中兴通讯首席科学家向际鹰：现有5G技术体系已是优化组合

关东黑土豆

5G作为一个新事物，存在大量未知的、有待探索的问题。向际鹰认为，一定程度上网络上流传的一些文章作了一些积极探索，例如某文中关于“5G需求”“5G新业务”的描述有一定道理，这些也是一直困扰业界的问题。然而整体看有两点值得商榷：第一，有些文章的技术性较强，提出了大量技术观点作为论据，但仔细分析这些技术观点，大部分存在问题，这可能导致错误的推论。第二，即使论据正确，也无法支撑这么大的结论，何况论据本身有问题。针对传言中的一些技术观点，向际鹰逐一做了说明和澄清。他认为，包括Massive MIMO和NOMA等技术在内的5G技术体系已经是优化组合了。

在复杂环境下

Massive MIMO的空分复用仍有很大增益

一些文章中认为Massive MIMO在复杂环境下难以工作，因此不能实用化。对此，向际鹰认为恰恰相反。首先：Massive MIMO之所以能够步入实用，最大的驱动因素恰好是解决了复杂环境下的空分效率问题。其次，进一步可以证明，环境越复杂（富散射、衍射、反射、多径），Massive MIMO的容量增益越稳定健壮。

对于传言中所提到的问题，在传统的智能天线时代是存在的，因为传统的智能天线像雷达一样，在空中生成几何波束（GoB），原理是将空间能量集中，减少用户干扰。在空旷环境下，几何波束确实可大幅提升容量。但在复杂（例如富散射）环境下，几何波束形状不能得到保持，很快弥散到整个空间，破坏了用户之间的正交性（产生干扰），从而失去空分增益。这也是为什么早期智能天线只在农村有很大增益，而在城区基本没有增益。

然而Massive MIMO并不形成几何波束，而是生成逻辑波束（EBB），当处于简单环境中，EBB自动退化为GoB，但在其它环境中，EBB实时根据当前信道状态形成最优解。打个修马路的比方，GoB只能修直路，一马平川时没有问题，而一旦有楼宇遮挡，或有山峦起伏，立即失效。而EBB则随时测量环境，有楼就绕过，有起伏则随之越伏。理论上EBB可在任意环境下做到数学意义上的最优，而GoB只在平直环境下有解。

EBB并不是一个新算法，在十二年前就开始淘汰GoB，转到EBB，通信业近几年通过自研矢量处理芯片等技术，解决了更大规模EBB的复杂性问题，因此Massive MIMO空分复用技术得到实用，成为大家最为看好的一种5G技术。

针对“复杂环境下的空分复用仍然有很大增益”这个论断，向际鹰拿出了实测量数据来支撑。

他先容说，Massive MIMO从一开始就面向复杂环境求解，而产品推出之初已经通过自研专用芯片解决了复杂性问题。因此，中兴的测试特意重点考察复杂环境，而商用环境更是多种多样。中兴做过一种极端环境下的测试，把十余部手机背靠背叠在一起，远离基站，如果采用传统的几何波束，波束宽度为几米，因此完全无法区分厘米级的不同手机。然而Massive MIMO却可以成功区分出它们，仍可达到平均四五倍的增益。

除复杂环境的充分测试外，中兴还有十余个国家的商用经验，从中总结出３种场景模式：广州的高楼场景，维也纳的密集场景，日本的体育馆场景。这些都是实际的复杂场景，在上述场景下大家都观察到了成倍的频谱效率增益。虽然上述应用大部分使用的是4G版本，但原理和效果与5G类似的。

针对“如何理解‘环境越复杂，空分增益越稳定’？”这一问题，向际鹰表示，正因为Massive MIMO采用EBB算法，避免了传统GoB的缺陷，理论上在任意环境下均可达到数学上最优。评价“健壮性”的一个指标是所谓“空分条件数CN”，可严格证明，当处于简单环境（农村、平原）时，条件数CN随着手机的位置而剧烈变化，只有当手机物理位置上远离时，条件数才较好（较低），否则较差。而在复杂环境下（富散射、衍射、反射、多径），则无论手机位置如何，条件数CN均很稳定。这进一步从理论上说明了为何传统几何波束只在开阔地带有用，而Massive MIMO在所有场景下均适用。

非正交多址技术（NOMA）

在多场景下逼近香农极限

针对传言中提到非正交多址技术（NOMA）增益为0，甚至认为是一种技术退步这一说法，向际鹰表示不同意这种观点。他说，大家知道香农极限不可突破，而大家“已经逼近了香农限”，那么是不是所有新技术都没有增益了？并不是这样，因为不能认为大家在所有场景下都逼近了极限性能。

向际鹰表示，例如在存在远近效应，即一些用户远离基站，一些用户在基站附近时，必须考虑用户之间的公平性，在资源分配时需要照顾远端，采用传统正交方式就必须作出很大牺牲（线性下降），而非正交方式（NOMA）则可以减小这种牺牲（对数下降）。即：NOMA在不突破香农限的情况下，最大程度利用了功率资源，大幅提升了远近效应和公平调度约束下的网络性能。因此不作限定条件地给出“NOMA增益为0”的结论肯定是错误的。

一个可能的争议点是“远近效应”到底存在不存在，大家认为相对于3G，应该说4G、5G的远近效应更明显了。大家知道3G是一个自干扰系统，因此必须严格功控，但功控也带来很大问题，严重浪费了通信容量（功率），而4G、5G不再是自干扰系统，因此不需要严格功控，一般认为只有在不得不作功控时才作，否则尽量以最大功率发送。在这种情况下，带来更严重的远近效应。那么一些技术例如ICIC，SFR是否可以消除远近效应呢？如前所述，上述技术本身也是粗放地牺牲功率，且适用场景有限。而上述技术对功率的控制和远近效应不是一个量级，后者是成千上万倍，而前者只是几倍。

此外，前期一些研究表明NOMA在一些场景下增益偏低，而大家最近进一步研究表明，是因为前期研究没有考虑站间干扰消除，在做了站间干扰消除之后，NOMA的增益得到进一步提升。

NOMA的优势，除了容量之外，还有更大的连接数和更短的延时，其原理是通过同时分配相互干扰的资源给不同的用户，使得用户传输数据时不需要经过传统的四个仲裁步骤（免调度），从而特别适合更大量的小数据包业务。正因为NOMA有上述优势，其实五系因复杂性等因素暂不引入，在6G、7G中仍然是有机会的。

滤波OFDM技术

适合大量零散频段聚合

OFDM子载波之间本身是正交的，原理上不需要滤波，但当OFDM与其它系统共存或两个OFDM共存时，就需要滤波OFDM。当然，此技术不适合大段宽频场景，比较适合大量零散频段聚合的情况。

F OFDM、FB-OFDM都是滤波OFDM技术，其差别仅仅在于具体实现方式，一种基于子带（多个子载波）另一个滤波器，一种基于单个子载波加多个滤波器。其中后者可在相同参数的情况下适用于所有带宽，而且可通过数学变换，可以用简单的时域加窗来实现。这一点与文中的观点有所差异。

目前3GPP决定在5G第一阶段不考虑滤波OFDM进入标准，这主要是认为大部分都是连续大带宽场景，不需要这么复杂，但这并不意味着“滤波OFDM无用”，它仍可能出现在产品实现中或后续的5G、6G标准中。

5G不是过度需求

针对传言中说的“4G技术即可满足用户需求，不需要5G技术”这一表述，向际鹰认为，大家通常说5G可以达到10Gbps，仅仅是指在信号最好时，小区所有用户容量之和可以达到这么多。当信号不是最好，或小区中有多用户时，用户体验速率可能会相差几十甚至几百倍。因此，不能简单地认为4G就满足需求，或5G是过度需求。

同时，还需要考虑资费因素。国外（尤其是印度）经验表明 ，资费一旦降低，流量就可能爆发式增长。

对于垂直行业，确实有很多未知问题，尤其是可持续盈利的新业务模式需要探讨。然而大家不能因为眼下找不到合适的车而不修路。因为道路作为基础设施需要一定的提前量。

多层软频率复用SFR

并非革命性技术

有观点认为5G需要更革命的技术，例如多层软频率复用MLSFR，但实际上SFR是一项比较老的，简单的站间干扰规避技术，思想是通过对不同频率发射功率设置上限，使小区边界用户频率资源尽量错开。在3GPP中这项技术叫ICIC。而“多层软频率复用”，仅仅是功率上限设置规则不同，称不上革命性技术。

目前各厂家对相关技术研究和测试都已经很充分了。此项技术从原理上讲有其固有的局限性，仅适于轻负荷、且各站负荷均衡场景。而在轻负荷下有大量的其他技术供选用，如PRB随机化、CS等等。在重负荷下，SFR等技术完全发挥不了作用。

大家知道对干扰的处理总体上有三种方法，干扰规避、干扰抑制、及干扰利用。其中SFR是属于干扰规避，这是最简单最初级的。

干扰抑制则更高级，是用信号处理的方法消除掉干扰，例如JR和NF。

干扰利用是最高级的方法，它不是对于干扰被动的规避和抑制，而是用空分复用等方法将干扰转换为容量。

随着5G大规模天线的应用，空间自由度富裕，干扰抑制和干扰利用的方法将越来越重要，他们不但适用于轻负荷，也适合重度负荷。而过于简单和局限性的干扰规避方法如ICIC（SFR）越来越处于从属地位。

同时，针对坊间传言“SFR仿真中表现出的30%增益”这一说法，向际鹰认为，所谓“增益”一定指相对于某个对比“基线”而言，如果基线太差，那么增益高也说明不了问题。目前所说的“30%增益”是相对于完全同频复用，且不采取任何干扰处理措施而言，一旦采取措施，则SFR的增益马上消失或为负。例如在中重负荷下，SFR作为一种干扰规避方法完全不适用（中重负荷下避无可避）,只能采用干扰抑制或干扰利用方法，。此时SFR的增益就变为负值了。所以这个30%的数值基本没有参考价值。总之，ICIC或SFR或其简单变形MLSFR并非革命性技术，也不是最优技术，只是一种简单的、场景受限的技术。