东南大学尤肖虎:5G技术与演进

http://www.broadcast.hc360.com2019年03月20日14:01 来源:慧聪广电网T|T

    【慧聪广电网】3月20日,CCBN2019主题报告会在北京国际会议中心隆重开幕。会议现场,东南大学尤肖虎老师就“5G技术与演进”给我们作主题演讲。以下是演讲实录:

尤肖虎

    尤肖虎:非常感谢邹院长,也非常感谢大会的盛情邀请,能有机会在这个地方,就5G我们已经做了什么,下面还要做什么,作一个简单的汇报。

    这张图给出了移动通信这50年发展大体的全貌,从70年代贝尔实验室发明了蜂窝移动通信,移动通信取得了难以逾越的进展。每一个移动技术的方框是核心的移动通信技术,第四代核心的是OFDM和MIMO,OFDM是正交频分复用,它把非常宽的带宽分成正交整的子载波。它的优点是可以用OFDM快速提升变换,OFDM和DFP有天然的联系,可以非常方便DFP的计算。它解决了移动通信宽带化,它的系统复杂性,不再受限的问题,重点是用OFDM解决宽带化的系统复杂性的问题。

    所谓MIMO是多输入、多输出,也就是在基站侧和手机侧放多个天线同时传送。大家想,多个天线同时传送是不是有干扰?有干扰没问题,把干扰检测出来纠正过来,多时段多个发送,提升了频谱利用率。

    概括出来,第一解决宽带问题,第二是提升频谱利用率的问题,这是4G取得核心的两项关键技术。

    到了5G,我们的核心关键技术是什么呢?很复杂,字母多了一串,原因是移动通信发展到现在,容易做的都做了,剩下的是不太容易做的,很多东西在一起有机形成一个整体才能提升整体性能。

    第一个5G核心、关键的技术,叫做大规模天线阵列,M-MIMO,把基站侧的天线数进一步增加。基站侧天线上升到64个天线、128个天线,毫米波研究128个天线,通过天线数的增加提升整个系统能力。大家能想到,天线数增加提升波束,波束提升很显然波谱利用率提升。

    第二个是UDN,频度高了,要网络密集布施。

    第三个是非正交多址接入,解决小数据包的接入问题。我们在传输的过程中,不但有5G+高清还有微信,加一个字母发出去了“Good(好)”发出去,占有的资源比较小,颗粒度相对比较大,怎么把小数有效传输,在5G里非常关键。

    网络虚拟化(NoMA),利用数据中心技术,取代过去单台的专用设备,利用数据计算的灵活性动态调配资源,适应更为复杂的场景。讲到的这个时候,我把5G的一些关键技术都讲得差不多了,下面是一些细节的东西。

    我们来看一下5G的愿景。左边这张图是ITU给出5G发展的愿景,包含三个维度,最上面的三角是增强宽带,把传输数据、传输容量进一步提升。下面两个角分别是针对物联网进行的,右下角是高可靠、低时延,重点应用于车联网、智能电网、工业互联网,这种任务关键型的应用必须非常可靠,时延要相对比较低,这类的应用。

    左边右下角是海量机器中心,就是我们的传感器,无线传感设备,它可能到处撒,成本非常低。可以用小的钮扣电池供电,几年内不用换电池,这是海量的机器互联。这是ITU给出的5G的三大应用场景,或者是发展的愿景。有愿景,但要落实到具体的技术上是这样的维度。

    上面是移动技术传输性,2G、3G、4G重点考虑这两个维度。剩下四个维度覆盖,比如物联网讲究覆盖,比如电表抄表,大家在地下一层、地下二层,人不怎么去的地方,电波打不进去,但必须打进去,否则电表没法抄表,所以覆盖非常重要。

    海量DP通信,必须解决钮扣电池供电,最好打造十年的周期,不用换电池,低成本。

    第五个维度是可靠性,刚才已经讲过。另外是时延,刚才也已经讲过。所以,从愿景到KTI关键技术指标,大约是这样六个维度。

    我们国家为5G的发展作出了我们初始性的贡献,大约五年前成立了2020推进组,为5G发展作出中国人的贡献,我们大部分体验被ITU接纳。右面是IMT-2020形成的整体框架,上面是统一的空中接口,下面的部分是新型的网络构架,大致可以看一下。要求是一个灵活的系统设计,无线传输空中接口,必须非常灵活,来适应不同的应用场景。

    然后是新的无线技术,第三个是大规模天线阵列,加上网络构架有四个基本的元素,包括网络虚拟化切片,我们把数据计算资源怎么切成一片一片,来灵活地去调度。

    边缘计算,边缘计算是降低车联网及其他低延时的关键技术。大家可以想象,在网络里面跳入跳出一定时延大,尽量减少跳出,最好一跳就能回到终端,这样时延当然降低。

    另外,要把限令构架重新构架,所谓控制平面和数据平面进行分离的问题。另外是整个网络分布化,设计非常多的分布式节点等等。

    这是我们给出整个5G的基本构架。

    围绕这样的构架,形成更为下面一层的候选技术,大部分技术都入选了国际标准。大规模天线阵列、非正交多址接入、解决小数据的传输问题。新型的多流编码,包括密集网络布式等等,下面网络虚拟化、边缘计算等等。

    这是对无线传输层面三个方面核心技术更进一步的解释,时间关系一带而过。

    灵活的系统设计,怎么做到的?实际也非常简单,就是把空口,空中传输接口,设计多达62个帧格式,提供花样繁多的传输格式。为什么提供这么多的传输格式呢?数据是一个包一个包的传,一帧传过去,必须把一帧接收完后续才能处理。这就决定了空中的延时。如果这样的帧结构定义得非常远,很多效率降低了,否则时延长增加。来设计各种各样复杂的应用场景,这是灵活的空中接口系统设计的基本的想法。实际上也非常简单,性能更优越的编码,华为为这样的编码做出了中国人的贡献,被大家熟知。MIMO被接入,这项工作仍然在进行中,中国的研究机构、企业在这方面也作出了非常重要的贡献。比如这个工作组是由中信通信牵头做的这样的工作组。

    到目前为止已经发布了两个关于5G的版本,随后这些版本还在不断完善发展过程中,下一步要形成完整的R15和R16版本。集中在这些方面,一是非正交多址接入,怎么固化到国际标准中?另外是怎么支持车联网这样一个应用场景?因为车联网的应用场景相对比较复杂,它和传统的蜂窝构架不一样,它需要路边的设备,多出来这样一个节点。所以必须更为细致考虑车联网的场景。

    第三是高可靠低时延,固化到咱们的版本之中。5G不是一个点,是一个线,它的发展不是在某一个点终结,而是某一条线不断向前演进,我们要正确认识5G。

    关于频率,我们国家已经给出5G的频率,2.6、3.4-3.6、4.8-4.9,频谱分配已经完备。更高的频段,要在今年的大会上进行讨论,我们国家从20到40G比较宽的频段上,较为有希望的是在27和39,这两个频段上有可能被选为5G下一步毫米波的频段。

    下一个问题是5G来了4G怎么办?4G和5G之间的关系是什么样?实际上是挺复杂的一件事情。因为4G发展得是非常成功的,大家都知道,特别微信支付等等普及,得益于4G网络的支撑,如果没有4G网络支撑的话,微信支付是不通的。大家不知道有没有这个体会,4G做得非常成功。保护的网怎么演进变成业界非常关注的问题。

    “独立组装”和“非独立组装”的两个基本概念,4G网络基础上加上5G空中传输叫非独立组装。独立组装是核心网络、空中接口全部是全新的,这是两种基本的配置。围绕这两种基本配置分别发布不同的版本,R15的版本本来预计很快发出来,但现在有所延迟。然后也给出很多不同的方案,供运营商选择,可以在4G基础上选择,也可以从某一个环节上把5G接进来,也可以端到端全新的5G等等。

    最后,在对4G和5G做一个对比,这也是大家比较关心的问题。5G来了,相当于4G到底发生哪些变化呢?这里总结一下,不见得全面、也不见得全面正确,大体反映从4G到5G的一些变化。

    分几部分:一是物理层部分,一个是网络层部分。物理层部分就是,我们用统一的空中接口来支撑ITU的三大应用场景,这是4G到5G本质性的变化。过去不会考虑物联网、车联网,只考虑把手机性能提升上去,速率提升上去,这是我们从4G到5G大大转变。

    二是提供了非常灵活的空中接口,它的选项达到62个之多。

    三是 采用大规模天线阵列,从64到128,到毫米波的1024,都在努力的过程中。这个实际上在空间维度上对频谱加以更加充分的利用,在第一页我没有展开说,我们频谱利用率,现在已经大约可以做到每赫兹50比特甚至到100比特,这样的效率,这在过去2G时代是难以想象的。它的频谱利用率,随着技术进步当然付出巨大的代价,是量级提高。

    第四个是NoMA,如何解决4G不能解决小数据传输的问题。4G微信的支撑是很弱的,非常浪费资源,到5G有望很好地解决。

    另外是网络层,我们引入网络的构架,就是把传统电信的信令,包括信号信令,引入全新互联网的信号构架。网络虚拟化、边缘计算,以及CU/DU分离、分布式天线、分布式远端拉远的分布覆盖等等。这都是从4G到5G新的变化。

    概括起来,我们更加灵活了,我们要有更多的自由度需要去管理,比如过去不会有这么多波束,过去不会用数据中心来做,过去数据中心把很多东西复合在一起,动态的东西多了,所以维护网络的难度更大。希望下一步更多依靠人工智能的方式,来解决这些问题。

    下面简单介绍中国这几年5G取得的进展,大家知道我们在怀柔建了5G试验厂,稳步推进5G发展。第一,对关键技术进行验证;第二项技术对单个系统进行验证;第三步对整个网络进行验证。经过这几年的努力,我们取得了非常重要的进展,支撑了咱们国家整个5G的发展。

    这是在5G怀柔试验厂测试的情况,包含M-MIMO、非正交、毫米波等等,这项工作做得非常扎实,并且我们是开放,整个全世界所有的供应商都可以参加到我们的试验环节中,共同发展推动5G技术的发展。

    这是在网络侧做的一些测试的工作,包括虚拟化、边缘计算、新型构架、功能的重新划分等等。

    这是我们实验室自己做的一些工作,实际上是更底层、更基础的层面,移动通信国家重点实验室与八所大学、四个企业合作,成立了2011无线通信技术协同创新中心。就5G非常核心的技术进行验证。譬如大规模天线阵地,构建1024大规模天线阵地,这是世界上大规模的,实际应用不可能这么大。我们探索极限系统,包括如何用全数据中心,从物理层到链路层到网路层全部虚拟化接入服务器,物理层的问题靠服务器解决。分布式天线系统、构架等等。

    下一步要做的就是进一步在网络构架和关键技术上提升。两个基本的途径,一是采用新型构架,把“蜂窝”这个概念,从贝尔实验室最初提出来,把它彻底去除掉,已经到了这个阶段。我们给出蜂窝构架,把所有蜂窝联合起来,做联合信号束的非蜂窝构架,做了理论上的对比。这种蜂窝构架随着网络的密集化存在一个拐点,密集到一定程度容量下降,饱和度下降。如果所有蜂窝联合密集处理的话,它的系统容量可以不停地上升。

    通过这样构架做了理论分析,系统容量持续上升。在系统容量持续上升的情况下,功率利用率可以持续提高。当然带来的问题是网络密集度越来越大,投入成本越来越高。到了5G,并不像有些专家说,5G做得那么完美、提的目标那么高大上,是不是终结了呢?不是的。理论上已经指出,随着新型网络构架和计算能力的增强,系统容量仍然可以持续地提升,我仍然有非常大的空间进一步向前发展,这是我们为未来做一些基本性的探索给出的初步的结论。当然带来的问题是成本。所以怎么构建低成本的网络,可能是未来5G乃至6G发展的非常核心的瓶颈因素。

    当然另外一个方式提升容量是新的频段就是毫米波。前期2011协同创新也做了大量工作,毫米波那么高的频段,能在城市层面上做室外的连续覆盖吗?能从室外覆盖到室内吗?这都是非常基本的一些问题。所以光靠理论研究没有用的,只能做测量,所以我们做了大量的测量工作。

    包括研制一些核心的关键技术,大规模天线阵列,我们已经初步研制出可以支持1024毫米波天线阵列。也做了一些测量,毫米波覆盖的情况比我们想象的要好,譬如我们在新街口,树一个1024天线的阵列,覆盖范围达到几百米甚至上公里,是完全可以做到的,根据我们初步的测量结果。所以毫米波如何在地面移动通信有效地利用,它的空间是非常大的,可研制的东西是非常多的。

    我给几张胶片的目的,实际上想给大家一个提示,就是说5G不是终结,我们仍然有非常多的东西需要去研究,整个系统能力大幅提升的可能性仍然存在,但是成本是关键。无论密集布设网络,还是毫米波技术,因为它需要大规模天线阵列支撑,都面临成本的制约,如何突破成本的制约,是我们下一步的关键。

    最后是6G。大家都知道,“6G”这个概念现在媒体上已经逐渐开始出现,前几天美国FCC已经发布6G频谱,特朗普也提出空中实现6G。但到目前为止,6G并没有统一的共识,我只能说大体总结、概括一下,6G它的愿景和发展的目标。可以用这九个字概括“全覆盖、全频谱、全应用”。

    所谓“全覆盖”是进一步拓展移动通信覆盖的范围。实际上移动通信对边缘地区的覆盖,对海上覆盖是非常之薄弱的,靠传统的方式是难以支撑的,因为它的成本是非常高的。比如非常偏远的地方,靠光纤、靠基站布设显然不经济,需要天地融合,来支撑我们覆盖范围的进一步扩大。特别是物联网的应用,往往很多没有人的地方需要物联网,需要物联网的应用,恰恰那个地方地面覆盖是不经济的。我们怎么样实现天地融合的全覆盖,是下一步要发展的方向。

    第二个是所谓的“全频谱”。一方面要把现有的频谱资源加以有效利用,重耕现有的频谱,使频谱效率从1比特、2比特到几十比特到上百比特,我们研究探索能不能达到上千比特。不见得能用,但我们可以探索它。如果把频谱利用率不停提升,这也是非常宝贵的,就看成本的制约。更为重要的是把毫米波、太赫兹、可见光未开发的资源利用起来,实现全频谱的覆盖和有效利用。

    第三是“全应用”。我们的5G已经逐渐演变成面向全行业、全社会的信息基础设施。到了6G,我们预计,它的应用的普遍性会更加广泛。而用同一个网络基础设施来支持各种各样繁杂的应用,面临的任务是非常艰巨的。从我刚才介绍5G的过程中,大家已经看到,我们必须把大数据和人工智能的有效地引入6G的设计中,现有初步的研究成果表明,人工智能和大数据技术有可能完全颠覆式地改变我们的设计理念。比如把通信链路变成黑盒子或灰盒子,直接训练它,不需要设置调制器、编码器、均衡器等等,这些初步研究表明,大数据、人工智能可以改变整个网络的未来。

    总的来说,6G应该是IDCT深度融合,智能技术、大数据技术、通信技术将在6G有机融合,构建面向未来2030移动信息基础设施。

    我的报告就到这。时间关系,水平有限,请各位批评指正。谢谢!

责任编辑:常丽圆

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