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即使您并不熟悉無線技術(shù)，想必也一定聽說過5G。在今年早些時候舉辦的世界移動通信大會上，5G順理成章地成為了最重要議題之一，各大電視廣播公司以及不計其數(shù)的主流網(wǎng)絡和紙媒也紛紛報道了有關(guān)5G的話題，盛況宛若當年4G (LTE) 行將到來之際。然而，5G至少還需要五年才能普及，為何它現(xiàn)在就能如此博人眼球？ LTE-A地位幾何？ 在5G的耀眼光芒下，增強型長期演進技術(shù)（LTE-Advanced，簡稱LTE-A或4G+）雖然依舊在部署，卻已經(jīng)遠不如業(yè)內(nèi)典型技術(shù)那樣叫好又叫座。在3G向4G轉(zhuǎn)變期間，3.5G實現(xiàn)了可接受的數(shù)據(jù)速率，彌合了兩代技術(shù)之間的差距。與之類似，LTE-A也可以視為介于LTE和5G之間的4.5G技術(shù)，它可以提高理論數(shù)據(jù)速率和頻譜效率、處理更高的并發(fā)用戶流量、在蜂窩站點覆蓋區(qū)域的邊緣實現(xiàn)更高的性能，并在其他各方面鋪平通往5G的道路。它還引入了載波聚合、多輸入多輸出 (MIMO) 和中繼節(jié)點技術(shù)，其中載波聚合（圖1）是指將多個載波（信道）組合到一起實現(xiàn)更大的帶寬，這些載波可位于相鄰乃至完全不同的頻率上。 至于MIMO，如果您有一臺帶多根天線的IEEE 802.n或IEEE 802.11ac Wi-Fi路由器，很可能就已經(jīng)對它略知一二。這類產(chǎn)品通過多根天線來發(fā)送和接收兩個或更多個數(shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)速率，這就是被稱為“空間復用”的技術(shù)。載波聚合和MIMO在LTE階段就已經(jīng)起步，但在LTE-A中得到了增強，因而后者能夠更充分地利用所謂的“小蜂窩”，這是一種遍布網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)各個角落的小型基站。2015年8月，SK Telecom在韓國啟用了第一個LTE-A網(wǎng)絡，同時該技術(shù)也在美國得到了部署。蘋果最新一代的iPhone手機、大多數(shù)三星智能手機，以及多款來自于LG、微軟/諾基亞、摩托羅拉（已被聯(lián)想收購）、華為和黑莓的智能手機產(chǎn)品都搭載了LTE-A。日后，我們要逐漸習慣5G被稱為“IMT-2020”，因為這是國際電信聯(lián)盟 (ITU) 確定的正式名稱，該國際組織是聯(lián)合國負責監(jiān)督和協(xié)調(diào)全球通信的機構(gòu)。不過，大多數(shù)人依然稱之為5G。 
圖1：5x20 MHz載波聚合（資料來源：3GPP Release 10） 前途無量，更需淡定 如今，全球5G營銷開展得如火如荼，在技術(shù)進步的加持下，“萬物互聯(lián)”似乎指日可待。但話說回來，我們真的能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的承諾嗎？當今媒體炒作之下的整個5G夢，其實是值得懷疑的，畢竟最終成果不可能逃脫物理定律的限制，況且5G試圖達成的大多數(shù)目標都必須建立在更大范圍科學研究的基礎上，這才是某些目標真正的成敗關(guān)鍵。 當然，5G絕不僅僅是上傳和下載速度的“又一次”提升 - 按照英特爾的說法，5G是“一個端到端的生態(tài)系統(tǒng)，能夠讓完全移動和互聯(lián)的社會成為現(xiàn)實”。它依賴于許可頻譜和免許可頻譜、模塊化設計、基于云的軟件定義網(wǎng)絡和動態(tài)分配的資源，這將促使人們在很大程度上改變無線網(wǎng)絡的搭建編排方式和運行頻率，顯著降低延遲（數(shù)據(jù)在用戶與其通信對象之間的往返時間），并且讓更多類型的設備可以連接到這些網(wǎng)絡。 除此以外，最低理論數(shù)據(jù)速率提高到10 Gb/秒（圖2）、每單位面積帶寬提高1000倍、同時連接的設備數(shù)量增加10到100倍、網(wǎng)絡年耗電量降低90%以及讓微型物聯(lián)網(wǎng)設備可以連續(xù)10年正常運作而無需充電或更換電池，這些也都是5G需要實現(xiàn)的目標。雖然理論數(shù)據(jù)速率可達10 Gb/秒，但實際應用中會顯著低于這一水平，可就算“只能”實現(xiàn)500 Mb/秒的數(shù)據(jù)速率，也已經(jīng)達到了至少十倍于當今絕大多數(shù)用戶體驗需求的水平，也比常規(guī)的家庭寬帶更快。
圖2：從3.5G到5G的理論數(shù)據(jù)速率（資料來源： GSMA Intelligence） 5G如此誘人的前景，預示著它能夠在娛樂內(nèi)容、寬帶交付以及諸如完全基于云的企業(yè)計算環(huán)境等各類應用上與電纜和光纖網(wǎng)絡展開競爭。在5G生態(tài)內(nèi)部，這樣的前景意味著需要為數(shù)十億的機器對機器（即物聯(lián)網(wǎng)）設備提供電力和通信，分析師認為這些設備將在2020年投入運行，這恰巧與5G可能開始部署的時間吻合。 實際上，5G的大部分所謂獨特之處都可以通過現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)，排除掉它們之后，余下的兩種才是真正的5G獨有特性，分別是極低延遲和超過1 Gb/秒的數(shù)據(jù)速率，而極低延遲無疑是其中最困難的技術(shù)挑戰(zhàn)：如果無法將延遲降到1毫秒之內(nèi)，便意味著某些功能無法實現(xiàn)，這些功能最終將會從標準中排除。 瞬時響應是王道 對于大多數(shù)人而言，延遲并不那么重要，因為它不會影響我們在網(wǎng)絡上的日�；顒�，比如瀏覽網(wǎng)頁、觀看視頻、收發(fā)電子郵件和“偶爾”打打游戲等。但對于“電競”級別的游戲玩家而言，延遲就是一個重要問題。圖3是一份來自GSMA的圖表，清晰標示了各種應用與數(shù)據(jù)速率和延遲的關(guān)系。LTE的最低延遲只能達到約10毫秒的水平，（理論上）只能涵蓋圖中白色區(qū)域內(nèi)的應用。許多新興應用如自動駕駛汽車、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實以及觸覺互聯(lián)網(wǎng)（Tactile Internet）都不在這個范圍內(nèi)。
圖3：至少從理論上而言，圖中所有位于白色區(qū)域內(nèi)的應用都可以通過現(xiàn)有無線網(wǎng)絡來承載。唯一的例外可能是多人視頻會話和基于云的無線辦公。要在5G中實現(xiàn)灰色區(qū)域內(nèi)的應用，除了要有足夠快的網(wǎng)絡之外，最重要的決定性因素就是要實現(xiàn)不大于1毫秒的端到端延遲。（資料來源：GSMA） 如果您從沒聽說過“觸覺互聯(lián)網(wǎng)”這個概念，也沒什么，因為就目前可實現(xiàn)的1毫秒內(nèi)超低延遲水平而言，這項技術(shù)對延遲的要求極為苛刻，從實用角度來看依然是無法實現(xiàn)的。如果要在工業(yè)、機器人與遙現(xiàn)（telepresence）、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、醫(yī)療保健、交通安全和電競等領(lǐng)域中實現(xiàn)精確的人機交互和機器對機器交互，就需要采用觸覺互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。 將往返延遲降到1毫秒以內(nèi)是5G最重要的基本原則之一，對于某些應用領(lǐng)域而言是決定性的問題，因為從它們的需求來看，近乎瞬時的響應絕非錦上添花，而是不可或缺。例如，任何將安全視為頭等大事的應用都需要這樣的能力，最顯著的例子莫過于汽車自動駕駛，但在醫(yī)療、機器人、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實以及某些機器對機器交互的領(lǐng)域中也存在具有這種需求的應用。 各種應用對延遲的要求取決于人們的反應能力。也就是說，這些應用的延遲必須達到或超過人類的反應速度。例如，當一個人對無法預料的突發(fā)事件作出反應時，從感覺到這個事件直至作出反應，其時間差大約是1秒。要在瀏覽網(wǎng)頁時做到即時響應的體驗，單擊鏈接后的加載時間就要是幾百毫秒的水平。如果我們對一件事已預先有準備，反應時間更會快至約100毫秒。現(xiàn)代語音通信系統(tǒng)在設計上旨在確保能夠在用戶反應時間內(nèi)傳輸語音數(shù)據(jù)，如果無法達到這一要求，那會是一件十分惱人的事情。人類的視覺反應時間大約是10毫秒，根據(jù)這個時間設置畫面刷新率可以獲得良好的視頻體驗，而現(xiàn)代電視機的圖像刷新率至少能達到100 Hz，正相當于最大延遲10毫秒的水平。 然而，在我們期待獲得快速響應的情況下，比如在電競過程中控制一個視覺場景，我們預期發(fā)出的命令能夠迅速得到響應，甚至戴著虛擬現(xiàn)實眼鏡時，我們都想顯示器的反應時間低過1毫秒以獲得最好的體驗。無論信號處理和網(wǎng)絡設計在2020年之前做出多大的進步，低于1毫秒的延遲都是極難實現(xiàn)的。簡單來說就是，信號在各種介質(zhì)中的傳輸速度是由物理定律決定的，但網(wǎng)絡中還存在各種各樣的瓶頸問題。從實踐角度而言，這恐怕意味著近似1毫秒的延遲基準只有在輸出和顯示裝置之間距離“非常短”的情況下才可能實現(xiàn)。 根據(jù)相關(guān)研究，這個“非常短”的距離不到一英里，就現(xiàn)在的無線基礎設施而言很難實現(xiàn)，這需要設立數(shù)量巨大的小型基站�；蛟S規(guī)定各家運營商共同使用同一套網(wǎng)絡基礎設施，讓所有用戶都可以通過相同的無線電系統(tǒng)來訪問需提供的內(nèi)容源可以實現(xiàn)這點，但這種做法顯然要解決互相競爭的運營商之間的利益問題。如果無法實現(xiàn)1毫秒以內(nèi)的延遲，那么諸如汽車自動駕駛、虛擬現(xiàn)實和其他所有需要瞬時響應的應用都從何談起呢？就目前而言，這仍是一個無解的問題，除非可以在非常短的傳輸距離上實現(xiàn)出色的傳輸效果。請記住，無線傳輸?shù)乃俾士梢员裙饫w快。所以在要求“瞬時”響應的證券行業(yè)中，廣泛部署點對點微波鏈路并以此來傳輸數(shù)據(jù)是有實際理由的。所以希望還在，不要放棄。 上下求索為帶寬 無線運營商迫切需要成長的空間，而5G帶來的重大進步無疑為他們打開了一扇門，畢竟從700 MHz到大約2.6 GHz之間的頻譜資源極為有限，各類網(wǎng)絡已經(jīng)瓜分殆盡。但是，令人頭疼的問題總出現(xiàn)在細節(jié)中，雖然5G開放的高頻資源鮮有他人占據(jù)，也因此帶來了更強的擴展能力，但受限于這些頻率自身的特性，它們并不太適用于諸如蜂窩系統(tǒng)之類的廣域網(wǎng)絡，主要原因在于這些頻率的信號傳播特性與低頻率存在顯著區(qū)別。實際應用中，在較高頻率上運行的網(wǎng)絡需要投入更高的成本，因為信號傳輸距離短，需要安裝更多基礎設施，而這些設備的構(gòu)建費用是非常昂貴的。有鑒于此，5G系統(tǒng)很可能會率先在6 GHz左右的頻率上部署，并在該頻率兩側(cè)的頻譜飽和后逐漸向更高頻率進軍，最終進入到毫米波范圍內(nèi)。然而在這樣的頻率下實現(xiàn)合理距離的可靠通信將會是一項巨大挑戰(zhàn)，至少一定會用上新的收發(fā)器、天線和其他各種昂貴的硬件設備，并部署諸如大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出Multi-input Multi-output ）和波束成形等技術(shù)，以期實現(xiàn)高質(zhì)量服務，并確保在任何操作場景下都具備99.999%的可靠性。 針對在毫米波頻率范圍內(nèi)進行通信所面臨的挑戰(zhàn)，三星的工程師開展了一系列的研究，并在該公司提交給美國聯(lián)邦通信委員會的一份報告中發(fā)布了相關(guān)成果，證實了采用這些頻率進行通信的可行性。然而這些成果是在視距傳輸路徑下測得的，況且即便在如此理想的條件下，建筑內(nèi)部的障礙和穿透依然會帶來難以解決的問題。不過，這些測試的目的在于建立起概念驗證，并證明這些頻率用于通信的可行性。當真的需要用到它們時，也許很多困難都已經(jīng)克服了。 網(wǎng)絡架構(gòu)開新篇 設計開放式網(wǎng)絡架構(gòu)是5G的一項關(guān)鍵要求，因為現(xiàn)有的這些架構(gòu)不是使用5 G專用硬件構(gòu)建的。此類硬件無法在需要擴展時主動適應，而且有維護困難和價格昂貴兩大缺點。新的網(wǎng)絡架構(gòu)將通過網(wǎng)絡功能虛擬化 (NFV) 和軟件定義網(wǎng)絡 (SDN) 等技術(shù)進行部署。NFV可以有效地將功能轉(zhuǎn)移到云中，這些功能以前由本地硬件執(zhí)行，而SDN通過將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，使網(wǎng)絡實現(xiàn)高度可編程。SDN可以動態(tài)優(yōu)化服務交付方式，這是當前網(wǎng)絡架構(gòu)無法充分實現(xiàn)的。 與許多其他行業(yè)一樣，廣泛使用開源方法是成功的關(guān)鍵，它讓所有開發(fā)人員和解決方案供應商都能夠以統(tǒng)一的方式實施自己的方案，并且成本更低。僅從這一點而言，這種做法就已經(jīng)顯著不同于當今的實踐。我們希望5G能在未來十年內(nèi)盡快投用，為此顯然還有大量工作需要完成。但是，從長遠來看，這種做法會帶來巨大的正面影響，它將會終結(jié)無線行業(yè)所謂的“煙囪系統(tǒng)”（系統(tǒng)內(nèi)的信息孤島）做法。 九層之臺，起于累土 對于5G事業(yè)而言，本文提到的這些挑戰(zhàn)僅僅只是冰山一角。在5G得以實現(xiàn)之前，所有必須完成的研究和開發(fā)工作都絕非易事，但這些工作成果意義非凡，它們將為未來的進步鋪平道路，而這些進步將催生出更多我們未曾想象過的應用。 文章來源：貿(mào)澤電子 作者簡介：Barry Manz是Manz Communications, Inc.（曼茲通信公司）的總裁，該公司是他于1987年創(chuàng)立的技術(shù)媒體關(guān)系機構(gòu)。他曾與100多家公司在射頻、微波、國防、測試和測量、半導體、嵌入式系統(tǒng)、光波及其它市場進行過合作。Barry曾為多家線下和線上貿(mào)易刊物撰寫過文章，亦撰寫過各種白皮書、應用筆記、研討會論文、技術(shù)參考指南和網(wǎng)頁內(nèi)容。他是Journal of Electronic Defense雜志的特約編輯、Military Microwave Digest雜志的編輯、MilCOTS Digest雜志的共同創(chuàng)辦人，也是Microwaves & RF雜志的主編。 |
