大唐电信集团陈山枝：如何实现中国“5G引领”的战略目标

　　无线移动通信在20多年里得到了飞速的发展，给人们的生活、学习和工作方式以及政治、经济、社会等各方面都带来了巨大的影响。

　　1、引言

　　20世纪末，中国提出的TD-SCDMA被国际电信联盟(ITU)接纳成为三大3G国际标准之一，实现了中国通信历史上的百年突破。随后，我国企业主导并拥有核心知识产权的TD-LTE-Advanced(以下简称TD-LTE)，成为全球两大4G主流标准之一。目前，已有43个国家和地区推出了67个TD-LTE商用网络，TD-LTE基站数达140万套，占4G基站总数的43%;TD-LTE用户数达4.7亿户，占全球4G用户总数的40%。TD-LTE在与美国企业主导的WiMAX的产业竞争中胜出，全球90%的WiMAX网络将升级到TD-LTE。TD-LTE已成为全球TDD技术共同演进的方向，发展空间巨大。

　　自2012年初WRC-12上ITU通过了4G标准之后，通信业界开始研究5G。各国成立了专门组织推进5G研究，争抢新一轮技术和标准的影响力和制高点。例如，欧盟启动了METIS、5GNOW等多个5G预研项目，并成立了5GPPP;韩国成立了5G Forum等;美国和日本也启动了5G研究。《IEEE Communications Magazine》在2014年2月和5月出版了两期关于5G的技术专题。

　　2013年2月，我国由工业和信息化部(以下简称工信部)、科技部、国家发展和改革委员会(以下简称国家发展改革委)等发起成立IMT-2020(5G)推进组，目标是在“3G突破、4G同步”的基础上，实现“5G引领”全球。为配合该目标，国家“863”计划、国家重大科技专项及地方政府等分别设置了5G相关研究课题。IMT-2020(5G)推进组前期完成了5G的需求、概念、无线技术和网络技术的分析，且有多项成果输入ITU。

　　我国IMT-2020(5G)推进组分析了驱动5G发展的移动互联网和移动物联网两类业务需求，提出了包括6项性能指标和3项效率指标的“5G需求之花”，定义了广域覆盖、热点覆盖、低功耗大连接物联网和低时延高可靠物联4类5G主要应用场景。ITU将5G需求和应用场景主要分为3类：增强的移动宽带(eMBB)(将我国提出的广域覆盖、热点覆盖归为此类)、海量连接的机器类通信(mMTC)、超可靠和低时延通信(cMTC)。同时定义了8项关键技术指标，表1中列出了5G相对4G的各个关键能力提升的倍数。

　　事实上，5G不再仅仅是上面分析到的更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，而且是面向用户体验、业务应用和行业应用的智能无线网络。需要指出的是，5G对应的是多种不同应用场景，需要的是一组不同能力指标，即表1中的所有指标不是也不可能同时满足和达到。上述5G的速率、流量密度、连接密度等关键指标要求带来了在技术、频率、运营等方面的巨大挑战。

　　2、关于5G的几点认识

　　(1)5G是万物互联、连接场景的一代

　　5G是移动通信从1G到4G主要以人与人通信为主，跨越到人与物、物与物通信的时代。5G是万物互联和连接场景的时代。从业务和应用的角度，5G具有三大特点：大数据、海量连接和场景体验，满足未来更广泛的数据和连接业务需要，提升用户体验。

　　数据和连接是信息社会的时代特征。全球化将进入一个新纪元，一个由数据和连接传递信息、思想和创新的全新时代。5G将应时而生。

　　(2)5G是电信IT化、软件定义的一代

　　5G将是全新一代的移动通信技术，5G网络呈软件化、智能化、平台化趋势，是通信技术(CT)与信息技术(IT)的深度融合，是电信IT化的时代。

　　软件定义的5G，包括采用通过软件定义网络(software defined networking，SDN)和网络功能虚拟化(network function virtualization，NFV)以及软件定义无线电的无线接入空口，实现5G可编程的核心网和无线接口。SDN和NFV将引起5G的IT化，包括硬件平台通用化、软件实现平台化、核心技术IP化。运营商能在通用硬件基础上加载专用软件实现5G设备运行，IT化对于传统电信设备制造商将是一个挑战。就像Google(谷歌)和百度等定制服务器一样，给IBM和HP等传统服务器厂商带来挑战。

　　(3)5G是云化的一代

　　5G的云化趋势包括：基带处理能力的云化(云架构的RAN，即C-RAN)、采用移动边缘内容与计算(mobile edge content and computing，MECC)、终端云化。

　　C-RAN是将多个基带处理单元(baseband unit， BBU)集中起来，通过大规模的基带处理池为成百上千个远端射频单元(remote radio unit，RRH)服务。此时，基带处理能力是云化的虚拟资源。逻辑集中的控制增加了系统的灵活性，方便升级。C-RAN减少了基站机房数量，可以大幅度降低建设和运维成本，同时还能大幅度降低能耗。但存在的问题与挑战是BBU与RRU间的前传(fronthaul)带宽开销大(以LTE为例，3个扇区的单个小区的带宽就在16 Gbit/s左右)以及引起的额外时延问题。

　　5G将采用MECC，即在靠近移动用户的位置上提供IT服务环境和云计算能力，使应用、服务和内容部署在分布式移动环境中，针对资源密集的应用(如图像、视频、制图等)，将计算和存储卸载到无线接入网，从而降低了对通信带宽的开销，并提高了实时性。

　　5G的终端云化，随着集成电路技术的进步，未来移动终端能力和资源(包括计算、存储、传感等)将得到大幅提升，也可以实现本地资源共享和云化，特别是在社交网络应用中。

　　(4)5G是蜂窝结构变革的一代

　　从1G到4G都是基于传统的蜂窝系统，即形状是基本规则(六边形)的蜂窝小区组网，且是一个干扰受限系统。目前，密集高层办公楼宇、住宅和场馆等城市热点区域承载了70%以上的无线分组数据业务。为了解决容量和干扰问题，新技术不断引入，如分布式天线、多输入多输出(MIMO)、多用户检测、基站间协作(CoMP)和中继等。而热点区域的家庭基站、无线中继站、小小区基站和分布式天线等(统称异构基站)大多数呈非规则、无定形部署特性和层叠覆盖，形成了异构分层无线网络。

　　结合虚拟网络运营商(virtual network operator, VNO)需求，产生了虚拟接入网(virtual RAN, VRAN)与虚拟小区的概念。VRAN就是可以在一个物理设备上按需产生多个RAN实例，5G提供了RAN即服务(RAN-as-a-service，RANaaS)。

　　可见，传统单层规则的蜂窝小区概念已不存在，移动通信首次出现了去蜂窝的趋势，5G将是蜂窝结构变革的一代。

　　(5)5G是承前启后和探索的一代

　　移动通信技术更新约10年一代。1G的目的是要解决语音通信，但语音质量与安全性都不好;到2G时，GSM和CDMA在解决语音通信方面达到极致;1998年提出的3G最初目标是解决多媒体通信(如视频通信)，但2005年后出现移动互联网接入的重大应用需求，不过解决得不好;LTE对移动互联网接入需求的解决是到位的，但又面临语音通信(VoLTE)问题。

　　笔者认为，目前呈现的是“1G短、2G长、3G短、4G长”的特征，那5G呢?5G的目标是要解决万物互联，但目前还没有得到垂直行业(物联网、工业互联网等)的正面回应。因此，未来需求到底是什么?产业生态是什么?现在都只是通信技术专家们的设想，正如1998年提出的3G。因此，5G极有可能与3G类似，是一个相对短暂的一代。但有一点是肯定的，5G将是有探索价值的一代，是移动通信历史上迈向万物互联的承前启后的一代。

　　3、5G无线传输关键技术

　　从技术标准架构看，5G无线接入技术涉及帧结构、双工模式、波形、多址接入、编码调制、天线、接入控制协议等。大唐电信科技产业集团(以下简称大唐电信)在2013年发布了5G白皮书，随后我国IMT-2020(5G)推进组梳理了5G无线侧关键技术，主要有大规模多天线、新型多址接入、超密集组网、高频段通信、低时延高可靠物联网、灵活频谱共享、新型编码调制、新型多载波、M2M、D2D(device to device)、灵活双工、全双工共12项关键技术。

　　当前5G关键技术开始收敛。笔者认为：大规模多天线和新型多址接入技术可以提升频谱效率，构成“任何时间、任何地点”确保用户体验的关键技术;超密集组网和高频段通信技术可以提升热点流量和传输速率，基于LTE-Hi演进技术的能力提升;低时延高可靠物联网技术可以拓展业务应用范围，将成为5G物联网应用(如工业互联网、车联网)的关键使能技术。

　　3.1 大规模多天线

　　传统的无线传输技术主要是挖掘时域与频域资源，20世纪90年代，Turbo码的出现使信息传输速率几乎达到了香农极限。多天线技术将信号处理从时域和频域扩展到空间域，从而提高了无线频谱效率和传输可靠性。多天线技术经历了从无源到有源，从二维到三维，从高阶MIMO到大规模阵列天线的发展。

　　从香农信息论可知，从1G到3G，通过调制与编码等技术进步来提高信噪比实现容量提升的方法已接近极限，但MIMO技术可以在空间域上进一步有效地提高信噪比。理论上，MIMO系统容量与天线数成正比，即增加天线数可以线性地增加系统容量。当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交。此时，用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将有效地提升每个用户的信噪比，从而能在相同的时域和频域资源中共同调度更多用户。