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一文读懂为何空分复用是实现5G技术的关键

2017-07-10 15:50
老猫
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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,我们邀请到了中兴通讯首席科学家向际鹰博士来为我们解答。

中兴通讯首席科学家 向际鹰

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?

向: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?

向: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。

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