张海涛东南大学 ICTC东南大学移动通信国家重点实验室主任、博导尤肖虎演讲全文
图为东南大学移动通信国家重点实验室主任、博导尤肖虎教授
尊敬的张海涛会长,张丕民部长,各位领导、各位专家: 上午好!
非常感谢杜百川总工能够邀请我,来这次会议上就5G的发展给大家做一个交流。
刚才听了咱们王效杰王司长的报告,很受启发,十三五规划的通篇的主题就是融合发展,所以这是信息领域的大的趋势。那么在移动通信领域也是这样一个趋势,融合是一个非常重要的,甚至是最主要的发展方向。
我的报告分三个方面,第一个方面是介绍5G的基本的背景,以及总体的发展的概况。第二个方面介绍一下我们国家在推进5G方面所做的一系列的工作,以及所取得的进展。第三个方面也是借这个机会,宣传一下我们东南大学移动通信重点实验室所做的一些基础性的平台和基础性的研究工作。
我们首先看一下移动中心发展的路线图,大家都知道,移动通信,从第一代移动通信,70年代中期从贝尔实验室提出,到90年代初在我们国内率先开始使用,到目前为止已经经历了第四代,1—4代移动通信的发展。
每一代移动通信的背后,他都有核心的技术进行支撑。 第四代移动通信目前我们大家都在用的,他背后的技术就是所谓的OFDM MIMO,所谓的OFDM是政交频率分护用,比较宽的带宽变成比较窄的窄福,所谓的MIMO是多输入多输出,反映在工程实践就是基站和手机都用多个天线,这是4G背后最核心的支撑技术。
到了第五代,他的支撑技术是什么?现在不太容易说得清楚,甚至是说不清楚了,因为他是融合发展,他涉及到多种多样技术的深度的融合,有些是演进性的,有些是革命性的。
比如说MIMO,UDA这些是最有代表性的,天线数进一步增多,网络更加的密集化等等。这是从技术的角度来说,从一代到五代发展。从业务应用的角度来说,过去1—4代,主要是解决我们人的通信的问题,主要是我们的用户体验就是手机怎么样用得方便的问题。
但是到了5G就不一样了,他的应用范围扩展到更广泛的领域,包括机器通信,包括物联网,也包括一些完全新兴的业务,比如说VR、AR,虚拟现实,3D等等。
所以他的应用范围从单一的解决人的通信扩展到更为宽泛的领域。另外,他的容量要提升1000倍。当然,成本,资源节约,包括功耗频谱的节约也是非常重要的,因为我们面临着整个资源稀缺的问题。所以概括起来,5G将是面向2020年之后的新一代移动通信系统,他的性能将会得到大幅度的提升,他的背后的技术是革命性 融合发展,他的业务应用从单一到多样。
这个地方给出了我们5G发展的主要驱动力,他来自两个方面,不是单一一个方面,第一个方面就是所谓的我们的移动互联网的快速发展。根据中国移动等运营商的统计,在咱们中国,我们的手机业务流量的总数几乎是每年翻一番,所以他说10年一千倍,大体上是这样一个趋势。
所以,未来这样一个趋势仍在延续,所以提升移动互联网的容量,来支撑我们整个手机的各种业务的发展,仍然是我们一条非常重要的驱动力。 第二个驱动力就是把我们的应用范围扩展,扩展到物联网。
我们下面还有举各种各样的例子,说明在物联网方面的话,他的需求和我们现有的移动互联网的需求是完全不一样的。比如说,低时延,高可靠,是我们现有移动通信不能满足的。所以要满足两个途径,一个是人得通信,一个是机器的通信,我们未来5G发展将面临着非常大的挑战。
下面这两张图是我们国内研究机构对移动互联网和物联网发展的需求以及发展态势的预计。大家可以看到我们在北京上海的热点地区流量将会反一辈,我们的机器通信将会达到千亿量级,所以未来发展的空间仍然是巨大的。
对于未来5G的发展的愿景是什么呢?我们每发展一代通信系统,都有一个愿景。那么5G的愿景是什么呢?他最核心的技术需求是什么呢?他怎么样满足上面两条发展技术路径的技术需求,他的核心技术指标是什么?在过去的三年中,中国的企业、研究机构和大学在这方面做了深入的研究。
我们提出了所谓5G的发展的愿景,所有的就在你手上了,你只要轻轻的手中一挥,所有的问题都解决了。 并且我们提出了国际著名的5G之花,这个5G之花的六个花瓣代表了他非常关健的六个技术指标,以及三个最重要的发展的需求。
这些技术指标涉及到我的分支速率、移动性、连接的力度、频谱效率、功率效率等等。这三个叶子表示了我们频谱的有效利用,功率的有效利用以及我们的低成本。最后我们在研究有效的融入了ITU的5G的愿景,形成了八个纬的技术指标。
所以大家看到对未来5G发展的技术需求,从过去3G4G强调速率和移动性这两个指标来说大幅度的扩展,扩展到8个纬度来考虑。中国在这方面也是作出了非常大的贡献,比如说5G的官方名称IMT2020就是中国提出的。
研究新一代5G信息系统的时候,我们一般会用典型的场景,并且对这场景进行评估。刚才我们说移动通信分成移动互联和物联网,同时又把他们分成两个子场景,移动互联网就分成广域覆盖和热点覆盖,对于不同的覆盖的话,我们的技术指标是不一样的。
譬如说对于广域的覆盖,我们的用户体验的速率希望达到100兆甚至更高,注意这是用户体验到的速率,不是他的技术标称速率。我们的热点覆盖方面,我们用户体验的速率希望达到1个GT每秒。
对于物联网来说,我们也同样分了两个应用子场景,一个是所谓的低延时高可靠,这个方面对于行业的应用是非常重要的,比如说车联网,我们现有的手机,你播一下半天才能接通,他是没有办法满足车联网的,如果这样车和车头相撞了你的通信技术还没有建立起来。
还有工业控制,比如智能电网,他对可靠性的要求是非常高的,我们不能说上网断了我们重新再拨一下,如果那样的话我们智能电网就摊了。 另外一个就是各种各样的物体你让他能够具有通信的能力,他必须是非常低成本的,我们恨不得所有的物体都附上一个通信的能力,这样我们物与物的互联就变得非常方便了,当然他要求的是非常低的成本,非常低的功耗,最好放上去几年甚至是十年都不用换电池的这种应用。
但是他是面向数量巨大的机器连接。
5G和现有的移动通信系统是什么关系?他是沿着一种革命性的路线发展呢,还是沿着演进性的路线发展?这是一个大家眼界普遍关心的问题。大家可以看,我们总结了一下,未来5G的发展,大约有三条技术路径。第一条技术路径就是现有的4G,也是最下面这个路径,逐渐增加一些新的元素,演进到5G。
这可能是一个最先实现的一条技术路径。比如说我们在4G的基础上,我们增加一些低时延、高可靠的功能,能够支持物联网,来基本满足ITU提出的八个纬度的需求,这是一条演进路径。
第二个路径就是在新的频段上,不是在我们现有的4G频段上,在更新的频段上,引入一些新的公众接口。 我们提出来的所谓大规模天线阵列,我们密集布设,我们在全新的虚拟网络上才能革命性的方式来构建,发展到5G的这样一个目标。
第三个目标也就是在更上面一个,也就是在更高的频段,大家都知道频谱对于移动通信来说是瓶颈因素,是制约性的。如何在更高的平台,在毫米波上面开展移动通信,当然是一个非常有前景,但是难度又非常大的一个发展路径,这方面也列入了我们的研究目标。
我们希望未来在这些非常高的频段上能够支撑超大容量的移动通信。所以,这三种路径的话,都会沿着他本身的这样一个发展的目标发展到咱们5G,来满足整个ITU提出的5G发展的愿景。
所以,有人要跟你说,5G开始商用了,您就要小心了,是哪一个5G,是沿着4G的还是在低频段的还是在高频段的。还有人说,我5G马上明年商用了,你也要小心了,他是满足ITU八个纬度里面的哪一个纬度,作为一个学者有必要提醒大家,因为现在5G是非常热,众说纷纭,所以大家脑袋里面要清楚。我们不同的演进路径,八个纬度的指标是同时满足,还是满足一个纬度和几个纬度。
5G的核心技术,刚才已经谈到了,目前看来,最有希望的核心技术是上面四项技术,一个是所木的MIMO,基站的天线路由目前的八根天线,上升到128、256,甚至更多,他带来的好处就是形成波数,能够把所覆盖的区域形成由不同的波数来区分我们的物理空间,使得我们频谱和时间资源能够充分资源。
第二个是异级网络,天线数非常多,分段不同部署,形成超大的5G移动系统。 另外一个就是新波型,我们在设计4G系统的时候,我们从来没有想到过微信是一个杀手级的应有。
所以在4G系统里面支持微信应用是非常效率低下的,我们运营商是非常痛苦的。所以我们在5G的时候,我们要改变这个,我们不但要支持这种高大上的高清、虚拟现实,要求速率非常高的应用,还要支持小数据,就是非常短的一些数据包,要能够在我的口中接口中进行有效的传输。
第三是我们提出了所谓的低频到高频混合组网。当然还有另外的一些技术,比如说我们的频普共享,这就涉及到我们广电系统网络融合的问题,比如说我们的D2D。时间关系我不再一一详细论述了。
5G的网络的构架深是?这个地方我给出了一个关键词就是用云来实现,甚至我们也有人提出来,所有的东西都用数据中心来实现,这和我们1G和4G的发展是完全不同的。我们大家都知道移动通信系统有专用的设备,我们有专用的移动交换机,有专用的基站工作器,我们有用的基站,每一个都长得不一样,都有专用的平台。
到了5G不一样,我知道建数据中心,用通用的交换机,通用的设备来建数据中心,来把他进行虚拟化,把里面的计算资源虚拟化出来,来实现各种各样的网络设备的功能,传统的网络设备的功能。
所以这一点他是一个革命性的。就是网络的演进变化到了4G为止就变成一个革命性了,是靠虚拟化的,是靠云、是靠数据中心来作为最核心的支撑方式。
另外就是切片,为什么叫切片呢?是因为未来的应用太丰富多彩了,不单单是一个手机的问题,涉及到各种各样物联网以及不同的应用的问题。所以他对这个资源的需求是不一样的,我们有是希望把网络能够进行动态的进行切片,能够非常灵活的满足你难以预计的各种各样的需求。
频谱,这是非常关健的问题,我们国家5G的发展,大家一直在呼吁,已经落了咱们5G发展的后腿,到现在为止,咱们5G的频谱到底在哪个频段上,咱们政府还没有明确,所以各界一直在呼吁,咱们系统性的来明确咱们5G发展他的频段。
这个地方我们标出来,我们认为比较有可能的频段,在6GCHZ以下,包括3..—3.6,4—4.5,4.8—4.99GHZ。 另外毫米波频段,美国FCC最近正式颁布了5G的频谱,他在毫米波平台上已经明确了。
在我们国家应该加快步伐,包括24、29、34、49、50、60、70、80等等,这些频段都有可能用于5G,大家知道毫米波频段是非常宽的频段,如果能够把这个频段用好了,特别是解决我们室内覆盖的问题,我们用天线数比较多的情况下来解决室内覆盖的问题完全是可行的,那么他可以咱们中国室内热点覆盖,通信容量需要超大容量,不用WIFI这么痛苦,咱们到首都机场,我的WIFI始终登不上去,等上去也不通,所以用室内覆盖是非常有前景的。
第二个部分来介绍一下咱们中国在5GIND方面所做的一些推进工作。
这个地方给出了我们5G推进的总体性的框架。863计划于2013年启动了5G的重大项目,国家重点科技专项03专项,于十三五把5G作为最为核心的研发重点。这些项目都集中在我们的频谱研究,室内研究以及IPR方面,我们有5G的论坛,重点推进国际合作,我们有产业的联盟,以TD联盟为基础,推进产业界的发展融合。
所以的这些研究成果会统一到咱们的MT5G推进小组。以这个作为出口,来提交国际国内标准化组织和相关的建议等等。
这个地方列出了我们过去几年,咱们所设立的研发项目,包括863计划,包括重大专项设立的项目。大家可以看到,涉及到总体框架,无线传输技术,网络框架,评估测试技术等等。应该来说,到目前为止,我们的技术逐渐从单向技术过渡到系统集的技术,从一些简单的仿真评估到室内的测试评估和外塔的测试评估,这样一个发展演进过程中。
简单介绍下我们未来移动通信论坛所做的工作,在未来移动通信论坛呢,我们成立了5G的特别工作组,由中国移动的首席科学家易志玲博士牵头,发表了有关2014、2015年白皮书,联合了国内外一些跨国企业,就5G发展的路径、关健技术、评估方法达成了一些的共识。
5G工作小组分成了技术层面的4个小组,以及标准化方面的4个小组。我们的成员来自咱们国内的运营商,制造企业,研究机构和大学。
在过去几年内,他们也做了一系列的工作,发表了5G的愿景白皮书,发布了5G的发展目标和能力的白皮书,以及技术架构的白皮书等等,这个网上大家都可以查到,感兴趣的话可以进一步的翻阅。
在三部委,工信部、科技部、发改委的统一指导下,中国逐步明确了5G发展的目标。我们从关健技术实验开始做起,到明年开始逐渐开始到系统架构的技术实验。希望到2018年,完成整个系统级的技术实验。到2019—2020年初步具备5G的商用条件。
应该来说,国内外的运营商、制造企业,以及产业链上的一些测试企业、芯片企业,都围绕着这样一个计划正在做积极的努力,希望能够沿着这样一个目标来顺利的推进5G的发展。
最后一个部分是介绍一下我们东南大学移动通信实验室我们所做的工作。在东南大学有一个教育部的2011协同创新中心,这样一个中心联合了8个高校,四个企业,来共同做一些5G的基础性研发。我们最核心的目标就是建一个开放性的实验平台,把刚才所说的目标能够展示出来。
所以5G的不同的场景,都希望用这样一个通用的开放性的平台能够加以实验。所以将来你能看到的就是天线、光纤、服务器、交换机,还有局部的加速器,几乎全是通用的东西来做这样一个开放性的平台。他能够支持一这种典型的场景,能够支持将来毫米波的研发,能够具备网络虚拟化等等这种能力。
这个是我们对超密集网络,第二个重要的核心技术的一些研究细节,不再具体介绍了,超密集网络,他也分不同的方式,有三种基质,包括所有的天线都会同在一起,包括基站和基站之间没有协作,或者部分的协作这种不同的场景,他得到的结果是完全不一样的。
全部协作,他的容量非常大,但是他对物理实体的要求是非常高。部分协作,我们可以得到一个相对比较好的结果,实现成本比较低,全部不协作,就是博弈论,全部基站节点全部进行博弈,相对得到就比较差的结果,时间关系不一一介绍。
我们做一些示范,实际上是从两个开始的,一个是Massive mimo,一个是分布天线,一个是集中式的。这是我们的一些数据的模型,已经计算上的一个瓶颈问题,他就变成一个超大纬度的线型方程组的求解的问题。
这是一些性能的评估,不同的天线增多之后的他的性能怎么样,我们欣喜的发现,天线数不停的增加,我的系统容量就不断的提高。所以他为未来5G甚至6G的发展指明了方向,你把天线数增加,甚至做到上千上万的天线,体积成本做得非常低,他的容量可以提升非常多非常多。所以我们未来5G甚至是6G的发展仍然有非常大的空间。
这个是我们平台的一个构成,包括以高速的光环网络,以及分成四个克拉斯特,动态资源调配。
这是开放式云平台的照片,包括我们的终端,包括我们的射频单元等等。
这个是我们射频前段的情况。
这个是我们做的毫米波芯片的情况,也是我们在世界上第四个做出来,真正把毫米波芯片能够集成在一块小小的芯片上,他的传输速率能够达到10个G甚至更高。
这是我们这个网络同步的情况,有这么多节点,他的网络怎么样,有效的同步是非常大的挑战。
时间关系,我非常简单的把我们实验室的工作简单汇报一下。 再次感谢各位领导、各位专家。(完)
