空气分离技术 一文读懂为何空分复用是实现5G技术的关键

频谱是无线通信最宝贵的资源。随着无线技术的发展，频谱的利用遇到了技术瓶颈。面对快速增长的流量，如何解决频谱利用率紧张的问题成为向5G演进的关键问题。我们邀请了中兴通讯首席科学家向嬴稷博士来回答4G到5G演进过程中的技术问题。

中兴通讯首席科学家向

5G前景光明，但目前大量优秀频谱被2G/ 3G/4G占用，频谱资源将成为5G演进的主要问题。如何解决频谱资源稀缺的问题？

方向:无线通信最宝贵的是频谱资源，对5G带宽的需求更大，频谱资源的问题变得更加紧迫。低频频谱的路径损耗较小，覆盖范围较好，所以大多数运营商愿意选择低频来实现大规模覆盖。但是几乎所有高质量的低频频谱都被分配了。

为了解决频谱问题，业内普遍的看法是，提高频谱效率是关键，也就是挖潜，看看有什么技术可以进一步提高频谱效率。因为3G和4G通信系统一直工作在噪声极限和单链路香农极限，理论上没有实质性改善的可能。空波分复用技术是唯一可以数倍提高频谱效率的技术。因为它可以使系统在同一时间、同一频段、同一宏观物理空内进行多通道通信，互不干扰，从而最大限度地利用有限的频谱资源。

3G码分多址技术也可以实现“同时、同频、同空”多信道通信，但码分多址使用正交码区分用户，多个正交码形成自干扰系统。为了满足正交条件，所有用户都必须降低传输速率。理论上，如果N个用户同时通信，每个用户最多可以以1/N的速率通信，所以码分多址不能，但是，空时分复用不需要降低多个用户同时通信时的速率，所以频谱效率翻倍。

根据国际电信组织和各国政府机构的规划，5G通信技术将在2020年左右正式商业化。在5G到来之前，面对快速增长的流量需求，提高4G现有网络的频谱利用率是关键。空解复用技术如何解决网络演进中的这个难题？

方向:形象地说，通信技术的升级，本质上类似于增加高速公路(即通信管道)的流量——也就是单位时间内通过更多的车辆(数据)。有几种方法可以做到:一是扩建高速公路，比如把2车道高速公路扩建成8车道，或者把原来的2车道高速公路改建成两层立体车道。把这个例子对应到通信领域，扩容相当于重新部署新设备，铺设新网络，成本极高。二是对汽车进行改装，使其变小，或者提高汽车的最高速度，使更多的汽车在单位时间内通过。对应于通信领域，这个方法对应于修改手机终端，让手机可以接受更多的数据。但是由于现有4G手机终端的基本架构已经形成，很难进行大的改动，所以这个方案也不可行。同时一部手机要用很多年，5G标准和支持手机芯片还没有，所以这个方法不可行。

空波分复用技术是唯一可以数倍提高频谱效率的技术。空波分复用技术，即通过自适应天线阵列对空进行分割，形成不同方向的不同波束，每个波束可以提供唯一的信道，不受其他用户的干扰，使得同一频段可以在不同的空中复用。就像在高速公路上看到别的车，很多车都在一条车道上，但是就像空一样，互不影响。也就是说，在不扩大高速公路(通信网络)或不改造汽车(移动终端)的情况下，增加了交通量。

2013年，中兴开始研究空复用技术，是第一家从事空复用技术研发的公司。现在，中兴通讯已经成功地将这一技术应用于TDD和FDD网络，并逐渐将其先发优势发展为综合优势。

海量MIMO作为一种空分复用技术，最早是由中兴通讯引入到Pre5G和5G的关键技术中。Pre5G是2014年提出的。目前进展如何？

说明:Pre5G的特点是用户可以通过基站端的大量优化，提前享受准5G的体验，无需更换终端，提高运营商的网络竞争力。对于运营商来说，Pre5G可以在不浪费投资的情况下，在基站端顺利升级到5G。

中兴通讯利用其在空子技术方面的领先优势，先后开发了TDD Massive MIMO和FDD Massive MIMO，并大力推进商业化。

2015年，基于TDD的Pre5G Massive MIMO完成了产品开发和现场测试，推出的商用产品也经过多家知名运营商筛选，开始商用测试部署。2016年2月24日，在西班牙巴塞罗那举行的2016年移动世界大会上，中兴通讯凭借Pre5G Massive MIMO获得全球移动大奖“最佳移动技术突破奖”和“CTO选择奖”。目前，中兴通讯的Pre5G已经被全球30多个国家的40多家运营商商业化。首次将该计划商业化的软银首席执行官孙正义在今年2月举行的GTI会议上表示:“选择TD-LTE使我们取得了巨大成功。”他还指出，海量MIMO是TD-LTE向5G演进的重要内涵。

2016年底，中兴通讯率先宣布推出FDD Massive MIMO样机。

为什么将Massive MIMO成功引入FDD是一个重大突破？

方向:全球约85%的运营商移动网络是FDD，但FDD做多天线空面临很大困难。对于FDD-LTE系统，由于上下行采用不同的频谱，信道不具有互易性，也就是说上行看到的信号变化和下行看到的信号变化不一致，上下行相位有随机变化。所以传统观点是FDD必须通过手机主动测量基站的下行信号，然后通过消息上报给基站，让基站做闭环MIMO。

Massive MIMO基站有几十个天线，所以基站通知手机这么多天线信息，手机测量后上报。按照目前的4G机制，已经需要占用100%以上的资源，因此如何引入海量的MIMO成为FDD的核心挑战之一。

基于TDD Massive MIMO的深度积累，中兴通讯经过近一年的努力，克服了大量技术难点，创新开发了基于FDD标准的专利信道算法，依靠自主研发的基带处理芯片强大的处理能力，通过软件算法的突破和硬件能力的提升，成功实现了Massive MIMO技术在FDD-LTE网络中的应用。为全球数百家FDD运营商搭建了通往5G的坦途，为现有4G网络提供了新的演进路径和发展空。其价值和意义难以估计。

中兴在空分复用方面的技术积累已经体现在Pre5G的应用价值上。未来5G有什么应用价值？

5G的最终标准虽然还没有确定，但大方向已经确定，高低频结合，逐步商业化已经得到业界的普遍认可。空波分复用技术只能用来提高低频带的频谱效率，而空波分复用技术应该用来提高高频带的覆盖范围，这其实是空波分复用的退化版本。因此，对于5G来说，低频和高频都严重依赖空波分复用技术。

中兴通讯的海量MIMO等5G关键技术在现有移动网络5G场景中的先进应用，引领行业在实际网络场景中获取大量商业经验和实测数据，可以提前解决商业过程中遇到的技术和应用问题，大大加快5G核心技术的成熟和完善，有效缩短产品验证和规模化商业使用的周期。在这个过程中，中兴通讯申请了数百项技术专利，并结合实际场景中的大量数据，为标准组织贡献了许多更有价值的建议。Pre5G一方面有利于4G网络和现有用户，另一方面为未来5G提供商业参考，从而真正搭建起4G和5G之间的桥梁。中兴通讯将基于Pre5G海量MIMO技术商业规模带来的先发优势，在5G上保持有利地位。

本文转载自2017年6月《中兴通讯技术(通讯)》原刊登的《中兴通讯微信官方账号期刊》。