5G时代能否提前到来？

【摘要】Pre5G 到底是什么技术？是否能够将5G时代提前？到底能够提前多长时间？

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我国在通信技术标准领域可以说经历了以下阶段：

1G空白

2G落后

3G跟随

4G同步加速发展

5G领先力争主导

而5G恰恰是具有无穷想象力和商业机遇的技术，它带来的不仅是数据传输速度的提升，更是万物互联和信息化结合的开端。这无疑是万众期待的革新技术，但这一概念提出后已被谈论多年，却迟迟不见实质性的进展，媒体普遍的报道是这项技术“仍处于早期研发期”，因此渐渐淡出了人们的视野。

今年2月，在西班牙巴塞罗纳举办的2016年世界移动通信大会（Mobile World Congress，MWC）上，凭借 Pre5G 技术，中兴通讯获得全球“最佳移动技术突破奖”和“CTO最佳评选奖”双项大奖。

简而言之，中兴通讯提出的Pre5G概念已完成了技术研发，不久后将投入实际应用。这是否意味着，5G不再是概念？人们获得5G体验的时间将大幅提前。

值得注意的是，中国另一主要厂商华为也提出了4.5G的概念。中兴和华为推出的技术实际上有很多类似之处，都包括了某些核心技术，比如Massive MIMO，以及大量的天线。这些都可以基于现有4G终端实现的全新技术。

作为全球最具影响力的移动通信大会，MWC评奖委员会给出的获奖评语是：“这项技术是一个颠覆性创新。”那么问题来了。这一技术到底为何能够被称为“颠覆”？Pre5G 到底是什么技术？是否能够将5G时代提前？到底能够提前多长时间？

为了深入理解这项技术，DT君一早便来到了位于海淀区的中兴通讯北京研发中心。

进入大楼，斑驳的墙壁、简单的装修，给人偏简陋的感觉，更像是一个早期创业公司的办公场所。随后，我们见到了中兴通讯首席科学家向际鹰，整个采访过程十分迅速，几乎每个问题还未完整提完，向际鹰就已经反应并作答。而一些问题本准备分开提问，他往往能够顺着逻辑一并给回答了。

其中，最令DT君印象深刻的是，虽然作为首席科学家，向际鹰十分强调理论知识的应用性。从2011年开始，中兴已经开始招了很多理论研究人才，理论水平达到一定高度。“但是，如果说想要作出创新点的事，那么将不能只停留在纯数学层面，而是将数学应用到通讯工程实践，去改善具体的产品”。

目前，从标准提案、预研、原型机到产品，整个过程的难点是：在关注性能的同时，能够在很早期就关注到实现的复杂性。这可能就是近几年中国企业在技术研发应用能够有所创新的一个细节缩影。

以下是DT君基于采访所做的报道，因为涉及技术问题较多，所以按照小标题进行分类。

向际鹰博士（上图是他在MWC获奖现场），中兴通讯首席科学家。先后从事CDMA基站设计，WCDMA、WIMAX、LTE基站系统设计，取得巨大的经济效益，并直接提出数项创新，带来巨大商业价值创新，如全IP基站，多模SDR技术，CRAN，Cloud Radio，Pre5G等等。。获“2013年度中国通信产业技术贡献人物奖”荣誉。2010年、2013年、2014年，获国家技术发明奖，国家科技进步2等奖，广东科技进步奖、深圳市科技进步奖、南粤科技创新奖，电子部科技创新奖等多项奖励。授权发明专利约30项，其中一半是国际PCT专利。

5G到底是什么？

5G，字面上解释就是第五代（5th generation）的意思，与其说5G是一项技术，不如说一个技术组合，它能比目前4G高103倍的吞吐量，并支持多种业务并存，业界一般认为5G至少包括几个方面的提升：

基站密度大幅度提升，达到目前的10倍或更多；

频谱资源大幅度扩展，高频区寻找一些空白的频点，达到现有的10倍以上；

频谱效率大幅提升，达到现在的3～8倍；

成百倍地提升用户连接数，支持mMTC，降低通讯延迟十倍，支持cMTC；

达到5G到底要攻克哪些难关？

根据上面提出的提升渠道，就可以很直观地看到为何5G时代来临得如此缓慢。

首先，高密度基站建设需要解决干扰问题，还需要大量的资金、人力以及时间；

其次，频谱难以获得，且频谱扩展后必须同时升级终端设备，才可能达到预想的效果；

最后，提升频谱效率其实是三个提升方向里面最难的。最早的频谱效率提升目标是十倍以上，在经过了两年的尝试后，业内普遍认为10倍提升是MI（不可能的任务）。目前普遍认为，提升至3倍以上，就可达到5G的频谱效率要求；

因此，从理论上讲，5G的实现时间点比较远，最乐观的估计也要等到2018年才会有标准出台，2019年开始制造终端芯片，2020年之后才可能有商业部署。

Pre5G又是什么？

在4G技术已经成熟的今天，通信界的科学家们都探索用各种途径探索通向5G。而向际鹰的团队则另辟蹊径，走了一条所谓“标准透明”的路，即：终端不用更改，但将基站改良到极致，在基站直接使用5G的技术。试图在不更改终端的前提下，就可以使用户体验到接近5G的性能，此项技术称为Pre5G。

Massive MIMO就是一项代表技术，它本是一项5G技术。与4G相比，Massive MIMO的天线数量提升十倍以上，达到或接近100根。5G MassiveMIMO试图通过大规模的MIMO技术成倍提升频谱效率。

经过实测，Pre5G Massive MIMO可提升通讯容量4～6倍，这是一项了不起的成果，这实际上已经超过了5G最低的目标值。MWC大会的评审对于此项技术的“颠覆性创新”的评价也是基于两点：

在没有修改终端的前提下，用户的体验得到了成倍提升；

比5G标准提前了4-5年的时间，让大家对于5G的技术有了一个很好地展望；

Pre5G能带来些怎样的用户体验提升？

该问题可能是所有人最关心的，但是答案非常简单：那就是大家获得了一个“更稳定更高速”的网络。用一张图就可以让你明白：

图中的五部手机只是给出的示意图。从图中可以看出，基于4G技术的五部手机，在同一空间、时间、频点上，往往是不能同时工作的。由于LTE的帧长特别短，只有1ms，所以各个手机在时间和频点之间不断切换时，用户误以为五部手机同时工作，但实际上五部手机的吞吐量都成倍下降了。远远达不到LTE所宣称的峰值。

而Pre5G则是利用多用户空分复用（SDMA）技术，让5部甚至更多终端能够同时通讯而几乎不互相干扰，达到大幅度提升平均吞吐率的目的，这样，虽然手机没有改良，但所有手机所感受到的吞吐量都成倍提升了。

换言之，Pre5G会给大家带来一个更加“稳定和高速”的网络。

Pre5G的技术难度和突破主要在哪里？

从实现难度上看，Pre5G基站的难度在某种程度上甚至大于5G，这是因为5G基站和终端会配合，有了终端的配合，基站实现难度大幅降低，而Pre5G终端没有改进，不配合，为此基站要付出更高的复杂性代价才能达到同样效果。例如，基站侧需要通过复杂的校正机制，单方面实现皮秒级（ps）的时间精度以便利用对称性信息。

向际鹰称，对于单信道容量已接近香农限，则在同样的频段、同样的时间段、同样的无线传播空间下，唯一可成倍提升容量的技术是空分复用（SDMA），但是，SDMA是一项“相干技术”，那么传统的基于统计的方法，已不再适用，需要采用“解析方法”，即，对信号进行精确测量，形成精确的“零陷”，而这将付出巨大的复杂性代价。

在Massive MIMO研发的过程中，除了“标准透明”问题之外，项目组遇到的最大问题是计算复杂性，早在几年前，中兴就自研了一颗比较超前的矢量处理器芯片（Vector Processor），一个clock可以完成几十个独立的运算。而Massive MIMO的矩阵运算恰好并行度很高，因此，解决了massive MIMO功耗，体积问题，这样才能把此项技术推向实用化。

使用Pre5G的费用会增加么？

从成本角度来看，Pre5G唯一增加的是基站改造的费用，不需要更改终端。而在这一方面，中兴通讯在开发这项技术的一开始就有了考量，中兴自研的矢量处理器芯片不但可成倍提升处理能力，也能相应降低成本。最终的目标是，Pre5G单位流量的价格不升反降。这也是运营商对制造商提出的挑战很高的要求。

我国的移动网络质量，5G所处的位置？

我国的移动网络质量在全球是领先的。这有几个原因，中国的基站建设是基于国家战略层面总体规划的，因此不同于欧美的利润导向型建造方式。因此一开始覆盖率就非常高。另一个原因，中国厂家可提供高性价比，面向各种场景定制化的设备，甚至在珠穆朗玛峰（海拔6500米）上都有建有我们的通讯基站。所以，中国的移动网络基础设施是比较领先的。

对于5G同样如此，亚太地区的国家，包括中国相对而言是非常激进的，这个激进反映在运营商和制造商。例如亚洲的一些大型国际峰会，被用于作为5G测试的节点，这些都无形拉动了5G产业链。

5G时代到底有啥可期待的？

5G主要有三个目标：

首先，对于超高吞吐率的eMBB技术，可以配合虚拟现实和增强现实（VR／AR），通过终端和系统的一系列突破，改变所有用户的行为方式；

其次，对于mMTC，可使物联网接入数量大幅上升，每平方公里达到上百万个。今后我们周围，甚至我们体内，到处都是连接5G网络的传感器或微控制器；

第三点，cMTC具有超低时延，支持连网自动驾驶，实时交互游戏等新的应用；

总之，5G的蓝图是非常诱人的。不过这些目标都非常有挑战性，全球的通讯工作者都在朝这一目标努力。

关于VR/AR与5G？

VR/AR是下一个可能改变所有用户行为的引爆点，但在引爆之前，需要解决几个关键性技术问题：

首先，对网络的需求特别大，这是因为VR的视角远远大于手机，眼睛的分辨率很高。加之双眼立体视觉，使得流量成几倍几十倍的提升。从这个意义上说，5G提出千倍容量需求并非空穴来风；

其次，网络问题解决了，终端还必须大幅度提升。这需要很多实现细节方面的创新，例如，苹果确实完成了一些创新，让原来需要按5个键的操作，变成只需要按一两个键，正是这些细节创新，这些细节创新改变了用户的行为模式（人人都随时拿着智能机）；

而要达到“人人都戴VR、AR头盔”，至少还要在体积、重量，耗电上有较大突破才行。目前业界正在努力；

目前，该领域处于应用层面还没有突破，但底层的基础技术已经处于全面开花的阶段。在应用层面，三星今年MWC上作的演示，甚至淘宝VR购物等，都具有拉动效应。一旦取得技术突破，VR、AR将就会爆炸式的增长，也会强烈拉动5G的需求。

中兴也积极介入这一领域，并在很多基础技术如压缩、AI、硬件等方面有很好的积累。传统认为，中兴是属于做基础设施以及传统管道，但我们也在往上拓展。

所以，对我们而言，现在也是技术爆发的密集时间点。

关于空基通讯

空基通讯的研究近年十分活跃。典型的空基通讯包括气球、太阳能飞机、卫星等等。

空基通讯目前一些国外公司的研究比较领先，但空基通讯当前还有很多技术问题，例如，气球在平流层无法静止，所以位置无法控制；甚至还有聚集效应，如果多个气球过于靠近会有严重干扰。

比较而言，太阳能驱动的无人机表现稍好，但对飞机本身的设计要求非常高。此外，无线损耗与距离成平方反比关系。平流层（20KM）和卫星（数百公里）距地面都太远，损耗太大。

总之，目前认为空基通讯只能作为地面网络的辅助，而不是替代。

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