向际鹰：空分复用是实现5G的关键

　　频谱是无线通信最为宝贵的资源，无线技术发展至今，频谱利用率已经遇到技术瓶颈。面对流量飞速增长的现状，如何解决频谱利用率紧张的难题，成为向5G演进的关键问题。就如何解决4G向5G演进路上的技术难题这个话题，本刊采访了中兴通讯首席科学家向际鹰博士。

　　5G前景广阔，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呢？

　　是的，无线通信最为宝贵的就是频谱资源，5G的带宽需求更大，频谱资源问题也显得更为迫切。低频的频谱路损较小，覆盖较好，多数运营商愿意首选低频来实现大范围覆盖。但优质的低频频谱几乎都已经分配殆尽。

　　为了解决频谱问题，业界普遍的看法是，提升频谱效率是关键，也就是挖潜，看看有什么样的技术能够使频谱效率进一步提升。由于3G、4G通信系统已经工作于噪声极限和单链路香农极限，理论上不存在大幅提升的可能性。空分复用技术是唯一能够实现频谱效率数倍提升的技术。因为它可以使系统在同一时间、同一频段、同一宏观物理空间上进行多路通信而且互不干扰，让有限的频谱资源得到最大化的利用。

　　3G的码分多址技术，也能够实现“同时、同频、同空间”的多路通信，但是码分多址采用正交码区分用户，多个正交码之间形成一个自干扰系统，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，则每个用户最多用1/N的速率通信，因此码分多址不能提升极限频谱效率，其理论极限与时分复用是一样的。而空分复用在多个用户同时通信的情况下，各个用户不需要降低速率，这样就成倍提升了频谱效率。

　　按照国际通信组织与各国政府机构的规划，5G通信技术将在2020年左右正式实现商用，在5G到来之前，面对流量飞速增长的需求，在4G现网中提升频谱利用率是关键。空分复用技术如何解决网络演进中面临的这个难题呢？

　　形象地讲，通信技术的升级换代本质上类似于要提升高速公路（即通信管道）的流量——即单位时间内通过更多的车辆（数据）。想要做到这一点有几种方法：一是对高速公路进行扩建，例如将2车道的高速公路扩建成8车道，或是将原来2车道的高速公路修建成上下2层的立体车道。将这个例子对应到通信领域，扩建就相当于重新部署新设备、铺设新网络，成本极高。二是修改汽车，让汽车变小，或是将汽车的最高时速提高，从而让单位时间内能够通过更多的汽车。对应到通信领域，该办法对应的是修改手机终端，让手机能够接受更多的数据。但由于现有的4G手机终端的基本架构已经成型，很难去大改，因此这种方案也不可行。与此同时，一部手机会使用多年，且5G标准与配套的手机芯片都还没有面世，这种办法也不可行。

　　空分复用技术是唯一能够实现频谱效率数倍提升的技术。空分复用技术，即通过自适应天线阵列将空间分割，在不同的方向上形成不同的波束，每个波束可提供一个无其他用户干扰的唯一信道，进而让同一频段在不同的空间内得以重复利用。这就像是在高速公路上看到其他的车，并且很多车在同一条车道上，但是对方就像空气一样，互不影响。也就是在不扩建高速公路（通信网络），也不修改汽车（移动终端）的情况下提升流量。

　　2013年，中兴通讯开始研究空分复用技术，是最早从事空分复用技术研发的公司。如今，中兴通讯成功将该技术应用到TDD和FDD网络中，并且逐渐将自己的先发优势发展成了全面优势。

　　Massive MIMO作为空分复用技术的一种，被中兴通讯率先引入到Pre5G和5G的关键技术中。Pre5G从2014年提出，到目前的进展如何？

　　Pre5G的特点在于，通过对基站侧的大量优化，用户无需更换终端即可提前享受到准5G的使用体验，提升了运营商的网络竞争力。对运营商来说，Pre5G在基站侧完全可以平滑升级到5G，不会浪费投资。

　　利用在空分技术方面的领先优势,中兴通讯相继研发了TDD Massive MIMO和FDD Massive MIMO，并努力推动商用。

　　2015年，基于TDD的Pre5G Massive MIMO完成产品开发和外场测试，推出的商用产品也被多家知名运营商选择，开始商用测试和部署。2016年2月24日，在西班牙巴塞罗那举行的2016世界移动通信大会上，中兴通讯凭借Pre5G Massive MIMO荣获全球移动大奖“最佳移动技术突破奖”和“CTO 选择奖”。目前，中兴通讯的Pre5G已经在全球30个国家超过40家运营商商用。最早商用该方案的软银CEO孙正义在今年2月举行的GTI大会上表示：“选择TD-LTE使我们大获成功。”他还指出Massive MIMO是TD-LTE向5G演进的重要内涵。

　　2016年底，中兴通讯在业界率先宣布推出FDD Massive MIMO样机。

　　为什么说将Massive MIMO成功引入FDD，是一项重大的突破？

　　全球约85%的运营商移动网络都是FDD制式，但FDD做多天线空分面临巨大的困难。对于FDD-LTE制式来说，由于上下行采用不同频谱，信道不具备互易性，也就是说，在上行看到的信号变化，和下行看到的不一致，上下行相位有一个随机变化。因此传统观点认为FDD必须用手机主动测量基站的下行信号，再通过消息汇报给基站，基站才能做闭环的MIMO。

　　而Massive MIMO基站有几十根天线，那么基站将这么多天线信息告知手机，手机再测量后上报，按现在4G的机制，已经需要占据100%以上的资源了，所以对于FDD，如何引入massive MIMO成为核心挑战之一。

　　基于在TDD Massive MIMO上的深厚积累，中兴通讯经过近1年的努力，攻克大量技术难关，创新研发出基于FDD制式的专利信道算法，依托自研基带处理芯片强大的处理能力，通过软件算法的突破与硬件能力的提升，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运营商构筑了一条通向5G的坦途，为现有4G网络提供了新的演进路径和发展空间，其价值与意义难以估量。

　　中兴通讯在空分复用上的技术积累，已经在Pre5G上得到了应用价值的体现，对于未来5G的应用价值是怎样的？

　　5G尽管还没有确定最终标准，大致方向已定，高低频组合和逐步商用的方式得到业界普遍认可。低频段只能用空分复用技术提升频谱效率，高频段的覆盖范围小，也要利用空分复用技术提升覆盖，这实际上用的是一种空分复用的退化版本。所以对5G来说，无论是低频还是高频，都极大依赖于空分复用技术。

　　中兴通讯Massive MIMO等5G关键技术在现有移动网络类5G场景中的提前应用，领先业界获取了大量实际网络场景中的商用经验和实测数据，可以提前解决商用过程中遇到的技术和应用问题，极大地加速5G核心技术的成熟和完善，有效缩短产品验证和规模商用的周期。在此过程中，中兴通讯已申请了几百个技术专利，同时也结合实际场景中的大量数据，为标准组织贡献了许多更具价值的提案。Pre5G一方面使4G网络受益、现有用户受益，另一方面为未来5G提供商用参考，从而真正构建4G通往5G的桥梁。中兴通讯基于Pre5G Massive MIMO技术规模商用带来的先发优势，将在5G上保持有利地位。