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冯志勇 5G技术及计算无线电

发表日期:2015年12月11日      共浏览 602 次      编辑:


大家上午好!从我们做通讯的角度来说,我现在从无线这一块看一下网络的发展趋势。我的汇报包括四部分内容,先看一下现在比较热的5G的特征及需求,然后介绍一下几个关键技术,再介绍一下计算和通信结合的无线网络。

通信网络刚才几位专家也介绍了从电话网到数据网的趋势,它最早支持语音,到数据,我们现在进入4G、5G时代,它的业务除了传统的互联网的面向人的业务以外,增加了很多物联网和现在的工业互联网的内容,现在进入了一个超宽带时代,网络也从原来独立的网络进入到融合的趋势,这个融合体现在各种网的。

无线网大家知道,从1G到4G讲的都是蜂窝移动通信系统,并且主要改善的是面向人的通信,不管是语音还是数据,是面向人的,速率从1G到4G不断的提高,到5G以后是融合网络,在5G时代蜂窝和WIFI各种技术融合起来,来满足我们除了互联网以外的,还有物联网工业的需求。5G和其他不一样的,它从面向人的移动互联网走向了支持物联网和各种的工业网络,对它的需求也是从原来的语音单纯业务到低速数据,到超宽带的业务需求。所以5G面临了很多挑战,一个就是它的用户数,连接设备的数量都成指数的成长。中国移动统计说,现在的移动用户数是几亿,如果把物联网加进来就不是这个级别了,成百上千的用户都要连接到网络当中来,在5G里面爆炸生长带来了很大的挑战。

像智能交通,车联网,增强现实虚拟现实等各种的新的需求,对网络来说,它的压力业务种类比以前丰富的多。用户体验要求提升,1G到4G是带宽的提高,下一步我们有更多的需求以外,我们需要的是GBT,如果支持物联网,它的要求是毫秒级的,对用户的体验完全不同了。这是5G的特性和原来不一样的地方。

我们看一下5G网络的场景,一个属于面向人的广域的副将,还有低功率的大的连接,都连接到网络上来了,像车联网,面向高铁需要低时延,高能耗。

关于5G,这是ITU定义的三个应用场景,这个三角形应该说是上面的角是我们从1G到4G在的事情,5G还要再增强,面向移动宽带网的,还有一个角是万物互联网,我们说它连接数量多了很多,大规模的及时通信,面向高可靠低时延的互联网,这三个场景的要求完全不同,从时延上是完全不同的。一个5G要承载这么多,做这么多事情,难度也是很大的。

这个支柱图是ITU现在给出来的关于5G的各种性能的要求,从它的峰值速率,还有评估效率,移动性,以及连接数量都给出了一些需求,重点要满足刚才说的三种不同的场景,移动宽带的场景面向人的,以及高可靠,低时延的场景,这是目前ITU关于5G的关键性能指标的系统需求。

5G从狭义上讲,原来的移动通信从1G到4G主要改善的是无线接入网,接入5G以后不光是一个无线接入的事情了,为什么呢?因为一个我们网络融合以后发生了变化,从LP开始该支持全IP了,现在中国移动要上基于语音的IP,现在用4G打电话走的还是2G,马上要变成4G了,这个界限越来越模糊,5G在网络上也要做很多的改进,做很多的技术,才能满足各种需求。对无线接入来说,对无线的需求挑战更大,这是具体的一些场景。

5G的关键技术在普及当中应用,这是可能的场景。到5G的时候,为了增加空间自由度,要做到120天线的,我们的实验已经开始来做的,就是大规模天线。还有更先进的无线接入技术,还有一些灵活的技术。会有些新的调制和微码技术,还有一些技术解决方案可以用到的,比如超密集的网络,还有低时延高可靠性的网络,设备直通技术,以及我们会使用更高的频率,5G发展的其中一个挑战,就是频补资源,对5G来说,永远的难题是有限资源下的提升。所以5G会用高频段,毫米波,现在在讨论给5G的频率问题。

5G不光是风口上的一点事,网络也会做变革。一个网络架构会不同于4G,还会用到刚才几位专家用到的一些新技术,一个是CRAN技术,相当于把这个无线云的方式利用,多无线接入网的协调,还有移动CDN,这次大会上大家多次提到了很热的词都会在5G网络上使用,提升网络的一些性能。

刚才提到频率问题,是5G的一个大问题,我们中国的4G牌照发放比较晚,是因为找不到频率,5G现在也是这个难题,它的频率问题。它的需求越来越多,但是现在的频率有限,除了低频段,5G还要高频段,就是毫米波的,对我们国家来说是硬件上,我们国家的器件上受到了制约,现在也是正在公关关于这方面的内容。

5G按它的规划,2020年要商用化,现在关于5G的标准,最早是在ITO讨论的,它的框架,它的需求在这里讨论。目前5G技术R13版本正在制定5G的一些技术。我们国家有一个5G的推动组,是工信部组成的一个专家组。

5G网络其中有一块,无线网络最大的问题就是有限资源下的容量提升,怎么提高它的容量,5G容量的提升,其中一种有效的方法,用这种密集化的分层网络来实现。这个网络的容量跟空间复用因子有关,还有带宽,信号记收机的信号有关,通过这种分层网络,可以提高容量。所以5G是超密集网络。空间的这种密集化我们会用大规模的MIMO,为了增加容量,我们还用更小的小区。

还有资源利用率的提升,用户中心化的,或者以数据为中心的,内容为中心的传输方式。原来的传输只是信息来了我就传,是什么,传几遍我就传,这是比较傻的,可能5G的时候就要考虑,一个内容传下来,用这种内容为中心的,或者这种方式让它在空中少传几次,节省我们的资源。比如这是机站,有些内容已经发到一个终端上了,一个同学已经把一个视频下载在自己手机上了,不需要再取一次了。

5G的业务特性,这里有一张表,是关于信息论对无线通信的指导作用,信息论一直是我们做无线通讯的一个基础。这个图是横轴是它的用户数,纵轴是传输带宽,有五个区域,这是信息论给出的一个极限,这个地方按照限制,用户数和综合考虑用户数的时候,这个是不可达的。用户数连接属于中间的一个区域,用户数不是特别多。面向物联网的在这个区域,它要求熟虑不高,但是要高可靠的低时延的业务类型在这个区域。这几个区域都在做,我们做不同的业务需求,可以看到难度是很大的。刚才我们说了第五区域是不可达的,这个时候不能光从通信的角度看,我们可能会用CBN的方式,用存储换取容量。现有的蜂窝网是比较单一的,这五个区域需求是完全不同的,原来只做一个区域,现在这几个区域都要去做。

这是系统研制的一些难题,只是举了两个例子,一个是大规模天线,在硬件上,信号处理上难度都比较大。新型无限网络的需求,我们要满足各种业务,时延要做到一毫秒,一毫秒是非常难的,并且要端到端的时延,还有多样化业务的挑战,这都是无线网络面临的一些难题。这是5G网络的一些内涵和问题。

我们看一下无网络在通信系统中的作用。从2G中有一些简单的计算,5G就需要更高复杂的计算了。这张图我们看到无线通信从单传输到3G、4G多机损的时候,这个能力越来越强。我们发现原来做单天线的时候一做一发,负负有余,用多天线是为了增加容量,但是代价是复杂度提高了,用计算的复杂度换取性能的提升,对无线来说这是值得的,因为平补资源太有限了。所以我们做的就是用复杂的计算换取容量的提升。因此通信越来越依赖于计算,到了大规模MIMO就更是如此了。

计算的这条线,计算从单机计算并行,一直到云计算,也是把通讯放里面的。5G未来网络一定是融合的网络。

通过计算,这是大家都熟悉的信息论中的形式,在物理层,我通过计算的复杂度,高级的信号处理和MIMO等提升频谱效率。无线网络计算,通过网络协同降低干扰,提升资源利用效率。

前面提到无线网络的虚拟化,我们也在做虚拟化,但是可能有一点差别。这是我们国家给出来的需求,各个指标上外面是5G的要求,里面的花蕊是4G的能力,要求都比4G高了很多,流量密度要达到1000倍,高密度网络已经成为了发展趋势,到了5G以后,它要增加流量密度,覆盖已经不是主要目的了。这么密集会是什么样子呢?这是北邮校园,如果按照5G网络平均站间距是30米,这是一个很大的挑战,并且它是易购的一个场景。这种场景密集部署易购网络会带来很多的问题,干扰的问题,信号冗余,信令开销大,业务响应时间长,原来网都是独立控制的,还有网间资源的无法协调。5G时代特别充溢刚才张宏科老师提到的,未来网络应该是智慧协同的,实现资源的共享,我们可以用虚拟化的方式实现一部分目标。无线网的虚拟化和这个概念来自于我们有线网的虚拟化,并能根据网络环境的动态进行灵活的配置,无线网络虚拟化,怎么把不同的资源融合在一起,然后再进行划分,这关于无线网的概念。

我们在核心网中你的虚拟化和我们的无线是有差别的,一个是资源的类型,有的是静态的,无线网络一个是动态的,到底哪部分资源可以虚拟化,天线能不能虚拟化?频谱资源能不能虚拟化,数据调度带宽能目的虚拟化,这些都是我们要考虑的。一个力度问题和复杂度的折中问题。

这是我们关于无线网络虚拟化模型的一个考虑,无线网络要实现虚拟化,至少需要两个平面,一个是认知平面对实现网络的认知,对感知到的信息传递给虚拟化控制平面,在这个图上红色圈内是我们原来网络当中的基础设施,有些无线资源,在虚拟化的内容,包括无线资源,带宽都是我们的资源,还有网络基础设施,比如基站都是我的资源。我们把这些内容用虚拟化的方式映射到差异化,映射到不同的切片上,比如说现在13当中,关于刚才提到了IDA有三个角,对于面向人的服务,面向机器的,面向社会的,会有不同的切片来为它服务。

无线有很多的基站,我们采用了集中和分布式的,这个思想和我们很像,我们把很多的基站布置在了一个基站群里面。虚拟化基站之间是分布式的,我们把它叫集中加分布式的联邦制管控,怎么实现具体的管控和资源调度。我们要虚拟的有无线资源,核心网和接入网越来越扁平。

关于虚拟化怎么用,我举一个简单的例子,无线网当中用多载聚合的方式进行分配,它主要提出的背景一个针对频谱短缺,通过聚合多个载波来增加带宽,把不在一个频段上组合起来,通过聚合来实现一个整合。载波聚合可以在两个层面上实现,一个是物理层,一个是MAC层。还有一个聚合,是关于异购网的带宽组合。张老师的题目定了一个5G技术和技术无线电,无线电的计算,一个通信内部资源的聚合,异构的聚合提供容量。我们的通信是无线电波的,雷达导航都是用无线电波的,我们现在通信频率不够用,就想说能不能和雷达共用,它的硬件可以是一个,都是电磁波,只不过我们通信和雷达的后台处理一样,这个雷达是把电波发出去以后,反馈回来的杂散的波来给目前进行定位。通信的信号只取约定的部分内容,接收机是约定的,通过后代的计算来解决分离的问题。雷达和通信一体化,可以实现我们资源的共享,通过共享,雷达和雷达的事,通信和通信的事,但是同样的设施。现在我们国内应该做的,我们也参与做的提出了通导一体化,通信基站无处不在,MIMO各方面都有很好的处理能力,可以通过通信来增强导航,并且在没有通信覆盖的地方用导航卫星实现通信迥能,这个可以通过计算来实现。我们在思考起什么名字。我们和张老师探讨,是不是应该有个新名,这个题目上出现了一个计算无线电。

这是关于今天和大家交流的内容。总结一下,无线网络的发展,一开始以网络为中心,后来以用户为中心,现在以数据为中心,关于未来无线电技术的思考,它既要支持移动互联网,也要支持互联网,未来无线电将是基于计算的通信、导航和目标探测深度融合的系统。下一步我们会往计算无线电方向走,也是我们思考的问题。