Pre5G 用技术创新勾画5G蓝图

   随着移动宽带网络渗透到社会的各个领域，人们对全连接、提升上千倍容量的第五代移动通信技术5G充满了期待。然而，5G从需求定义到关键技术路线都还有很多值得探讨的问题，一般认为商用将在2020年以后。2014年6月，中兴通讯无线CTO向际鹰博士在荷兰召开的全球5G技术峰会上首次提出Pre5G概念，首次把5G技术提前到了4G时代。

　　其实Pre5G是客户需求驱动出来的概念，中兴只不过作了一些抽象而已。首先，客户普遍反映，5G研究已经进行了几年，为什么没人能说得清楚到底什么叫5G?有很多人试图定义5G，但一直没有一个权威定义。其次，5G至少要到2020年以后才会陆续商用，大部分客户第一反应是“还有6年，与我无关，先让别人研究去吧”。

　　当中兴提出“Pre5G概念后”，意外地发现，可以不用立刻拿出“准确的5G定义”了。而且，由于Pre5G可以基于4G终端使用，所以就不再是2020年以后，而可能是2015年、2016年的事了，因此很多客户立刻产生强烈的兴趣。

　　简单地说，Pre5G包含4个要素：(1)即然与5G有关，那么它一定是采用5G的技术。(2)带给用户远远高于4G，接近于5G的用户体验。例如成倍的吞吐率提升，成倍的延迟降低等等。(3)时间点远远早于2020年。(4)可以基于现有空口，甚至直接采用4G的老终端。

　　有的客户质疑说，5G还没定义，如何定义Pre5G?5G虽然从标准角度确实没有定义，但从需求和关键技术方面，已经被很好地定义了，至少某些技术已经被公认为5G技术了。所以基于这些公认的5G技术以及5G需求，我们定义Pre5G完全是没有问题的。根据Pre5G的上述特征，可以较为清楚地定义Pre5G和4G+、5G之间的区别。Pre5G的性能明显超出4G+标准的定义，但又不需要依赖5G的标准定义，仅基于标准的4G即可实现。因此，即使标准中不出现Pre5G的阶段，也会在实现层面上出现一个介于4G+和5G之间的Pre5G阶段。

　　目前，中兴通讯已经在Pre5G技术方面取得了突出进展，相关Massive MIMO(大规模多天线)、UDN(超密集网络)技术已经具备商用能力，这客观上得益于中兴通讯作为全球领先的电信设备供应商，对4G和5G的深入理解。

　　所以，中兴通讯虽然是业界第一家明确提出Pre5G技术定义和践行Pre5G商用化的公司，但Pre5G这个概念是客户需求驱动出来的。

　　Massive MIMO

　　2014年11月，中兴通讯联合中国移动完成了全球首个TD-LTE 3D/Massive MIMO基站的预商用测试。该测试由中国移动研究院发起和组织，采用中兴最新研制的64端口128天线3D/Massive MIMO的基带射频一体化室外型基站。本次测试重点验证了3D/Massive MIMO对高层楼宇的全面深度覆盖能力。在现网中，普通的8天线垂直方向波束固定且垂直覆盖角度较小，使得高层深度覆盖差、高层干扰大、终端接收SINR和吞吐率低，导致高层用户体验差，这已成为运营商面临的一大难题。

　　3D/Massive MIMO天线则具有3D波束赋形能力，本次测试表明3D/Massive MIMO基站可全面深度覆盖35层的高层办公楼，且其数据吞吐率远远优于8天线基站，其中在35楼，其数据吞吐率是8天线基站的3.36倍。该测试证明3D/Massive MIMO是一种解决高层覆盖的良好技术，仅用一个站即可解决传统基站多个站才能解决的问题。测试结果基本符合预商用要求,标志着中兴通讯完成Pre5G预商用基站外场测试，向5G迈出坚实一步。Massive MIMO是5G中最重要的核心技术之一，甚至可以说是唯一成倍提升频谱效率的技术(其他多数技术只提升空间利用效率，例如更密集地建站，用更多的频谱资源等等)。原理上，Massive MIMO主要有两个方面的作用，一是对广播信道(CRS，PBCH等)可以形成半动态的针对性覆盖，而传统天线只能形成静态的覆盖，因此Massive MIMO的覆盖更好，更有针对性。二是对PDSCH，可以形成完全动态的数字波形，从而大幅度提升小区容量。仿真表明，相比于8天线，容量提升达到4～6倍之多，这是以往任何技术都不能达到的。一般认为，5G的上千倍容量有100倍来自于更多小区和更多的频谱，只有8～10倍来自于频谱效率的提升。因此可以说，Massive MIMO的采用，使频谱效率的体验一下子达到了接近5G的要求。

　　Massive MIMO将天线的端口数从传统的8个，提升到接近甚至超过100个。当天线数增加到上百个时，采用4G传统的信道反馈机制必然产生大量的开销，甚至仅仅参考信号(RS)就能占到整体资源的80%以上。为此，5G中针对信道反馈作了大量研究，达成的一个共识是，必须大幅度修改4G的信道反馈机制。在这种情况下，Massive MIMO听起来与4G差异巨大，是个全新的技术。然而进一步研究表明，在TDD模式下，可利用上行下行对称性，通过上行的信道估计进行下行信道预测。从而在不增加反馈通道的情况下，支持上百个通道的信道测量。相比于直接反馈模式，这种方式的性能更优更快。

　　UDN

　　UDN(Ultra-dense network)也是5G另一项关键技术。在4G中，small cell的数量仍然比较少，因此4G中，涉及Small cell的技术更多地关注与宏网之间的干扰(Hetnet)，而没有太关注small cell之间的干扰。5G UDN部署超密，因此small cell之间的干扰成为主要矛盾。中兴通过研究发现，small cell之间的干扰抑制，在原理上可以沿用中兴在4G宏网中的Cloud Radio技术。所以可以认为，5G UDN技术是中兴4G Cloud Radio的一个自然演进。

　　这是因为，本质上small cell之间的干扰与Macro-Macro干扰一样，属于同构网的组网问题。中兴将Cloud Radio向UDN演进，提出了Virtual Cell技术。传统的小区是物理小区，Cell ID用于标识小区，UE的所有通信基于Cell ID。而在virtual cell中，Cell ID变得不重要甚至消失，由网络动态生成针对特定用户的“UE ID”，在用户看来，感知上等同于有一个虚拟的逻辑站点一直跟随自己的移动，因此业务的平滑性，性能都有大幅度提升。

MUSA

　　MUSA(multi-user shared access)是中兴提出的一项5G技术。传统的通信技术(例如4G)，都是采用“正交”的方法区分用户，也就是说，不同的用户分配不同的自由度(时间、子载波、或空间)，两个用户不能共享同一自由度。而MUSA则为每个用户分配一个码序列，然后把这些用户分配到同一个自由度上。与传统的3G码分多址不同，MUSA为用户分配的码可以是不正交的，只起扩频作用。那么在同一个自由度上如何区分不同用户的信号就需要借助于SIC接收技术(successive interference cancelation)，例如对于两个用户，一个远一个近，远的用户需要被分配更多的功率，因此对近的用户干扰非常大。

　　常规的接收机不能很好地处理这种情况，非线性的SIC接收机可以先解出远端用户的数据，进行干扰消除，从而顺利解出自己的数据。表面上看用户获得了额外的数据，但是并不违反通信规律，只是使数据的流量分配更为均衡，例如，传统通信方法只能在完全牺牲远端用户的情况下获得最大系统容量，但MUSA则可以在一个相对较宽松的条件下，保证较大的系统容量，同时保证用户之间的均衡性。目前关于非正交通信的研究有很多，中兴MUSA的特色在于：性能提升明显并且复杂度可控。另外，由于采用码域方法，可支持大量用户接入，而且，由于采用非正交检测，原则上不需要同步，有利于提升电池寿命，因此MUSA的上行技术非常适合于MTC物联网应用。

　　此外，中兴通讯几年前投入巨资开发4G矢量处理器芯片，由于该芯片平台具有灵活的可软件扩展架构以及超强的处理能力，所以能够在硬件不变，只简单地调整指令集，就可满足Pre5G甚至5G的要求。