yīng)的是多種不同應(yīng)用場(chǎng)景，需要的是一組不同能力指標(biāo)，即表1中的所有指標(biāo)不是也不可能同時(shí)滿足和達(dá)到。上述5G的速率、流量密度、連接密度等關(guān)鍵指標(biāo)要求帶來了在技術(shù)、頻率、運(yùn)營(yíng)等方面的巨大挑戰(zhàn)。

　　2、關(guān)于5G的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

　　(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(yīng)用的角度，5G具有三大特點(diǎn)：大數(shù)據(jù)、海量連接和場(chǎng)景體驗(yàn)，滿足未來更廣泛的數(shù)據(jù)和連接業(yè)務(wù)需要，提升用戶體驗(yàn)。

　　數(shù)據(jù)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(jì)元，一個(gè)由數(shù)據(jù)和連接傳遞信息、思想和創(chuàng)新的全新時(shí)代。5G將應(yīng)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(tái)化趨勢(shì)，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)以及軟件定義無線電的無線接入空口，實(shí)現(xiàn)5G可編程的核心網(wǎng)和無線接口。SDN和NFV將引起5G的IT化，包括硬件平臺(tái)通用化、軟件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化、核心技術(shù)IP化。運(yùn)營(yíng)商能在通用硬件基礎(chǔ)上加載專用軟件實(shí)現(xiàn)5G設(shè)備運(yùn)行，IT化對(duì)于傳統(tǒng)電信設(shè)備制造商將是一個(gè)挑戰(zhàn)。就像Google(谷歌)和百度等定制服務(wù)器一樣，給IBM和HP等傳統(tǒng)服務(wù)器廠商帶來挑戰(zhàn)。

　　(3)5G是云化的一代

　　5G的云化趨勢(shì)包括：基帶處理能力的云化(云架構(gòu)的RAN，即C-RAN)、采用移動(dòng)邊緣內(nèi)容與計(jì)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，通過大規(guī)模的基帶處理池為成百上千個(gè)遠(yuǎn)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(tǒng)的靈活性，方便升級(jí)。C-RAN減少了基站機(jī)房數(shù)量，可以大幅度降低建設(shè)和運(yùn)維成本，同時(shí)還能大幅度降低能耗。但存在的問題與挑戰(zhàn)是BBU與RRU間的前傳(fronthaul)帶寬開銷大(以LTE為例，3個(gè)扇區(qū)的單個(gè)小區(qū)的帶寬就在16 Gbit/s左右)以及引起的額外時(shí)延問題。

　　5G將采用MECC，即在靠近移動(dòng)用戶的位置上提供IT服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力，使應(yīng)用、服務(wù)和內(nèi)容部署在分布式移動(dòng)環(huán)境中，針對(duì)資源密集的應(yīng)用(如圖像、視頻、制圖等)，將計(jì)算和存儲(chǔ)卸載到無線接入網(wǎng)，從而降低了對(duì)通信帶寬的開銷，并提高了實(shí)時(shí)性。

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

　　(4)5G是蜂窩結(jié)構(gòu)變革的一代

　　從1G到4G都是基于傳統(tǒng)的蜂窩系統(tǒng)，即形狀是基本規(guī)則(六邊形)的蜂窩小區(qū)組網(wǎng)，且是一個(gè)干擾受限系統(tǒng)。目前，密集高層辦公樓宇、住宅和場(chǎng)館等城市熱點(diǎn)區(qū)域承載了70%以上的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為了解決容量和干擾問題，新技術(shù)不斷引入，如分布式天線、多輸入多輸出(MIMO)、多用戶檢測(cè)、基站間協(xié)作(CoMP)和中繼等。而熱點(diǎn)區(qū)域的家庭基站、無線中繼站、小小區(qū)基站和分布式天線等(統(tǒng)稱異構(gòu)基站)大多數(shù)呈非規(guī)則、無定形部署特性和層疊覆蓋，形成了異構(gòu)分層無線網(wǎng)絡(luò)。

　　結(jié)合虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(qū)的概念。VRAN就是可以在一個(gè)物理設(shè)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，傳統(tǒng)單層規(guī)則的蜂窩小區(qū)概念已不存在，移動(dòng)通信首次出現(xiàn)了去蜂窩的趨勢(shì)，5G將是蜂窩結(jié)構(gòu)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(dá)到極致;1998年提出的3G最初目標(biāo)是解決多媒體通信(如視頻通信)，但2005年后出現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入的重大應(yīng)用需求，不過解決得不好;LTE對(duì)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)問題。

　　筆者認(rèn)為，目前呈現(xiàn)的是“1G短、2G長(zhǎng)、3G短、4G長(zhǎng)”的特征，那5G呢?5G的目標(biāo)是要解決萬(wàn)物互聯(lián)，但目前還沒有得到垂直行業(yè)(物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等)的正面回應(yīng)。因此，未來需求到底是什么?產(chǎn)業(yè)生態(tài)是什么?現(xiàn)在都只是通信技術(shù)專家們的設(shè)想，正如1998年提出的3G。因此，5G極有可能與3G類似，是一個(gè)相對(duì)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無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)

　　從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)看，5G無線接入技術(shù)涉及幀結(jié)構(gòu)、雙工模式、波形、多址接入、編碼調(diào)制、天線、接入控制協(xié)議等。大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱大唐電信)在2013年發(fā)布了5G白皮書，隨后我國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組梳理了5G無線側(cè)關(guān)鍵技術(shù)，主要有大規(guī)模多天線、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(diào)制、新型多載波、M2M、D2D(device to device)、靈活雙工、全雙工共12項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　當(dāng)前5G關(guān)鍵技術(shù)開始收斂。筆者認(rèn)為：大規(guī)模多天線和新型多址接入技術(shù)可以提升頻譜效率，構(gòu)成“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)”確保用戶體驗(yàn)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(yīng)用范圍，將成為5G物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng))的關(guān)鍵使能技術(shù)。

　　3.1 大規(guī)模多天線

　　傳統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)主要是挖掘時(shí)域與頻域資源，20世紀(jì)90年代，Turbo碼的出現(xiàn)使信息傳輸速率幾乎達(dá)到了香農(nóng)極限。多天線技術(shù)將信號(hào)處理從時(shí)域和頻域擴(kuò)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(shù)經(jīng)歷了從無源到有源，從二維到三維，從高階MIMO到大規(guī)模陣列天線的發(fā)展。

　　從香農(nóng)信息論可知，從1G到3G，通過調(diào)制與編碼等技術(shù)進(jìn)步來提高信噪比實(shí)現(xiàn)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(tǒng)容量與天線數(shù)成正比，即增加天線數(shù)可以線性地增加系統(tǒng)容量。當(dāng)基站側(cè)天線數(shù)遠(yuǎn)大于用戶天線數(shù)時(shí)，基站到各個(gè)用戶的信道將趨于正交。此時(shí)，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(gè)用戶的信噪比，從而能在相同的時(shí)域和頻域資源中共同調(diào)度更多用戶。