大唐電信集團(tuán)陳山枝：發(fā)展5G的分析與建議

　　1 引言

　　無(wú)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(lái)了巨大的影響。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(chēng)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(guò)了4G標(biāo)準(zhǔn)之后，通信業(yè)界開(kāi)始研究5G。各國(guó)成立了專(zhuān)門(mén)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(zhuān)題。

　　2013年2月，我國(guó)由工業(yè)和信息化部(以下簡(jiǎn)稱(chēng)工信部)、科技部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(zhuān)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(wú)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(lèi)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(lèi)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(lèi)：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(lèi))、海量連接的機(jī)器類(lèi)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(wú)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(lái)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(lái)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(guò)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(wú)線電的無(wú)線接入空口，實(shí)現(xiàn)5G可編程的核心網(wǎng)和無(wú)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(zhuān)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(lái)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(lái)，通過(guò)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(wèn)題與挑戰(zhàn)是BBU與RRU間的前傳(fronthaul)帶寬開(kāi)銷(xiāo)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(wèn)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(wú)線接入網(wǎng)，從而降低了對(duì)通信帶寬的開(kāi)銷(xiāo)，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(lái)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(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。為了解決容量和干擾問(wèn)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(wú)線中繼站、小小區(qū)基站和分布式天線等(統(tǒng)稱(chēng)異構(gòu)基站)大多數(shù)呈非規(guī)則、無(wú)定形部署特性和層疊覆蓋，形成了異構(gòu)分層無(wú)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(jiàn)，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(guò)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(wèn)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(méi)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(lái)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(zhuān)家們的設(shè)想，正如1998年提出的3G。因此，5G極有可能與3G類(lèi)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(wú)線傳輸關(guān)鍵技術(shù)

　　從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)看，5G無(wú)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(chēng)大唐電信)在2013年發(fā)布了5G白皮書(shū)，隨后我國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組梳理了5G無(wú)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(kāi)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(chē)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(wú)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(wú)線頻譜效率和傳輸可靠性。多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無(wú)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(guò)調(diào)制與編碼等技術(shù)進(jìn)步來(lái)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。

　　隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，特別是射頻器件和天線等技術(shù)的進(jìn)步，使多達(dá)100個(gè)以上天線端口的大規(guī)模多天線技術(shù)在5G應(yīng)用成為可能，是目前業(yè)界公認(rèn)為應(yīng)對(duì)5G在系統(tǒng)容量、數(shù)據(jù)速率等方面挑戰(zhàn)的標(biāo)志技術(shù)之一。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)使用大規(guī)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(xì)波束，從而實(shí)現(xiàn)更靈活的空間復(fù)用能力和改善接收端接收信號(hào)，并且更窄波束可以大幅度降低用戶間干擾，從而實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量和頻譜利用效率。

　　大規(guī)模多天線技術(shù)在5G中的潛在應(yīng)用場(chǎng)景包括宏覆蓋、高層建筑、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)外熱點(diǎn)及無(wú)線回傳鏈路等。在廣域覆蓋場(chǎng)景，大規(guī)模多天線技術(shù)可以利用現(xiàn)有頻段;在熱點(diǎn)覆蓋或回傳鏈路等場(chǎng)景中，則可以考慮使用更高頻段。

　　當(dāng)前，大規(guī)模多天線技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)包括：基帶運(yùn)算的復(fù)雜度、處理時(shí)間和成本問(wèn)題;信道測(cè)量性能和信道狀態(tài)信息反饋的導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題;相位噪聲與校正問(wèn)題等。主要研究方向包括：高效信號(hào)處理技術(shù)、信道建模及系統(tǒng)性能分析技術(shù)、信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)、成形碼本的設(shè)計(jì)、多用戶調(diào)度與資源管理技術(shù)、大規(guī)模有源陣列天線技術(shù)、覆蓋增強(qiáng)技術(shù)以及高速移動(dòng)解決方案。

　　包括大唐電信在內(nèi)的我國(guó)企業(yè)從TD-SCDMA開(kāi)始，首次在全球?qū)⒅悄芴炀€波束成形技術(shù)引入蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，并且在TD-LTE中拓展到8天線多流波束成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了波束成形與空間復(fù)用的深度融合，在國(guó)際上領(lǐng)先，且已經(jīng)在全球商用，性能得到業(yè)界認(rèn)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(shù)方面，F(xiàn)DD落后于TDD。可見(jiàn)，TD-LTE的多天線多流波束成形技術(shù)成果為我國(guó)企業(yè)在5G大規(guī)模多天線及波束成形的技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)上取得了先機(jī)。

　　3.2 5G新型多址接入技術(shù)：PDMA

　　多址接入技術(shù)是解決多用戶進(jìn)行信道復(fù)用的技術(shù)手段，是移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)性傳輸方式，關(guān)系到系統(tǒng)容量、小區(qū)構(gòu)成、頻譜和信道利用效率以及系統(tǒng)復(fù)雜性和部署成本，也關(guān)系到設(shè)備基帶處理能力、射頻性能和成本等工程問(wèn)題。多址接入技術(shù)可以將信號(hào)維度按照時(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)都有其標(biāo)志性的多址接入技術(shù)作為其革新?lián)Q代的標(biāo)志。例如：1G的模擬頻分多址接入(FDMA)技術(shù);2G的時(shí)分多址接入(TDMA)和頻分多址接入(FDMA)技術(shù);3G的碼分多址接入(CDMA)技術(shù);4G的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。1G到4G采用的都是正交多址接入技術(shù)。對(duì)于正交多址接入，用戶在發(fā)送端占用正交的無(wú)線資源，接收端易于使用線性接收機(jī)來(lái)進(jìn)行多用戶檢測(cè)，復(fù)雜度較低，但系統(tǒng)容量會(huì)受限于可分割的正交資源數(shù)目。從單用戶信息論角度，LTE的單鏈路性能已接近點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shù)還能進(jìn)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(xù)采用傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)5G需要支持的大容量和海量連接數(shù)。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(jù)多用戶復(fù)用倍數(shù)來(lái)成倍地提升系統(tǒng)容量。非正交多址接入需要在接收端引入非線性檢測(cè)來(lái)區(qū)分用戶，得益于器件和集成電路的進(jìn)步，目前非正交已經(jīng)從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。

　　圖樣分割多址接入(pattern division multiple access，PDMA)技術(shù)，是大唐電信在早期SAMA(SIC amenable multiple access)研究基礎(chǔ)上提出的一種新型非正交多址接入技術(shù)，它采用發(fā)送端與接收端聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，將多個(gè)用戶的信號(hào)通過(guò)PDMA編碼圖樣映射到相同的時(shí)域、頻域和空域資源進(jìn)行復(fù)用疊加傳輸，這樣可以大幅度地提升用戶接入數(shù)量。接收端利用廣義串行干擾刪除算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)最優(yōu)多用戶檢測(cè)，逼近多用戶信道容量界，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)。PDMA技術(shù)可以應(yīng)用于通信系統(tǒng)的上行鏈路和下行鏈路，能夠提升移動(dòng)寬帶應(yīng)用的頻譜效率和系統(tǒng)容量，支持5G海量物聯(lián)網(wǎng)終端接入。PDMA技術(shù)自提出就受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，2014年，PDMA技術(shù)被寫(xiě)入ITU的新技術(shù)報(bào)告IMT.Trend。

　　大唐電信對(duì)PDMA的仿真評(píng)估表明：PDMA能夠使得系統(tǒng)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(jié)合的接入方式時(shí)，能支持的終端接入數(shù)量，相對(duì)于4G提升5倍以上。目前，大唐電信正在開(kāi)發(fā)PDMA原型系統(tǒng)。

　　3.3 雙工模式

　　雙工模式是指如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向傳輸。時(shí)分雙工(TDD)是通過(guò)時(shí)間分隔實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送及接收;頻分雙工(FDD)是利用頻率分隔實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送及接收。從1G到4G，GSM、CDMA、WCDMA和FDD LTE都是FDD系統(tǒng)，我國(guó)企業(yè)主導(dǎo)的TD-SCDMA和TD-LTE都是TDD系統(tǒng)。最新的研究方向是全雙工。

　　全雙工是指同時(shí)、同頻進(jìn)行雙向通信，即無(wú)線通信設(shè)備使用相同的時(shí)間、相同的頻率，同時(shí)發(fā)射和接收無(wú)線信號(hào)，理論上可使無(wú)線通信鏈路的頻譜效率提高1倍。由于收發(fā)同時(shí)同頻，全雙工發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)會(huì)對(duì)本地接收機(jī)產(chǎn)生干擾。根據(jù)典型蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)不同的覆蓋半徑，天線接頭處收發(fā)信號(hào)功率差通常在100~150 dB，如何簡(jiǎn)單有效地消除如此大的自干擾是個(gè)難題，還有鄰近小區(qū)的同頻干擾問(wèn)題以及工程實(shí)現(xiàn)上的電路小型化問(wèn)題。目前實(shí)現(xiàn)自干擾抑制主要有空域、射頻域和數(shù)字域聯(lián)合等技術(shù)方案，研究以高校的理論分析和技術(shù)試驗(yàn)為主，還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品樣機(jī)和應(yīng)用。另外，全雙工在解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的某些特殊問(wèn)題時(shí)有優(yōu)勢(shì)，如隱藏終端問(wèn)題和多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延問(wèn)題。

　　靈活雙工是指能夠根據(jù)上下行業(yè)務(wù)變化情況，靈活地分配上下行的時(shí)間和頻率資源，更好地適應(yīng)非均勻、動(dòng)態(tài)變化或突發(fā)性的業(yè)務(wù)分布，有效提高系統(tǒng)資源的利用率。靈活雙工可以通過(guò)時(shí)域、頻域的方案實(shí)現(xiàn)，若在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)，就是同一頻段上下行時(shí)隙可靈活配比，也就是TDD方案;若在頻域?qū)崿F(xiàn)，則存在多于兩個(gè)頻段時(shí)，可以靈活配比上下行頻段;若在傳統(tǒng)FDD上下行的兩個(gè)頻段中，上行頻段的時(shí)隙配置實(shí)現(xiàn)可靈活時(shí)隙配比，則是TDD與FDD融合方案，可應(yīng)用于低功率節(jié)點(diǎn)，但這需要調(diào)研各國(guó)頻率政策，分析現(xiàn)有政策是否允許此方式。

　　目前產(chǎn)業(yè)界公認(rèn)在LTE演進(jìn)上主要定位TDD+，認(rèn)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(guān)鍵技術(shù)(如大規(guī)模多天線、高頻段通信等)。筆者預(yù)測(cè)，全雙工在5G上的應(yīng)用將有限，TDD和FDD都會(huì)得到應(yīng)用且融合發(fā)展，但TDD在5G解決大容量和高頻段中會(huì)起到主導(dǎo)應(yīng)用，而且5G新空口極可能采用TDD模式，第5節(jié)將會(huì)有專(zhuān)門(mén)的分析與討論。

　　3.4 超密集組網(wǎng)

　　據(jù)參考文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，在1950-2000年的50年間，相對(duì)于語(yǔ)音編碼和調(diào)制等物理層技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)不到10倍的頻譜效率提升和采用更大的頻譜帶寬帶來(lái)的傳輸速率幾十倍的提升, 通過(guò)縮小小區(qū)半徑(即頻譜資源的空間復(fù)用)，帶來(lái)的頻譜效率可以提升2 700倍以上?？梢?jiàn)，網(wǎng)絡(luò)密集化是5G應(yīng)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)大流量和劇增系統(tǒng)容量需求的重要手段之一。網(wǎng)絡(luò)密集程度可以用單位面積內(nèi)部署的天線數(shù)量來(lái)定義，有兩種手段可以實(shí)現(xiàn)：多天線系統(tǒng)(大規(guī)模多天線或分布式天線系統(tǒng)等)和小小區(qū)的密集部署。后者就是超密集組網(wǎng)，即通過(guò)更加“密集化”的基站部署，單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍大大縮小，以獲得更高的頻率復(fù)用效率，從而在局部熱點(diǎn)區(qū)域提升系統(tǒng)容量達(dá)百倍。典型應(yīng)用場(chǎng)景主要包括辦公室、密集住宅、密集街區(qū)、校園、大型集會(huì)、體育場(chǎng)、地鐵和公寓等。

　　隨著小區(qū)部署密度的增加，超密集組網(wǎng)將面臨許多新的技術(shù)挑戰(zhàn)，如回傳鏈路、干擾、移動(dòng)性、站址、傳輸資源和部署成本等。為了實(shí)現(xiàn)易部署、易維護(hù)、用戶體驗(yàn)佳，超密集組網(wǎng)的研究方向包括小區(qū)虛擬化、自組織自?xún)?yōu)化、動(dòng)態(tài)TDD、先進(jìn)的干擾管理和先進(jìn)的聯(lián)合傳輸?shù)?。筆者提出了以用戶為中心的超密集組網(wǎng)(UUDN)。UUDN突破傳統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建以用戶為中心的虛擬伴隨小區(qū)，通過(guò)高效的移動(dòng)性管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)隨用戶動(dòng)。同時(shí)，系統(tǒng)智能感知用戶需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，按需選擇合理的接入方式和傳輸方式，實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的業(yè)務(wù)傳輸。另外，以用戶為中心的超密集網(wǎng)絡(luò)還引入了先進(jìn)的干擾管理、靈活的無(wú)線回傳、智能的網(wǎng)絡(luò)編排、網(wǎng)絡(luò)自?xún)?yōu)化等先進(jìn)特性，以提升網(wǎng)絡(luò)容量和區(qū)域頻譜效率，降低部署和維護(hù)成本，提升用戶體驗(yàn)。

　　3.5 先進(jìn)的頻譜利用技術(shù)

　　(1)高頻段無(wú)線傳輸技術(shù)

　　目前，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)工作頻段主要在3 GHz以下，用戶數(shù)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(xù)的大帶寬頻譜資源。目前產(chǎn)業(yè)界研究6~100 GHz的頻段(稱(chēng)為毫米波，mmWave)來(lái)滿足5G對(duì)更大容量和更高速率的需求，傳送高達(dá)10 Gbit/s甚至更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

　　高頻通信已應(yīng)用在軍事通信和無(wú)線局域網(wǎng)方面，但在蜂窩通信領(lǐng)域的應(yīng)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(qū)覆蓋半徑將大大縮小。在一定區(qū)域內(nèi)基站數(shù)量將大大增加，即形成UDN。高頻信道與傳統(tǒng)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(dòng)性支持能力受限等問(wèn)題，需要深入研究高頻信道的測(cè)量與建模、高頻新空口和組網(wǎng)技術(shù)。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(chǎn)業(yè)化的瓶頸，而我國(guó)產(chǎn)業(yè)在此方面差距更大。

　　(2)動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)

　　據(jù)產(chǎn)業(yè)界預(yù)測(cè)，到2020年移動(dòng)通信頻率需求總量為1 390~1 960 MHz，我國(guó)預(yù)測(cè)結(jié)果為1 490~1 810 MHz，頻率缺口達(dá)到1 GHz。頻率短缺矛盾凸顯，雖經(jīng)IMT產(chǎn)業(yè)界努力爭(zhēng)取，但從2015年國(guó)際無(wú)線電大會(huì)(WRC-15)會(huì)議結(jié)果看，沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家和地區(qū)新劃分的總量超過(guò)300 MHz，遠(yuǎn)不能滿足5G需求。況且，期望WRC-19最終獲得的頻率劃分并不樂(lè)觀。

　　美國(guó)頻譜政策工作組(SPTF)調(diào)查表明：85%已規(guī)劃的無(wú)線電頻率在不同時(shí)間和地區(qū)部分或全部未被使用。歐洲的頻譜測(cè)量表明：400 MHz~3 GHz頻段的頻率利用率低于11%。因此，在頻率資源越來(lái)越緊張的情況下，為滿足5G需求，在盡力爭(zhēng)取更多IMT專(zhuān)用頻譜外，提高已有IMT頻譜的使用效率尤為重要。引入新型的頻譜管理理念，通過(guò)頻譜共享技術(shù)結(jié)合5G其他關(guān)鍵技術(shù)，可聯(lián)合使用現(xiàn)有IMT頻段和高頻段來(lái)滿足5G需求。

　　頻譜共享的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括：運(yùn)營(yíng)商內(nèi)無(wú)線接入技術(shù)(RAT)間的頻譜共享、運(yùn)營(yíng)商間頻譜共享、免授權(quán)頻段的頻譜共享和次級(jí)接入頻譜共享等，緩解運(yùn)營(yíng)商頻譜過(guò)飽或過(guò)閑置，提升運(yùn)營(yíng)商總頻譜資源使用效率。

　　頻譜共享技術(shù)具備跨不同網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的最優(yōu)動(dòng)態(tài)頻譜配置和管理功能，具備智能自主接入網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)間切換的自適應(yīng)性功能，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效、動(dòng)態(tài)和靈活的頻譜使用，以提升空口效率、系統(tǒng)覆蓋層次和密度等，從而提高頻譜綜合利用效率。

　　認(rèn)知無(wú)線電指通過(guò)對(duì)空閑頻譜的探測(cè)與機(jī)會(huì)式占用，在擴(kuò)展系統(tǒng)自身可用頻譜資源的同時(shí)，保證對(duì)所占用頻譜的原授權(quán)系統(tǒng)無(wú)有害干擾。頻譜共享是更廣義的頻譜使用技術(shù)，包括異系統(tǒng)間、多RAT間、系統(tǒng)內(nèi)小區(qū)間和不同制式間等的頻譜共享。共享者之間可以是對(duì)頻譜具有相同占用等級(jí)或者不同占用等級(jí)。在頻譜共享技術(shù)中，可以利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行頻譜探測(cè)，也可以通過(guò)對(duì)頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)來(lái)獲取可用頻譜資源，繼而進(jìn)行高效的頻譜管理，使得頻譜資源在共享者之間得到最大化的利用率。

　　目前，頻譜共享技術(shù)需要研究的關(guān)鍵技術(shù)與問(wèn)題，包括新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及新增的無(wú)線接口設(shè)計(jì)、頻譜檢測(cè)機(jī)制和算法、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和頻譜地圖生成與管理、頻譜資源的高效管理與分配、支持靈活帶寬和工作頻點(diǎn)的新型射頻和多系統(tǒng)整合帶來(lái)的安全性技術(shù)問(wèn)題等。從工程實(shí)現(xiàn)上，對(duì)基帶算法與器件能力提出了更高要求。另外，頻譜共享技術(shù)需要國(guó)家頻譜管理政策的支持，研究新的經(jīng)濟(jì)模型，制定新的使用規(guī)則、安全策略等。

　　3.6 多種RAT與虛擬RAT

　　目前，產(chǎn)業(yè)界達(dá)成共識(shí)：5G將包含LTE演進(jìn)和新無(wú)線空口。LTE演進(jìn)在第5.1節(jié)會(huì)有介紹。針對(duì)5G新空口，由于5G的不同場(chǎng)景應(yīng)用(eMBB、mMTC和cMTC等)需求差異很大，很難通過(guò)一種RAT實(shí)現(xiàn)。因此不會(huì)像1G至4G時(shí)某一制式是單一RAT，而5G極可能是一個(gè)多RAT的時(shí)代。從另一角度看，1G至4G是多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制式/體系(如2G時(shí)的GSM和CDMA)間的競(jìng)爭(zhēng)，而在5G時(shí)，極可能變成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)不同RAT間的競(jìng)爭(zhēng)。

　　在5G多RAT情況下，筆者團(tuán)隊(duì)提出了虛擬RAT(virtual RAT)，包括總體架構(gòu)與協(xié)議棧，通過(guò)控制面和用戶面分離定義無(wú)線空口集實(shí)現(xiàn)多個(gè)異構(gòu)RAT協(xié)同，提供靈活和可定制的接入網(wǎng)。

　　4 5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

　　從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)看，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及移動(dòng)性管理、接入控制、連接管理等功能。我國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組梳理了5G核心網(wǎng)絡(luò)的系列關(guān)鍵技術(shù)，主要有控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制功能重構(gòu)、新型連接管理和移動(dòng)性管理、移動(dòng)邊緣內(nèi)容與計(jì)算、按需組網(wǎng)、統(tǒng)一的多無(wú)線接入技術(shù)融合、無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)和動(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線資源調(diào)度與共享、用戶和業(yè)務(wù)的感知與處理、定制化部署和服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放等關(guān)鍵技術(shù)。

　　傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)難以做到網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整和按需分配，無(wú)法實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行可編程操作，造成部署新業(yè)務(wù)的周期長(zhǎng)、成本高等。5G網(wǎng)絡(luò)將向扁平化方向發(fā)展，控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)、硬件與軟件分離的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)成為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、提升網(wǎng)絡(luò)整體效率和降低總成本。

　　4.1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

　　SDN始于學(xué)術(shù)研究和數(shù)據(jù)中心，是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念和新型開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制邏輯集中和網(wǎng)絡(luò)可編程三大特征?？刂破骶哂腥志W(wǎng)絡(luò)信息，負(fù)責(zé)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源和制定轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則等，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅提供簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。層間采用開(kāi)放的統(tǒng)一接口(如OpenFlow等)進(jìn)行交互，這樣有利于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的可編程。

　　NFV由電信運(yùn)營(yíng)商聯(lián)盟提出，是一種軟件與硬件分離的架構(gòu)，通過(guò)IT虛擬化技術(shù)，采用產(chǎn)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和交換機(jī)等硬件基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)加載軟件實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)智能編排，以降低設(shè)備成本、加快網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的部署速度，改變過(guò)去由專(zhuān)用硬件設(shè)備來(lái)部署的被動(dòng)局面。

　　由此可見(jiàn)，SDN和NFV具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，盡管兩個(gè)概念和解決方案可以融合應(yīng)用，但是并不相互依賴(lài)。SDN控制網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)連接，NFV實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)功能，SDN和NFV可以互為使能。

　　多種類(lèi)型的業(yè)務(wù)和多樣化的通信場(chǎng)景對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)提出了多樣化的性能需求，而這些多樣化的性能需求顯然無(wú)法通過(guò)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)保證。5G需要支持多種不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景差異很大，如mMTC的海量連接物聯(lián)網(wǎng)，cMTC的低時(shí)延、高可靠的車(chē)聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等，其安全性的要求也不相同。5G將基于SDN和功能重構(gòu)的技術(shù)設(shè)計(jì)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)面向5G復(fù)雜場(chǎng)景下的整體接入性能;基于NFV按需編排網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片和靈活部署，滿足端到端的業(yè)務(wù)體驗(yàn)和高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)需求。5G的NFV將從核心網(wǎng)向無(wú)線接入網(wǎng)推進(jìn)，但如何有效實(shí)現(xiàn)無(wú)線資源虛擬化還需深入研究。

　　5G網(wǎng)絡(luò)需具備虛擬化切片的能力，使得每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片能夠適配不同的業(yè)務(wù)和通信場(chǎng)景，以提供合理的網(wǎng)絡(luò)控制和高效的資源利用。網(wǎng)絡(luò)切片是指將物理網(wǎng)絡(luò)通過(guò)虛擬化技術(shù)分割為多個(gè)相互獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片中的網(wǎng)絡(luò)功能可以在定制化的裁剪后，通過(guò)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)功能編排形成一個(gè)完整的、實(shí)例化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過(guò)為不同的業(yè)務(wù)和通信場(chǎng)景創(chuàng)建不同的網(wǎng)絡(luò)切片，使得網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特征采用不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理機(jī)制，包括合理的資源分配方式、控制管理機(jī)制和運(yùn)營(yíng)商策略，從而保證通信場(chǎng)景中的性能需求，提高用戶體驗(yàn)以及網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用。

　　軟件定義與可編程的優(yōu)點(diǎn)是能感知環(huán)境與業(yè)務(wù)、提供基于場(chǎng)景的業(yè)務(wù)和應(yīng)用、方便網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放。但同時(shí)，SDN和NFV帶來(lái)了5G網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)運(yùn)維的新問(wèn)題。5G采用通用硬件平臺(tái)，帶來(lái)了比傳統(tǒng)專(zhuān)用通信硬件的低可靠性問(wèn)題，與5G服務(wù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等的高可靠性矛盾。因此，還需進(jìn)一步研究如何提高在通用硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)電信協(xié)議的可靠性，如容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　4.2 動(dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)

　　在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)部署、運(yùn)維等基本依靠人工的方式，需要投入大量的人力, 給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。SON是在網(wǎng)絡(luò)中引入自組織能力(網(wǎng)絡(luò)智能化)，包括自配置、自?xún)?yōu)化、自愈合等, 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、部署、維護(hù)、優(yōu)化和排障等各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)進(jìn)行, 最大限度地減少人工干預(yù)，降低成本、提高效率。

　　從第3節(jié)得知：5G 將是融合、協(xié)同的多制式共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。從技術(shù)上看, 將存在多層、多類(lèi)型無(wú)線接入技術(shù)的共存, 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。各種無(wú)線接入技術(shù)內(nèi)部和各種覆蓋能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，特別是超密集組網(wǎng)的引入，導(dǎo)致無(wú)線參數(shù)的急劇增加，網(wǎng)絡(luò)的部署、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)將成為一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作。為了縮短建設(shè)周期、降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)復(fù)雜度和成本，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)需要SON功能, 能統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)多個(gè)異構(gòu)無(wú)線接入技術(shù)、多種覆蓋層次的聯(lián)合自配置、自?xún)?yōu)化、自愈合。

　　4.3 移動(dòng)邊緣內(nèi)容與計(jì)算

　　筆者認(rèn)為，5G的移動(dòng)內(nèi)容云化有兩個(gè)趨勢(shì)：從傳統(tǒng)的中心云到邊緣云(即移動(dòng)邊緣計(jì)算)，再到移動(dòng)設(shè)備云。

　　由于智能終端和應(yīng)用的普及, 使得移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越大, 內(nèi)容越來(lái)越多。為了加快網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)速度, 需要將內(nèi)容存儲(chǔ)和分發(fā)能力下沉到無(wú)線接入網(wǎng)中，基于對(duì)用戶的感知，按需智能推送內(nèi)容，提升用戶體驗(yàn)。因此，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中采用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(content delivery network，CDN) 技術(shù)成為自然的選擇，即無(wú)線基站增加計(jì)算與存儲(chǔ)能力，構(gòu)成了分布式CDN，就是移動(dòng)邊緣內(nèi)容與計(jì)算(MECC)。MECC還可以開(kāi)放實(shí)時(shí)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息，為移動(dòng)用戶提供個(gè)性化、上下文相關(guān)的體驗(yàn)。MECC適合應(yīng)用于新興的智能應(yīng)用，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)辦公、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)游戲等。

　　在移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)中，通常流行內(nèi)容會(huì)得到在較近距離范圍內(nèi)的大量移動(dòng)用戶的共同關(guān)注。同時(shí)，由于技術(shù)進(jìn)步，移動(dòng)設(shè)備成為可以提供剩余能力(計(jì)算、存儲(chǔ)和上下文等)的“資源”，可以是云的一部分，即形成池化的虛擬資源，從而構(gòu)成移動(dòng)設(shè)備云。

　　4.4 安全可信的網(wǎng)絡(luò)空間

　　5G提供數(shù)據(jù)、連接和基于場(chǎng)景的服務(wù)，人、物與網(wǎng)絡(luò)高度融合的場(chǎng)景化時(shí)代即將來(lái)臨?，F(xiàn)實(shí)空間與網(wǎng)絡(luò)空間交織發(fā)展，安全成為支撐5G健康發(fā)展的關(guān)鍵要素。

　　面向信息消費(fèi)、工業(yè)生產(chǎn)、互聯(lián)網(wǎng)金融、教育醫(yī)療、智能交通和公共管理等典型應(yīng)用場(chǎng)景，5G網(wǎng)絡(luò)需要提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)通信和服務(wù)平臺(tái)，并能夠保護(hù)用戶隱私，同時(shí)支持國(guó)家和社會(huì)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)空間秩序。在傳統(tǒng)接入安全、傳輸安全的基礎(chǔ)上，5G需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間與現(xiàn)實(shí)空間的有效映射，提供滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的多級(jí)別安全保證，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體自身具備安全免疫能力，構(gòu)建安全可信的網(wǎng)絡(luò)空間。

　　大唐電信發(fā)布的5G網(wǎng)絡(luò)安全白皮書(shū)分析了未來(lái)5G移動(dòng)寬帶系統(tǒng)的一些典型應(yīng)用場(chǎng)景，站在用戶、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)平臺(tái)提供者、社會(huì)和政府的不同角度分析了5G的安全需求;提出了5G網(wǎng)絡(luò)安全的3個(gè)核心要素：身份可信、網(wǎng)絡(luò)可信和實(shí)體可信，并對(duì)主要的安全技術(shù)方向進(jìn)行了研討。

　　5 TDD在5G中的優(yōu)勢(shì)和角色

　　從5G自身特點(diǎn)來(lái)看，TDD相比FDD更有優(yōu)勢(shì)。主要原因如下:

　　· TDD可以利用上行信道以及下行信道的互易性、低復(fù)雜度和低成本獲取復(fù)雜無(wú)線環(huán)境下的信道信息，更好地支持大規(guī)模多天線、超密集組網(wǎng)等應(yīng)用。

　　· 5G系統(tǒng)在頻譜上需要更大的帶寬，并向更高頻段拓展，比如6 GHz及以上，TDD使用非成對(duì)的單一頻譜，更容易獲得大帶寬的新頻段或空閑頻段。因此，TDD更易于實(shí)現(xiàn)高頻段通信、靈活頻譜共享等應(yīng)用。

　　· TDD更易于實(shí)時(shí)且靈活地調(diào)整上行以及下行帶寬的比例配置，更好地匹配大量下載或上傳的業(yè)務(wù)突發(fā)情況，提升系統(tǒng)效率。

　　可以預(yù)期，面向5G，TDD制式將獲得全球移動(dòng)通信業(yè)界更多的關(guān)注、研究以及商用。下面介紹TD-LTE向5G演進(jìn)的TDD+技術(shù)及5G中TDD優(yōu)勢(shì)技術(shù)。

　　5.1 TDD+：向5G演進(jìn)的TDD系列增強(qiáng)技術(shù)

　　3GPP在2016年初啟動(dòng)5G研究，計(jì)劃將R14和R15當(dāng)作5G的基礎(chǔ)版本，R16作為5G的正式版本。關(guān)于5G，參與3GPP的各公司的共識(shí)是“5G=LTE演進(jìn)+新空口”，其中，LTE演進(jìn)主要在低頻段，新空口同時(shí)包括低頻段和高頻段。

　　考慮到5G商用還有5年，為了實(shí)現(xiàn)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)在滿足5G商用之前的更多需求(如提升容量和連接數(shù)、降低時(shí)延等)，TD-LTE全球聯(lián)盟(GTI)提出了TDD+的概念，系列TDD增強(qiáng)技術(shù)包括：TDD-FDD載波聚合、動(dòng)態(tài)TDD、全維度 MIMO、三維(3D)波束成形、LTE-Hi和機(jī)器類(lèi)通信(machine type commuication，MTC)，GTI將TDD+看成是TD-LTE向5G平滑演進(jìn)的橋梁。與此相關(guān)的5G中TDD優(yōu)勢(shì)技術(shù)包括大規(guī)模多天線、超密集組網(wǎng)、高頻段通信、靈活頻譜共享和低時(shí)延高可靠等，如圖1所示。

　　5.2 5G中TDD優(yōu)勢(shì)技術(shù)

　　(1)基于TDD的大規(guī)模多天線

　　大規(guī)模多天線應(yīng)用的一個(gè)重要假設(shè)是信道具備互易性。否則，要依靠信道測(cè)量與反饋的開(kāi)銷(xiāo)將非常巨大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都變得異常復(fù)雜。

　　FDD系統(tǒng)的頻點(diǎn)間相差較遠(yuǎn)，在實(shí)際中，由于頻率選擇性問(wèn)題，可能在一個(gè)頻點(diǎn)上某個(gè)方向能量強(qiáng)一些，而在另一個(gè)頻點(diǎn)上可能是另一個(gè)方向能量強(qiáng)。因此，F(xiàn)DD的信道互易性較差。在FDD系統(tǒng)中，基站側(cè)需要針對(duì)每個(gè)天線發(fā)送導(dǎo)頻信息，終端側(cè)需要對(duì)下行信道測(cè)量合成后反饋給基站。因此，F(xiàn)DD需要信道估計(jì)和反饋的導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)將隨著天線數(shù)的增多而增大?；旧习俑炀€的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)需要耗費(fèi)大量的時(shí)頻資源，因此，實(shí)際應(yīng)用中采用基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方式是不可取的。

　　TDD有天然的優(yōu)勢(shì)，由于在相同的頻點(diǎn)發(fā)送和接收，只是時(shí)間上有區(qū)分。在實(shí)際中，認(rèn)為信道是互易的。這樣，TDD系統(tǒng)就可以利用信道互易性進(jìn)行信道估計(jì)，不需要額外的開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行信道估計(jì)，只需要終端側(cè)發(fā)送導(dǎo)頻信息，即開(kāi)銷(xiāo)與天線數(shù)量無(wú)關(guān)。

　　(2)基于TDD的超密集組網(wǎng)

　　UDN主要解決熱點(diǎn)區(qū)域的成百倍系統(tǒng)容量的提升問(wèn)題，通過(guò)高頻段實(shí)現(xiàn)短距離的高速率通信。超密集組網(wǎng)更適合TDD系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在TDD模式的上行和下行靈活配置，更易于滿足超密集組網(wǎng)對(duì)應(yīng)的上下行業(yè)務(wù)不對(duì)稱(chēng)需求;TDD模式更易于小蜂窩覆蓋和靈活組網(wǎng);在高頻段要獲得成對(duì)的大帶寬頻段相對(duì)困難，高頻段更適合TDD模式的應(yīng)用。

　　(3)基于TDD的設(shè)備直通和車(chē)聯(lián)網(wǎng)

　　D2D是指兩個(gè)對(duì)等設(shè)備間直接進(jìn)行通信的方式。傳統(tǒng)的蜂窩用戶設(shè)備(終端)只需在上行具備發(fā)送能力及在下行具備接收能力，而D2D要求終端能在上下行的資源上同時(shí)具備發(fā)送和接收的能力，所以對(duì)于終端的能力和復(fù)雜度有很大的影響。

　　對(duì)于FDD系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收D2D信息的終端必須具備在上行頻段接收、解調(diào)信號(hào)的能力，終端的射頻和基帶都要升級(jí)。而對(duì)于TDD系統(tǒng)而言，因?yàn)樯稀⑾滦惺褂孟嗤念l段，接收D2D的終端必須具備在上行時(shí)隙接收、解調(diào)信號(hào)的能力，終端的基帶要升級(jí)，但射頻不需要改動(dòng)，硬件改動(dòng)較小。因此，相對(duì)于FDD系統(tǒng)，D2D在TDD系統(tǒng)中的應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的主要業(yè)務(wù)類(lèi)型是終端之間的廣播業(yè)務(wù)，在終端構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為無(wú)線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不存在統(tǒng)一的中央節(jié)點(diǎn)，收發(fā)均集中于相同的頻段上。因此，D2D和車(chē)聯(lián)網(wǎng)的工作方式，都更接近于蜂窩系統(tǒng)中的TDD模式，TDD技術(shù)將成為D2D和車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的唯一技術(shù)。

　　(4)基于TDD的高頻段通信和動(dòng)態(tài)頻譜共享

　　在高頻段要獲得成對(duì)的大帶寬頻段相對(duì)困難，因此高頻段更適合TDD技術(shù)的應(yīng)用?，F(xiàn)有的在高頻段工作的系統(tǒng)，例如IEEE 802.11ad，都是以TDD模式在工作。

　　無(wú)論是在機(jī)會(huì)式的空閑頻段，還是在免授權(quán)頻段，甚至是多運(yùn)營(yíng)共享使用的特定頻段，要找到成對(duì)的頻段是十分困難的，因此頻譜共享技術(shù)更適合采用TDD模式。

　　綜上分析，筆者認(rèn)為T(mén)DD將是5G的主要組成部分，特別是5G新空口極可能采用TDD模式。而我國(guó)企業(yè)從TD-SCDMA到TD-LTE長(zhǎng)期在TDD領(lǐng)域積累的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，將得到更大程度的發(fā)揮。

　　6 關(guān)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)引領(lǐng)5G的建議

　　在技術(shù)突破、標(biāo)準(zhǔn)制定方面，我國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界經(jīng)過(guò)3G和4G近20年的積累，已具備系統(tǒng)創(chuàng)新的能力。但5G的系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)難度和應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜度等更高!在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)制定上必然將更加復(fù)雜和關(guān)鍵!

　　突破5G核心技術(shù)，是取得5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定話語(yǔ)權(quán)和引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)的根本。另外，5G的競(jìng)爭(zhēng)將不僅是通信基礎(chǔ)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，而且是核心器件等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈競(jìng)爭(zhēng)、面向行業(yè)應(yīng)用的新產(chǎn)業(yè)生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)。

　　因此，在推動(dòng)5G發(fā)展中，需要特別提升3個(gè)能力：系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)體系的設(shè)計(jì)和推動(dòng)能力;基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)能力，包括器件、芯片、軟件等能力;垂直行業(yè)的整合及應(yīng)用推廣能力(如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等)。

　　我國(guó)如何才能實(shí)現(xiàn)5G引領(lǐng)的戰(zhàn)略目標(biāo)呢?建議采取“發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、引領(lǐng)標(biāo)準(zhǔn)，政策引導(dǎo)、率先示范，突破瓶頸、帶動(dòng)行業(yè)”的整體戰(zhàn)略。具體描述如下。

　　(1)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、引領(lǐng)標(biāo)準(zhǔn)

　　當(dāng)前，我國(guó)已在從TD-SCDMA到TD-LTE的持續(xù)創(chuàng)新中，積累形成了TDD領(lǐng)域(包括多天線多流波束成形技術(shù)等)在全球的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。而且依據(jù)5G的整體特點(diǎn)，TDD將會(huì)在5G中發(fā)揮更大的作用，大規(guī)模多天線等具有TDD應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵技術(shù)將成為5G標(biāo)志性技術(shù)。建議要立足發(fā)揮TDD技術(shù)優(yōu)勢(shì)，確保實(shí)現(xiàn)對(duì)5G標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)。

　　(2)政策引導(dǎo)、率先示范

　　我國(guó)應(yīng)盡早發(fā)布對(duì)國(guó)際有影響力和引導(dǎo)作用的產(chǎn)業(yè)政策，盡早為5G發(fā)布豐富優(yōu)質(zhì)的頻譜資源。加快推進(jìn)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化等進(jìn)度，率先啟動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)，保證技術(shù)的先進(jìn)性和完整性，提升國(guó)際影響力和標(biāo)準(zhǔn)話語(yǔ)權(quán)。

　　(3)突破瓶頸、帶動(dòng)行業(yè)

　　發(fā)揮產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用，5G要在具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的TDD產(chǎn)業(yè)鏈、4G帶動(dòng)我國(guó)集成電路技術(shù)與產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的基礎(chǔ)上，“縱向提升、橫向拓展”，即縱向提升我國(guó)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)能力，突破4G仍受制約的射頻功放、濾波器等核心器件的產(chǎn)業(yè)瓶頸環(huán)節(jié);橫向拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)推動(dòng)TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)化，我國(guó)初步形成了基于本土企業(yè)的完整移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)鏈。在4G階段，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)同步制定、設(shè)備同平臺(tái)開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)性能相當(dāng)和全球商用同步，TD-LTE已發(fā)展成為全球兩大4G主流標(biāo)準(zhǔn)之一，形成了具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)鏈，特別是我國(guó)企業(yè)在TDD技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)上具有全球競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)已具備了從“3G追趕、4G同行”到“5G引領(lǐng)”的基礎(chǔ)。況且通過(guò)分析5G的整體需求與關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)，我國(guó)擁有優(yōu)勢(shì)的TDD和多天線多流波束成形技術(shù)等將會(huì)在5G中發(fā)揮更大的作用。

　　我國(guó)針對(duì)5G研究成立了IMT-2020(5G)推進(jìn)組，前期已經(jīng)完成了對(duì)5G的需求、概念、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線技術(shù)的分析，且有多項(xiàng)成果輸入ITU獲得認(rèn)可。相信在政府的指導(dǎo)下，通過(guò)我國(guó)企業(yè)和高校、研究所等在5G的技術(shù)突破、標(biāo)準(zhǔn)制定和樣機(jī)開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)網(wǎng)方面的努力，有信心在“3G追趕、4G同行”的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)中國(guó)“5G引領(lǐng)”的戰(zhàn)略目標(biāo)。

　　作者：大唐電信集團(tuán)副總裁 陳山枝