TDD Pre5G：让网络价值倍增

张诗壮　中兴通讯TDD产品规划部长

　　4G已经规模商用，根据不完全统计分析，国内一线城市的4G移动网络在2017年底开始预计有5%~10%的超热小区，采取普通的LTE载频扩容方案已经无法满足用户感知需求。TDD Pre5G解决方案，能够成倍提升频谱效率，解决4G和5G过渡阶段，网络容量增长的困难和挑战。

后4G时代，LTE面临巨大挑战

　　2017—2020年，4G现网业务发展面临一系列趋势和挑战：网络容量需求大幅增长、热点区域容量挑战巨大、小区边缘用户体验提升，以及4G网络和未来5G网络的融合问题。

　　●　网络整体容量需求将有5~10倍增长

　　根据思科的预测，2020年移动流量将是2015年的10倍；中国移动的现网统计显示2015—2016年流量增长2倍以上；日本现网统计，单用户每年流量复合增长率为40%。4G流量将占到总体移动流量的70%以上，根据美国运营商Verizon的数据，其已有超过90%的流量承载在LTE网络。

　　●　网络容量分布不均衡，热点区域挑战大

　　根据不完全统计分析，国内一线城市的4G移动网络在2017年底开始预计有5%~10%的超热小区，需要提供容量扩展的网络解决方案。

　　●　单用户单种类业务速率要求更高，小区中心到边缘均需提供稳定的用户速率

　　视频业务将成为移动互联网最重要的业务，思科乐观预计，75%的流量将来自视频。视频业务将逐渐从2K向4K高清和VR/AR发展，单用户单业务需求速率也从6Mbps到45Mbps（4K视频）。高清视频业务的发展，至少要求网络提供稳定的2K业务速率，且小区边缘和中心的用户体验一致。目前小区边缘网络规划在1Mbps左右，远远无法满足视频业务发展需求。

　　●　物联网新业务引入的挑战

　　IoT和车联网业务逐渐规模应用，根据思科的预测，2020年将会有500亿个连接，是现在的数10倍。

　　●　新建4G网络如何与5G网络融合

　　新建4Ｇ网络和5G网络的融合，是2017年各大运营商开始关注的焦点问题。

　　5G网络和终端产业链规模商用业界预计在2020年以后，大部分问题还是需要在4G LTE网络阶段解决。

　　量化总结后4G时代移动网络面临的挑战，如表1所示。

ZTE Pre5G，构筑通往5G的桥梁

　　针对运营商面临的上述挑战，中兴通讯提出Pre 5G方案，该方案能够持续提升LTE网络的承载能力和性能，具备平滑演进到5G网络的能力。

　　ZTE Pre5G聚焦4大方向：Giga+MBB、极致体验、大规模IoT、网络云化。大规模IoT更适合在低频段FDD网络承载，本文主要讨论ZTE TDD Pre5G容量解决方案：Giga+MBB、极致体验和网络云化。

全网容量提升手段

　　容量提升的手段可以归纳为：更多的频谱、更高的频谱效率和更密集的小区。

　　●　更多的授权频谱资源：在2020年5G技术规模商用之前，获取并使用TDD频谱资源是大势所趋。TD-LTE和FDD LTE产业链合一，大部分终端同时支持；TD-LTE目前的候选频段（B39、B38、B40、B41、B42、B43）都是稀有低频段大带宽可用资源； TD-LTE可以提前应用5G的Massive MIMO技术，提升频谱效率，倍增等效频谱带宽；TDD频谱拍卖价格低于FDD。

　　●　更多的非授权频谱资源：可以利用LWA和LAA技术，应用干扰检测技术，合理利用非授权频谱资源，达到频谱资源翻倍的效果。

　　●　更高的频谱效率：目前唯一能够让频谱效率翻倍的技术就是多天线技术Massive MIMO+SDMA技术，最大能够达到6~8倍增长。

　　●　更多的站点、更小的蜂窝：针对热点区域，在频谱资源和频谱效率都无法提升的情况下，需要部署更密集的站点资源来提升热点区域的局部超大容量需求，重点解决方案为Pre5G UDN。

　　上述全网容量提升手段中，Massive MIMO是唯一在不再生频谱资源前提下，频谱效率和容量翻倍的技术，后文将重点阐述。

单用户速率和边缘用户感知提升手段

　　移动用户体验的重点在于，用户可获得速率和业务速率的一致性。

　　●　CA：频谱资源聚合，提升单用户的峰值速率，该技术比较成熟。

　　●　SDMA+MU-MIMO：多用户大容量场景下，依靠空分复用，让单用户可用的频率资源翻倍，达到提升单用户速率的目的；重点解决方案为Massive MIMO。

　　●　干扰控制和协同：通过波束赋形、资源避让、多小区协作CoMP等多种解决方案来改善网络性能和边缘用户感知。重点解决方案为CoMP&Massive MIMO。

　　●　用户为中心的网络：确保用户在小区边缘的性能满足业务需求。重点解决方案为Pre5G UDN。

　　上述用户感知提升的技术手段中，TDD Massive MIMO和Pre5G UDN是现网各类场景中的关键技术，后文将重点阐述。

Pre5G Massive MIMO，实现容量翻倍

　　Pre5G Massive MIMO是LTE网络演进的关键技术之一。Massive MIMO基于用户信道进行高精度测量和拟合，并利用该结果进行水平面和垂直面的多天线三维波束赋形，形成极精确的用户级超窄波束，从而避免了多个用户级波束相互之间的干扰，大大提升系统级容量。基于上述原理，可以将Massive MIMO这一5G热门技术提前在4G应用。

　　信道精准测量，是Massive MIMO的核心技术之一。如图1，基于TDD制式的Pre5G Massive MIMO，可以利用信道互易性的天然优势，不需要终端的反馈就获取到下行信道的信息，节省了上行信道开销，避免了上行反馈信息量化损失，摆脱了传输带宽的约束，能够更好地保障下行信道信息获取的精度。这也正是Pre5G TDD Massive MIMO的重要优势。

　　Pre5G TDD Massive MIMO使用大规模天线阵列，同时支持水平维度和垂直维度的3D波束赋形，将能量定向投放到用户位置，提供比现有的8天线产品更为强大的空域滤波能力，提供更多的空域正交信道，支持更多的空间复用流数，成倍提升小区频谱效率和吞吐量。小区峰值最高达到普通LTE小区的6倍以上。

　　主要的改进点在于：空分激活比例，SDMA在MM覆盖区域是普通区域的10倍以上；频谱效率增长6~8倍；设备兼容性高，所有终端都可以利用该技术，不存在其他新技术启用的终端渗透比例问题。

　　Pre5G TDD Massive MIMO不仅可以向前兼容现网终端（R9及以上），还可以充分利用现有的站址和频谱资源，是最有效整体提升用户体验和网络竞争力的解决方案。各种技术提升频谱效率的效果对比如图2所示。

　　Pre5G Massive MIMO不仅能显著提升小区吞吐量，在改进边缘用户速率、提供稳定的用户感知等方面都表现出色。广州移动的外场测试表明：Massive MIMO和普通宏站小区基本同覆盖的条件下，Massive MIMO小区UE的低速率区域比例明显降低，下行速率大于6Mbps区域占比，Pre5G TDD Massive MIMO小区是95%以上，而TD-LTE 8T8R宏站小区是80%左右。在Pre5G TDD Massive MIMO小区的覆盖范围内，可以保证视频业务的连续覆盖和较好的用户感知。

　　中兴通讯已经推出的Pre5G Mas-sive MIMO基站采用64T64R大规模天线，并已与20多家国内外运营商展开了Pre5G网络的部署，与众多主流运营商展开深度合作，如中国移动、德国电信T-Mobile、日本软银、韩国KT、马来西亚U Mobile、奥地利和记Drei等。

Pre5G UDN，“以用户为中心”的体验

　　针对现有网络逐渐密集，小区覆盖重叠和干扰严重的问题，中兴通讯通过对干扰管理与抑制、移动性增强等关键技术的深入研究，提出基于现有网络架构的，以用户体验为中心的Pre5G UDN解决方案。

　　Pre5G UDN解决方案通过局部热点区域加密部署小区、提升单位面积的TDD容量密度，增加基站部署密度，采用小区间抗干扰技术，实现系统频率复用，使效率和网络容量得到大幅提升，并保障用户体验的一致性。

　　Pre5G UDN解决方案中最关键的D-MIMO技术，利用和Massive MIMO同样的原理，将Massive MIMO多天线分散到密集部署的多个小型化RRU，组成D-MIMO小区簇。利用TDD上下行互易性，D-MIMO簇的多小区相干协作传输，通过合理选择周围小区进行联合协作传输，终端对来自于多小区的信号进行相干合并避免干扰，对系统频谱效率有明显提升；基于分簇的多小区频率资源协调，按照整体干扰性能最优的原则，对密集小基站进行频率资源划分，提升边缘用户体验。

　　Pre5G UDN解决方案为提升用户极致体验，提出了虚拟小区技术，核心思想是“以用户为中心”分配资源，达到“一致用户体验”的目的。方案为UE提供无边界的小区接入，随UE移动快速更新服务节点，使UE始终处于小区中心；UE在虚拟小区的不同小区簇间移动，不会发生小区切换/重选。虚拟小区使UE在D-MIMO簇间移动时无切换，获得一致的用户速率体验，平均SINR预计提升21%，平均下载速率提升15%，实现无缝高速率体验。