大唐电信集团陈山枝：如何实现中国“5G引领”的战略目标

　　随着关键技术的突破，特别是射频器件和天线等技术的进步，使多达100个以上天线端口的大规模多天线技术在5G应用成为可能，是目前业界公认为应对5G在系统容量、数据速率等方面挑战的标志技术之一。在实际应用中，通过使用大规模多天线阵列，基站可以在三维空间形成具有更高空间分辨率的高增益窄细波束，从而实现更灵活的空间复用能力和改善接收端接收信号，并且更窄波束可以大幅度降低用户间干扰，从而实现更高的系统容量和频谱利用效率。

　　大规模多天线技术在5G中的潜在应用场景包括宏覆盖、高层建筑、异构网络、室内外热点及无线回传链路等。在广域覆盖场景，大规模多天线技术可以利用现有频段;在热点覆盖或回传链路等场景中，则可以考虑使用更高频段。

　　当前，大规模多天线技术面临的挑战包括：基带运算的复杂度、处理时间和成本问题;信道测量性能和信道状态信息反馈的导频开销问题;相位噪声与校正问题等。主要研究方向包括：高效信号处理技术、信道建模及系统性能分析技术、信道状态信息获取技术、成形码本的设计、多用户调度与资源管理技术、大规模有源阵列天线技术、覆盖增强技术以及高速移动解决方案。

　　包括大唐电信在内的我国企业从TD-SCDMA开始，首次在全球将智能天线波束成形技术引入蜂窝移动通信系统，并且在TD-LTE中拓展到8天线多流波束成形技术，实现了波束成形与空间复用的深度融合，在国际上领先，且已经在全球商用，性能得到业界认可。目前大部分商用FDD LTE仍采用2天线(部分采用4天线)。在多天线技术方面，FDD落后于TDD。可见，TD-LTE的多天线多流波束成形技术成果为我国企业在5G大规模多天线及波束成形的技术研究、标准与产业上取得了先机。

　　3.2 5G新型多址接入技术：PDMA

　　多址接入技术是解决多用户进行信道复用的技术手段，是移动通信系统的基础性传输方式，关系到系统容量、小区构成、频谱和信道利用效率以及系统复杂性和部署成本，也关系到设备基带处理能力、射频性能和成本等工程问题。多址接入技术可以将信号维度按照时间、频率或码字分割为正交或者非正交的信道，分配给用户使用。历代移动通信系统都有其标志性的多址接入技术作为其革新换代的标志。例如：1G的模拟频分多址接入(FDMA)技术;2G的时分多址接入(TDMA)和频分多址接入(FDMA)技术;3G的码分多址接入(CDMA)技术;4G的正交频分复用(OFDM)技术。1G到4G采用的都是正交多址接入技术。对于正交多址接入，用户在发送端占用正交的无线资源，接收端易于使用线性接收机来进行多用户检测，复杂度较低，但系统容量会受限于可分割的正交资源数目。从单用户信息论角度，LTE的单链路性能已接近点对点信道容量，提升空间十分有限;若从多用户信息论角度，非正交多址技术还能进一步提高频谱效率，也是逼近多用户信道容量上界的有效手段。

　　因此，若继续采用传统的正交多址接入技术，难以实现5G需要支持的大容量和海量连接数。理论上，非正交多址接入将突破正交多址接入的容量极限，能够依据多用户复用倍数来成倍地提升系统容量。非正交多址接入需要在接收端引入非线性检测来区分用户，得益于器件和集成电路的进步，目前非正交已经从理论研究走向实际应用。

　　图样分割多址接入(pattern division multiple access，PDMA)技术，是大唐电信在早期SAMA(SIC amenable multiple access)研究基础上提出的一种新型非正交多址接入技术，它采用发送端与接收端联合优化设计的思想，将多个用户的信号通过PDMA编码图样映射到相同的时域、频域和空域资源进行复用叠加传输，这样可以大幅度地提升用户接入数量。接收端利用广义串行干扰删除算法实现准最优多用户检测，逼近多用户信道容量界，实现通信系统的整体性能最优。PDMA技术可以应用于通信系统的上行链路和下行链路，能够提升移动宽带应用的频谱效率和系统容量，支持5G海量物联网终端接入。PDMA技术自提出就受到了业界的广泛关注，2014年，PDMA技术被写入ITU的新技术报告IMT.Trend。

　　大唐电信对PDMA的仿真评估表明：PDMA能够使得系统下行频谱效率提升50%以上，上行频谱效率提升100%以上;采用PDMA与OFDM结合的接入方式时，能支持的终端接入数量，相对于4G提升5倍以上。目前，大唐电信正在开发PDMA原型系统。

　　3.3 双工模式

　　双工模式是指如何实现信号的双向传输。时分双工(TDD)是通过时间分隔实现信号的发送及接收;频分双工(FDD)是利用频率分隔实现信号的发送及接收。从1G到4G，GSM、CDMA、WCDMA和FDD LTE都是FDD系统，我国企业主导的TD-SCDMA和TD-LTE都是TDD系统。最新的研究方向是全双工。

　　全双工是指同时、同频进行双向通信，即无线通信设备使用相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，理论上可使无线通信链路的频谱效率提高1倍。由于收发同时同频，全双工发射机的发射信号会对本地接收机产生干扰。根据典型蜂窝移动通信系统不同的覆盖半径，天线接头处收发信号功率差通常在100~150 dB，如何简单有效地消除如此大的自干扰是个难题，还有邻近小区的同频干扰问题以及工程实现上的电路小型化问题。目前实现自干扰抑制主要有空域、射频域和数字域联合等技术方案，研究以高校的理论分析和技术试验为主，还没有成熟的产品样机和应用。另外，全双工在解决无线网络中的某些特殊问题时有优势，如隐藏终端问题和多跳无线网络端到端时延问题。

　　灵活双工是指能够根据上下行业务变化情况，灵活地分配上下行的时间和频率资源，更好地适应非均匀、动态变化或突发性的业务分布，有效提高系统资源的利用率。灵活双工可以通过时域、频域的方案实现，若在时域实现，就是同一频段上下行时隙可灵活配比，也就是TDD方案;若在频域实现，则存在多于两个频段时，可以灵活配比上下行频段;若在传统FDD上下行的两个频段中，上行频段的时隙配置实现可灵活时隙配比，则是TDD与FDD融合方案，可应用于低功率节点，但这需要调研各国频率政策，分析现有政策是否允许此方式。

　　目前产业界公认在LTE演进上主要定位TDD+，认为在5G低频段将采用FDD和TDD，在高频段更宜采用TDD。由于TDD模式能更好地支持5G关键技术(如大规模多天线、高频段通信等)。笔者预测，全双工在5G上的应用将有限，TDD和FDD都会得到应用且融合发展，但TDD在5G解决大容量和高频段中会起到主导应用，而且5G新空口极可能采用TDD模式，第5节将会有专门的分析与讨论。

　　3.4 超密集组网

　　据参考文献统计，在1950-2000年的50年间，相对于语音编码和调制等物理层技术进步带来不到10倍的频谱效率提升和采用更大的频谱带宽带来的传输速率几十倍的提升, 通过缩小小区半径(即频谱资源的空间复用)，带来的频谱效率可以提升2 700倍以上。可见，网络密集化是5G应对移动数据业务大流量和剧增系统容量需求的重要手段之一。网络密集程度可以用单位面积内部署的天线数量来定义，有两种手段可以实现：多天线系统(大规模多天线或分布式天线系统等)和小小区的密集部署。后者就是超密集组网，即通过更加“密集化”的基站部署，单个小区的覆盖范围大大缩小，以获得更高的频率复用效率，从而在局部热点区域提升系统容量达百倍。典型应用场景主要包括办公室、密集住宅、密集街区、校园、大型集会、体育场、地铁和公寓等。

　　随着小区部署密度的增加，超密集组网将面临许多新的技术挑战，如回传链路、干扰、移动性、站址、传输资源和部署成本等。为了实现易部署、易维护、用户体验佳，超密集组网的研究方向包括小区虚拟化、自组织自优化、动态TDD、先进的干扰管理和先进的联合传输等。笔者提出了以用户为中心的超密集组网(UUDN)。UUDN突破传统以网络为中心的理念，基于去蜂窝化的思想，采用更加贴近用户的本地控制管理中心构建以用户为中心的虚拟伴随小区，通过高效的移动性管理，实现网随用户动。同时，系统智能感知用户需求和网络状态，按需选择合理的接入方式和传输方式，实现以用户为中心的业务传输。另外，以用户为中心的超密集网络还引入了先进的干扰管理、灵活的无线回传、智能的网络编排、网络自优化等先进特性，以提升网络容量和区域频谱效率，降低部署和维护成本，提升用户体验。

　　3.5 先进的频谱利用技术

　　(1)高频段无线传输技术

　　目前，蜂窝移动通信系统工作频段主要在3 GHz以下，用户数的增加和更高通信速率的需求，使得频谱资源十分拥挤，而在6 GHz以上高频段具有连续的大带宽频谱资源。目前产业界研究6~100 GHz的频段(称为毫米波，mmWave)来满足5G对更大容量和更高速率的需求，传送高达10 Gbit/s甚至更高速率的数据业务。

　　高频通信已应用在军事通信和无线局域网方面，但在蜂窝通信领域的应用研究尚处于起步阶段。频段越高，信道传播路径损耗越大，因此小区覆盖半径将大大缩小。在一定区域内基站数量将大大增加，即形成UDN。高频信道与传统蜂窝频段信道有明显差异，存在如传播损耗大、穿透能力有限、信道变化快、绕射能力差和移动性支持能力受限等问题，需要深入研究高频信道的测量与建模、高频新空口和组网技术。另外，研制大带宽、低噪声、高效率、高可靠性、多功能和低成本的高频器件，仍是产业化的瓶颈，而我国产业在此方面差距更大。