大唐電信集團陳山枝：如何實現中國“5G引領”的戰略目標

　　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。

　　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

　　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，是大唐電信在早期SAMA(SIC amenable multiple access)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。

　　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，第5節將會有專門的分析與討論。

　　3.4 超密集組網

　　據參考文獻統計，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)。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。