对无线新技术演进的思考

向际鹰

摘要：介绍了中兴通讯对未来无线新技术走向的整体看法。认为现有的5G侯选技术仍然是在传统空间、时间、频率3种自由度的基础上做增强。而在这些增强中，需要尤其关注一些无须改变4G空口就可以直接使用的5G技术，例如大规模多输入多输出（MIMO）、超密网（UDN）等。还认为所有无线新技术都将持续演进。随着5G标准的制订，用户体验将得到本质的提升。

关键词： 多用户共享接入；超密网；大规模MIMO

1 5G的使用场景

随着移动宽带网络的发展，人们对任何场景下的全连接、扩展场景下的连接、扩展载体的连接需求越来越强烈。第4代通信技术（4G）作为针对移动手持终端和高速数据上网而优化的制式，在满足全场景应用时存在一些天然的缺陷，例如：海量、低耗电量的物联网连接，超低时延的连接（支持实时游戏、车联网）等。而超密集用户群，高质量的数据连接，新数据载体例如虚拟现实终端的需求，以及移动家庭办公所需的快速数据容量提升，这些都是目前的4G所无法满足的。因此，人们对第5代移动通信技术（5G）充满了期待。5G新场景的愿景如图1所示。

2 5G技术及Pre5G概念

我们一般认为，5G的商用将在2020年以后，目前业界对于5G尚缺乏统一的、标准的定义，但一般都认为5G将不再基于单一的关键技术（如3G的码分多址（CDMA）、4G的正交频分复用（OFDM）/多输入多输出（MIMO））等，而将基于一系列技术（又称为技术簇），如图2所示。这样的技术簇，目前至少包括大规模MIMO、超密网（UDN）、高频技术，多用户共享接入（MUSA）以及协同组网技术。同时，5G还可能包括一些当前有争议的技术，例如超Nyquist采样（FTN）、滤波器组多载波技术（FBMC）以及多元域编码等。同时，5G将是一个融合多种无线接入技术（包括现有技术研究和革命性的新技术），并包括软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）核心网的智能化网络[1]。

我们把无线新技术大致分为3类：原理性革命技术、革命型技术、演进型技术。其中原理性革命技术在5G的早期阶段研究得比较多，有很多相关技术被提出，这些技术多数宣称可以在传统的自由度（DoF），即时间、空间、频率之外发现新自由度类型，从而从根本上成倍提升通信性能。然而经过进一步理论研究后发现，上述技术本质上并没有创造新的自由度，而是原有的传统自由度的数学变型，因此在本质上不可能带来容量的提升。

一些技术理论宣称可以大幅度超越香农极限，经过研究我们一致认为：香农极限是超越具体技术的一个普适公式，类似于通信界的能量守恒定律，所有的技术都不可能超越香农极限[2]。

另外我们应当看到，所有5G侯选技术都是经典电磁学理论范围内的技术。非经典电磁理论范围的技术并不在5G时间窗内。

经过空间多信道扩展之后的香农公式如图3中所示。根据上述公式，理论容量极限主要取决于以下6个因素：

·更宽的带宽（W）。在5G中，带宽将向高频毫米波扩展。

·空间信道数（m）。可通过更多物理小区（物理空分，如5G超密网即超空集网络）。或更多天线（逻辑空分，如5G 大规模MIMO）来提升空间信道数。

·空间平衡度。可通过更好的空分算法保证空间平衡度，并确保各个空间信道尽可能正交，从而最大程度地提升通信容量。

·功率（P）。可适当提升功率，但功率的提升是有限的，因其有成本、体积、电池寿命等因素约束。

·噪声（N）。主要是热噪，由于热噪声只与环境温度有关，因此无法减少其对通信性能的影响。

·干扰（I）。与噪声不同，干扰是人为产生的，例如不同用户间的干扰，不同小区之间的干扰等。干扰具有有色性、方向性、空间选择性，这些都是我们加以利用的已知信息，通过这些已知信息，我们可以有效地降低干扰，甚至把干扰的能量利用起来为我们服务。

由此可见，在未来5G新技术中，更好的空分（包括物理空分和逻辑空分）和干扰抑制技术是关键。几乎所有的5G关键技术都是围绕这两点开展研究的。

无线新技术中的革命性技术，是指相对来说对空口改动较为巨大，但仍然基于传统自由度（空、时、频）的技术；而演进型技术是指基于目前的通信手段，做一些局部增强之后形成的技术。

对于某项技术到底是演进型还是革命型，业界有着不同的观点。中兴通讯则认为这一现象是正常的，因为大多数5G核心技术都介于演进与革命之间的边缘地带，而演进与革命其实是个主观判断，因此会存在不同观点。

为绕过“演进、革命”之争，我们从标准和实现角度，把落入5G时间窗内的技术又分为3类：4G或4G+中已有的技术；介于4G和5G之间阶段的技术，如中兴通讯提出的Pre5G技术；5G技术，相对于4G标准来说改动比较大的技术。

Pre5G技术是由中兴通讯提出的，它包含4个要素：它一定是采用5G的技术；能够带给用户远远高于4G，接近于5G的用户体验，例如成倍的吞吐率提升，成倍的延迟降低等等；商用时间点远远早于2020年；可以基于现有空口，甚至直接采用4G终端。

根据Pre5G的上述特征，我们可以较为清楚地了解Pre5G和4G+、5G之间的区别。Pre5G的性能明显超出4G+标准中的定义性能，并且不需要依赖5G的标准中定义的性能。因此，即使标准中不出现Pre5G的阶段，也会在实现层面上出现一个介于4G+和5G之间的Pre5G阶段。属于Pre5G阶段的技术有非反馈模式的大规模MIMO、MUSA以及UDN的一部分技术。

大规模MIMO是5G中最重要的核心技术之一，甚至可以说是唯一成倍提升频谱效率的技术（其他多数技术只提升空间利用效率，例如更密集地建站，使用更多的频谱资源等）。大规模MIMO的天线数量大幅高于4G，有上百根之多，通过更多的天线之间的联合发送接收可以提升系统的容量和覆盖[3]。

原理上，大规模MIMO主要有两个方面的作用：对广播信道可以形成半动态的针对性覆盖，而传统天线只能形成静态的覆盖，因此大规模MIMO的覆盖更好，更有针对性；对业务信道（PDSCH），可以形成完全动态的数字波形，从而可以大幅度提升小区容量。

仿真表明，相比于8天线，容量提升达到4～6倍之多，这是以往任何技术不能达到的。一般认为，有100倍左右的容量提升来自于更多小区和更多的频谱，只有8～10倍来自于频谱效率的提升。因此可以说大规模 MIMO的采用，使频谱效率的体验迅速达到接近5G的水平[4]。

大规模MIMO的采用使天线的端口数从传统的8个，提升到接近甚至超过100个。当天线数增加到上百个时，采用4G传统的信道反馈机制必然产生大量的开销，甚至仅仅参考信号（RS）就能占到整体资源的80%以上，为此，5G中针对信道反馈做了大量研究，达成的一个共识是：必须大幅度修改4G的信道反馈机制。进一步研究表明，在时分双工（TDD）模式下，可利用上下行对称性，通过上行的信道估计进行下行信道预测，从而在不增加反馈通道的情况下，支持上百个通道的信道测量。相比于直接反馈模式，这种方式的性能更优、更快。

2014年11月，中兴通讯联合中国移动完成了全球首个时分双工长期演进（TD-LTE 3D）/大规模MIMO基站的预商用测试。该测试由中国移动研究院发起和组织，采用中兴通讯最新研制的64端口128天线3D/大规模MIMO的基带射频一体化室外型基站。本次测试重点验证了3D/大规模MIMO对高层楼宇的全面深度覆盖的能力。

在现网中，普通的8天线垂直方向波束固定且垂直覆盖角度较小，使得高层深度覆盖差、高层干扰大、终端接收信号与干扰加噪声比（SINR）和吞吐率低，导致高层用户体验差，这已成为运营商面临的一大难题。3D/大规模MIMO天线则具有3D波束赋形能力，本次测试表明3D/大规模MIMO基站可全面深度覆盖35层的高层办公楼，且其数据吞吐率远远优于8天线基站，其中在35楼，其数据吞吐率是8天线基站的3.36倍。该测试证明3D/大规模MIMO是一种解决高层覆盖的良好技术，仅用一个站即可解决传统基站多个站才能解决的问题。

2015年1月，中兴通讯又完成了首例外场多流、多用户测试。实测表明，多流、多用户可以在同一时间段、同样的频点同时传输数据，而几乎互相不发生干扰。即使两个用户非常靠近，也不会互相干扰。无论在室外视距环境下，还是在室内散射环境下，都可以观察到这样的空分效果。测试标志着中兴通讯Pre5G和大规模MIMO的理论正确，并已经接近商用，向5G迈出坚实一步。

UDN也是5G另一项关键技术。在标准研究组中，人们研究了6种典型的UDN应用场景，例如体育馆、车站、大型办公楼等，都属于超密场景。

在4G中，小基站的数量仍然比较少，因此4G中，涉及小基站的技术更多的是关注与宏网之间的干扰（Hetnet），而没有太关注小基站间的干扰。5G UDN部署超密，因此小基站间的干扰成为主要矛盾。中兴通讯通过研究发现：小基站间的干扰抑制，在原理上可以沿用中兴通讯在4G宏网中的提出的Cloud Radio技术。我们从而可以认为5G UDN技术是中兴通讯4G Cloud Radio的一个自然演进。

这是因为，本质上Cloud Radio间的干扰与Macro-Macro干扰一样，属于同构网组网问题。中兴通讯将Cloud Radio向UDN演进，提出了虚拟基站技术。传统的小区是物理小区，基站ID用于标识小区，UE的所有通信均基于基站ID。而在虚拟基站中，基站ID变得不重要甚至消失，由网络动态生成针对特定用户的“UE ID”，在用户看来，感知上等同于有一个虚拟的逻辑站点一直跟随自己的移动，因此业务的平滑性等都有大幅度提升。

MUSA是中兴通讯提出的一项5G技术。传统的通信技术（例如4G），都是采用“正交”的方法区分用户，也就是说，不同的用户分配不同的自由度（时间、子载波、或空间），两个用户不能共享同一自由度。而MUSA则为每个用户分配一个码序列，然后把这些用户分配到同一个自由度上（时间、子载波、或空间）。与传统的3G码分多址不同，MUSA为用户分配的码可以是不能正交的，只能起到扩频的作用。那么在同一个自由度上，如何区分不同用户的信号？就需要借助于连续干扰取消（SIC）接收技术，例如对于两个用户，一个远一个近。远的用户需要被分配更多的功率，因此对近的用户干扰非常大。常规的接收机不能很好地处理这种情况，非线性的SIC接收机可以先解出远端用户的数据，进行干扰消除，从而顺利解出自己的数据。表面上看用户获得了额外的数据，但是并不违反通信规律，只是使数据的流量分配更为均衡。例如，传统通信方法只能在完全牺牲远端用户的情况下获得最大系统容量，但MUSA则可以在一个相对较宽松的条件下，保证较大的系统容量，同时保证用户之间的均衡性。

目前关于非正交通信的研究很多，中兴通讯MUSA在复杂度可控的情况下，显著提升性能。另外，由于如图4所示的码域方法，可支持大量用户接入，而且由于非正交检测原则上不需要同步，有利于提升电池寿命，因此MUSA的上行技术非常适合于移动测试中心（MTC）物联网的一系列相关应用。

此外，中兴通讯几年前投入巨资开发4G矢量处理器芯片，由于该芯片平台具有灵活的可软件扩展架构以及超强的处理能力，所以能够在硬件不变的条件下，只简单地调整指令集，就可以更好地满足Pre5G甚至5G的要求。

3其他5G技术

大规模MIMO在Pre5G阶段，主要基于TDD信道对称性，采用非反馈模式；而到5G阶段，它可以不依赖于信道对称性，采用反馈模式。中兴通讯在5G大规模MIMO技术中，主要研究反馈信息的压缩感知，并取得了不少成果。简单地说，压缩感知就是利用信道在时域、频域、空域上的稀疏性，对RS、PMI等信息进行压缩和还原。从而在可以接受的开销下，传送上百个天线的信道信息。

对于高频通信，由于衰落特点、多径特点不同，空口定义需要进行相应调整，例如为了适应更大的多普勒频移，我们需要采用更宽的子载波。相应地，子载波数减小，符号减少，循环前缀（CP）也需要有所减少。中兴通讯针对高频空口作了深入的分析，已经提出一些提案供业界讨论。有一种观点认为，高频虽然路损大，但天线尺寸小，因此可以补偿路损。中兴通讯则认为，衰减因子n往往大于2，因此天线数量上的优势并不足以弥补路损。还要考虑到在相同面积下，天线数量需要按平方数增加，由此带来平方倍的复杂度。所以在以覆盖为目的的应用场景下，仍然是尽可能低频，即使是传统的大于6G的高频，也需要尽量地选择靠近6G的一些频谱。

面对5G的核心需求，传统链路自适应技术已经无法满足其发展，而新的编码调制与链路自适应技术可以显著地提高系统容量，减少传输延迟，提高传输可靠性，并增加用户的接入数目。中兴通讯提出了软链路自适应（SLA）、物理层包编码（PLPC）、吉比特超高速译码器技术（GHD）等。

SLA技术提高了信道预测和反馈方法的准确性，解决了开环链路自适应（OLLA）的周期较长、干扰突发对性能的影响，以及5G各种新场景对服务质量（QoS）的差异化需求（低延迟或超可靠或高吞吐量或高速移动）等问题。

物理层包编码技术可以有效地解决大数据包与小编码块之间的矛盾。GHD技术可以显著地提高单用户的速度，满足5G需要支持超高速用户数据速率的要求。

传统电信网络专用设备较多，相比IT网络则存在着更高昂的建设费用，更庞杂的运维开支和更封闭的业务形式，使运营商在“收”、“支”两端都面临窘境。近几年兴起的NFV和SDN技术让运营商看到了曙光。

NFV的技术基础是虚拟化技术。虚拟化技术提供了将一套服务器的相关资源（如计算、存储和网络）虚拟化成多个不同虚拟机并为不同的用户使用的手段。在电信网络中引入虚拟化技术，可以实现电信网络硬件资源的共享，提升硬件资源的利用率，也为快速引入第三方新业务开启了一道方便之门。电信网络功能本身支持虚拟化后，与专用硬件设备解除了耦合关系，使得电信网络采用IT化、通用化硬件资源成为可能，有利于运营商降低硬件采购成本。

SDN技术源于IP网络的路由控制，它通过将路由设备的控制和转发相分离，将网络中大量路由器繁杂的路由配置工作转化成通过控制器集中式配置并下发到转发面执行的方式，极大简化了网络路由维护工作。同时SDN还可以通过开放北向接口使第三方应用方便地控制网络中的业务路由。

在电信网络中引入SDN技术，不但可以提升网络部署的自动化能力，实现基于业务的灵活组件调度，同时通过在移动网络节点（如SAE GW）内部引入SDN化理念，还可以有效促进整个网络的扁平化，提升报文转发的效率。

4结束语

文章综述了未来可能得到应用的5G候选技术，并从理论上分析了上述技术取得提升的原理，重点分析了一些不需要依赖于空口改动的5G技术。这些技术可以提前在4G的时间窗内进行部署。同时对于其他5G技术，也进行了简要介绍。认为现有的5G候选技术仍然是在传统空间、时间、频率3种自由度的基础上做增强。而在这些增强中，需要尤其关注一些无须改变4G空口就可以直接使用的5G技术。

参考文献

[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，张治中，程方，胡昊南. 第五代移动通信网络体系架构及其关键技术[J]. 重庆邮电大学学报（自然科学版）， 2014， 26（4）： 427-433

[3] 李方健. D2D通信系统中的最优中继选择及功率分配策略研究[J]. 重庆邮电学报（自然科学版）， 2014， 26（5）： 605-610

[4] 曹卫东， 张涛，李福昌. Small Cell网络部署策略及技术演进研究[J]. 2014， （10）： 37-42