頻譜是無(wú)線通信最為寶貴的資源，無(wú)線技術(shù)發(fā)展至今，頻譜利用率已經(jīng)遇到技術(shù)瓶頸。面對(duì)流量飛速增長(zhǎng)的現(xiàn)狀，如何解決頻譜利用率緊張的難題，成為向5G演進(jìn)的關(guān)鍵問(wèn)題。就如何解決4G向5G演進(jìn)路上的技術(shù)難題，我們邀請(qǐng)到了中興通訊首席科學(xué)家向際鷹博士來(lái)為我們解答。
5G前景廣闊，但目前大量?jī)?yōu)秀頻譜被2G/ 3G/4G占用，頻譜資源將成為5G演進(jìn)的主要問(wèn)題。如何解決頻譜資源稀缺的問(wèn)題呢？
向：無(wú)線通信最為寶貴的就是頻譜資源，5G的帶寬需求更大，頻譜資源問(wèn)題也顯得更為迫切。低頻的頻譜路損較小，覆蓋較好，多數(shù)運(yùn)營(yíng)商愿意首選低頻來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋。但優(yōu)質(zhì)的低頻頻譜幾乎都已經(jīng)分配殆盡。
為了解決頻譜問(wèn)題，業(yè)界普遍的看法是，提升頻譜效率是關(guān)鍵，也就是挖潛，看看有什么樣的技術(shù)能夠使頻譜效率進(jìn)一步提升。由于3G、4G通信系統(tǒng)已經(jīng)工作于噪聲極限和單鏈路香農(nóng)極限，理論上不存在大幅提升的可能性?？辗謴?fù)用技術(shù)是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜效率數(shù)倍提升的技術(shù)。因?yàn)樗梢允瓜到y(tǒng)在同一時(shí)間、同一頻段、同一宏觀物理空間上進(jìn)行多路通信而且互不干擾，讓有限的頻譜資源得到最大化的利用。
3G的碼分多址技術(shù)，也能夠?qū)崿F(xiàn)“同時(shí)、同頻、同空間”的多路通信，但是碼分多址采用正交碼區(qū)分用戶，多個(gè)正交碼之間形成一個(gè)自干擾系統(tǒng)，為了滿足正交條件，所有用戶都必須降低傳輸速率，理論上如果N個(gè)用戶同時(shí)通信，則每個(gè)用戶最多用1/N的速率通信，因此碼分多址不能提升極限頻譜效率，其理論極限與時(shí)分復(fù)用是一樣的。而空分復(fù)用在多個(gè)用戶同時(shí)通信的情況下，各個(gè)用戶不需要降低速率，這樣就成倍提升了頻譜效率。
按照國(guó)際通信組織與各國(guó)政府機(jī)構(gòu)的規(guī)劃，5G通信技術(shù)將在2020年左右正式實(shí)現(xiàn)商用，在5G到來(lái)之前，面對(duì)流量飛速增長(zhǎng)的需求，在4G現(xiàn)網(wǎng)中提升頻譜利用率是關(guān)鍵?？辗謴?fù)用技術(shù)如何解決網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中面臨的這個(gè)難題呢？
向：形象地講，通信技術(shù)的升級(jí)換代本質(zhì)上類似于要提升高速公路（即通信管道）的流量——即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)更多的車輛（數(shù)據(jù)）。想要做到這一點(diǎn)有幾種方法：一是對(duì)高速公路進(jìn)行擴(kuò)建，例如將2車道的高速公路擴(kuò)建成8車道，或是將原來(lái)2車道的高速公路修建成上下2層的立體車道。將這個(gè)例子對(duì)應(yīng)到通信領(lǐng)域，擴(kuò)建就相當(dāng)于重新部署新設(shè)備、鋪設(shè)新網(wǎng)絡(luò)，成本極高。二是修改汽車，讓汽車變小，或是將汽車的最高時(shí)速提高，從而讓單位時(shí)間內(nèi)能夠通過(guò)更多的汽車。對(duì)應(yīng)到通信領(lǐng)域，該辦法對(duì)應(yīng)的是修改手機(jī)終端，讓手機(jī)能夠接受更多的數(shù)據(jù)。但由于現(xiàn)有的4G手機(jī)終端的基本架構(gòu)已經(jīng)成型，很難去大改，因此這種方案也不可行。與此同時(shí)，一部手機(jī)會(huì)使用多年，且5G標(biāo)準(zhǔn)與配套的手機(jī)芯片都還沒(méi)有面世，這種辦法也不可行。
空分復(fù)用技術(shù)是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜效率數(shù)倍提升的技術(shù)?？辗謴?fù)用技術(shù)，即通過(guò)自適應(yīng)天線陣列將空間分割，在不同的方向上形成不同的波束，每個(gè)波束可提供一個(gè)無(wú)其他用戶干擾的唯一信道，進(jìn)而讓同一頻段在不同的空間內(nèi)得以重復(fù)利用。這就像是在高速公路上看到其他的車，并且很多車在同一條車道上，但是對(duì)方就像空氣一樣，互不影響。也就是在不擴(kuò)建高速公路（通信網(wǎng)絡(luò)），也不修改汽車（移動(dòng)終端）的情況下提升流量。
2013年，中興通訊開(kāi)始研究空分復(fù)用技術(shù)，是最早從事空分復(fù)用技術(shù)研發(fā)的公司。如今，中興通訊成功將該技術(shù)應(yīng)用到TDD和FDD網(wǎng)絡(luò)中，并且逐漸將自己的先發(fā)優(yōu)勢(shì)發(fā)展成了全面優(yōu)勢(shì)。
Massive MIMO作為空分復(fù)用技術(shù)的一種，被中興通訊率先引入到Pre5G和5G的關(guān)鍵技術(shù)中。Pre5G從2014年提出，到目前的進(jìn)展如何？
向：Pre5G的特點(diǎn)在于，通過(guò)對(duì)基站側(cè)的大量?jī)?yōu)化，用戶無(wú)需更換終端即可提前享受到準(zhǔn)5G的使用體驗(yàn)，提升了運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，Pre5G在基站側(cè)完全可以平滑升級(jí)到5G，不會(huì)浪費(fèi)投資。
利用在空分技術(shù)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),中興通訊相繼研發(fā)了TDD Massive MIMO和FDD Massive MIMO，并努力推動(dòng)商用。
2015年，基于TDD的Pre5G Massive MIMO完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和外場(chǎng)測(cè)試，推出的商用產(chǎn)品也被多家知名運(yùn)營(yíng)商選擇，開(kāi)始商用測(cè)試和部署。2016年2月24日，在西班牙巴塞羅那舉行的2016世界移動(dòng)通信大會(huì)上，中興通訊憑借Pre5G Massive MIMO榮獲全球移動(dòng)大獎(jiǎng)“最佳移動(dòng)技術(shù)突破獎(jiǎng)”和“CTO 選擇獎(jiǎng)”。目前，中興通訊的Pre5G已經(jīng)在全球30個(gè)國(guó)家超過(guò)40家運(yùn)營(yíng)商商用。最早商用該方案的軟銀CEO孫正義在今年2月舉行的GTI大會(huì)上表示：“選擇TD-LTE使我們大獲成功?！彼€指出Massive MIMO是TD-LTE向5G演進(jìn)的重要內(nèi)涵。
2016年底，中興通訊在業(yè)界率先宣布推出FDD Massive MIMO樣機(jī)。
為什么說(shuō)將Massive MIMO成功引入FDD，是一項(xiàng)重大的突破？
向：全球約85%的運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)都是FDD制式，但FDD做多天線空分面臨巨大的困難。對(duì)于FDD-LTE制式來(lái)說(shuō)，由于上下行采用不同頻譜，信道不具備互易性，也就是說(shuō)，在上行看到的信號(hào)變化，和下行看到的不一致，上下行相位有一個(gè)隨機(jī)變化。因此傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為FDD必須用手機(jī)主動(dòng)測(cè)量基站的下行信號(hào)，再通過(guò)消息匯報(bào)給基站，基站才能做閉環(huán)的MIMO。
而Massive MIMO基站有幾十根天線，那么基站將這么多天線信息告知手機(jī)，手機(jī)再測(cè)量后上報(bào)，按現(xiàn)在4G的機(jī)制，已經(jīng)需要占據(jù)100%以上的資源了，所以對(duì)于FDD，如何引入massive MIMO成為核心挑戰(zhàn)之一。
基于在TDD Massive MIMO上的深厚積累，中興通訊經(jīng)過(guò)近1年的努力，攻克大量技術(shù)難關(guān)，創(chuàng)新研發(fā)出基于FDD制式的專利信道算法，依托自研基帶處理芯片強(qiáng)大的處理能力，通過(guò)軟件算法的突破與硬件能力的提升，成功實(shí)現(xiàn)了Massive MIMO技術(shù)在FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，為全球數(shù)百家FDD運(yùn)營(yíng)商構(gòu)筑了一條通向5G的坦途，為現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)提供了新的演進(jìn)路徑和發(fā)展空間，其價(jià)值與意義難以估量。
中興通訊在空分復(fù)用上的技術(shù)積累，已經(jīng)在Pre5G上得到了應(yīng)用價(jià)值的體現(xiàn)，對(duì)于未來(lái)5G的應(yīng)用價(jià)值是怎樣的？
5G盡管還沒(méi)有確定最終標(biāo)準(zhǔn)，大致方向已定，高低頻組合和逐步商用的方式得到業(yè)界普遍認(rèn)可。低頻段只能用空分復(fù)用技術(shù)提升頻譜效率，高頻段的覆蓋范圍小，也要利用空分復(fù)用技術(shù)提升覆蓋，這實(shí)際上用的是一種空分復(fù)用的退化版本。所以對(duì)5G來(lái)說(shuō)，無(wú)論是低頻還是高頻，都極大依賴于空分復(fù)用技術(shù)。
中興通訊Massive MIMO等5G關(guān)鍵技術(shù)在現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)類5G場(chǎng)景中的提前應(yīng)用，領(lǐng)先業(yè)界獲取了大量實(shí)際網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中的商用經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以提前解決商用過(guò)程中遇到的技術(shù)和應(yīng)用問(wèn)題，極大地加速5G核心技術(shù)的成熟和完善，有效縮短產(chǎn)品驗(yàn)證和規(guī)模商用的周期。在此過(guò)程中，中興通訊已申請(qǐng)了幾百個(gè)技術(shù)專利，同時(shí)也結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景中的大量數(shù)據(jù)，為標(biāo)準(zhǔn)組織貢獻(xiàn)了許多更具價(jià)值的提案。Pre5G一方面使4G網(wǎng)絡(luò)受益、現(xiàn)有用戶受益，另一方面為未來(lái)5G提供商用參考，從而真正構(gòu)建4G通往5G的橋梁。中興通訊基于Pre5G Massive MIMO技術(shù)規(guī)模商用帶來(lái)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，將在5G上保持有利地位。