5G：能聽(tīng)到我的呼喚嗎？ 　

作者/ Ron Wilson 英特爾可編程解決方案事業(yè)部(PSG)系統設計雜志主編

摘要：5G作為未來(lái)通訊的又一個(gè)跨越式進(jìn)步，關(guān)于5G的研究和討論一直不斷，其優(yōu)勢自是很多，雖然第一個(gè)5G芯片已經(jīng)發(fā)布，而其要真正進(jìn)入應用仍需要很長(cháng)時(shí)間。本文就5G在應用中遇到的問(wèn)題和挑戰進(jìn)行了深入地研究。

引言

　　第一個(gè)5G芯片已經(jīng)發(fā)布，5G網(wǎng)絡(luò )現場(chǎng)試驗正在進(jìn)行中。也許，下一代“一切無(wú)線(xiàn)化”技術(shù)已經(jīng)準備就緒。

　　然而，好事多磨，現在標準團隊仍在忙于解決一些重要的技術(shù)問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)工作中仍有一些重要問(wèn)題尚未確定，例如，采用小蜂窩還是大蜂窩，智能基站還是簡(jiǎn)化基站，集中式計算還是分布式計算等。第一個(gè)“真正”的5G網(wǎng)絡(luò )可能到2021年才會(huì )上線(xiàn)。

　　關(guān)于5G的真正含義，有幾個(gè)合理但完全不同的理解(圖1)。對于大多數蜂窩服務(wù)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，5G一詞的含義是顯而易見(jiàn)的：就像3G或4G一樣，5G將是服務(wù)的進(jìn)一步改進(jìn)。手機將提供更加一致的服務(wù)和更引人入勝的媒體體驗(如4K UHD視頻)，以及難以察覺(jué)的延遲。但是，如果你問(wèn)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商、汽車(chē)工程師或電力工程師什么是5G，你可能會(huì )得到非常不同的答案。

其他5G

　　更高質(zhì)量的移動(dòng)寬帶是一個(gè)易于理解的簡(jiǎn)單概念。但對于一些依靠5G技術(shù)的其他應用而言，情況卻并非如此。對于非技術(shù)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這些應用中的許多應用似乎與智能手機沒(méi)有任何關(guān)系。

　　其中一款應用就是固定寬帶，即在基站和一組不移動(dòng)的遠程終端之間建立的寬帶無(wú)線(xiàn)鏈路。這可能看起來(lái)非常沒(méi)有意義，因為電纜連接和電信公司數字用戶(hù)線(xiàn)路已經(jīng)起到了這個(gè)作用。

　　固定無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之所以至關(guān)重要，有兩個(gè)原因。第一個(gè)原因是在發(fā)展中國家的城市或人口稀少的農村地區有大量的潛在用戶(hù)，這些地區仍不具備能夠支持寬帶的有線(xiàn)連接。當線(xiàn)纜或光纖行不通時(shí)，固定無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )就有用武之地了。第二個(gè)原因在于，固定無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )讓無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商能夠與有線(xiàn)電視公司和電信公司直接競爭現有客戶(hù)的接入業(yè)務(wù)。所以，首批固定無(wú)線(xiàn)5G試驗之一將由美國蜂窩網(wǎng)絡(luò )巨頭Verizon Wireless進(jìn)行。

　　如果這是5G，為何不讓客戶(hù)使用其智能手機作為本地無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中心呢?原因在于基站或中央數據中心知道每個(gè)客戶(hù)在哪里，并且知道他們將保持在原地，移動(dòng)服務(wù)的復雜性會(huì )大大降低。你不需要波束跟蹤或動(dòng)態(tài)蜂窩切換，或持續協(xié)商發(fā)射功率。這并不是說(shuō)信道是靜態(tài)的，變化的天氣、路過(guò)的卡車(chē)，甚至搖動(dòng)的樹(shù)木都可以改變信道特征。但它更加簡(jiǎn)單。與將5G所需的所有計算能力置入手機相比，采用交流電源的盒子是一個(gè)更簡(jiǎn)單的電源管理挑戰。英特爾?5G業(yè)務(wù)與技術(shù)總經(jīng)理Robert Topol表示：“在早期部署方面，固定無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )具有優(yōu)勢?！?/p>

　　但簡(jiǎn)單并不意味著(zhù)不重要。即使經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，固定寬帶也將是一個(gè)對定義5G的新技術(shù)進(jìn)行現場(chǎng)測試的出色平臺。這些技術(shù)包括新載波頻率、載波聚合、新無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機、新信道編碼、間隔和前向糾錯、大規模多輸入多輸出(MIMO)天線(xiàn)和低延遲幀(圖2)。

　　盡管潛在解決方案都已經(jīng)準備好進(jìn)行試驗，每項挑戰仍不可忽視。以頻帶為例，5G可以使用低于6GHz的頻帶和28GHz的頻帶，這些載波頻率遠高于除少數4G LTE頻率之外的所有頻率，并且具有支持更多信道的潛力。但隨著(zhù)頻率的增加，傳播質(zhì)量將下降。頻率為28 GHz時(shí)，由于光束不能穿透固體，連接幾乎僅限于視線(xiàn)范圍。并且自由空氣衰減會(huì )極大地限制視線(xiàn)范圍。因此，收發(fā)器必須依靠波束成形來(lái)選擇天線(xiàn)到天線(xiàn)的特定路徑，并且蜂窩之間的距離必須更近。

　　不同于將每個(gè)頻帶內的寬信道專(zhuān)用于處理客戶(hù)端的最大數據速率，5G使用的是載波聚合。它可以將數據包分散在幾個(gè)不同的信道中，可能是具有不同傳播特性和天線(xiàn)的不同頻帶中，以便獲得所需的所有帶寬。下載速度為10 Gbps的5G網(wǎng)絡(luò )中心實(shí)際上更像一個(gè)以不同頻率并行運行的多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)電設備集群。

　　MIMO天線(xiàn)及其RF前端將是5G開(kāi)發(fā)計劃的重要組成部分。很多用于試驗的設計在客戶(hù)端使用4×2單元天線(xiàn)陣列。對于基站而言，天線(xiàn)可能是64或128單元陣列。這一規模的MIMO數學(xué)運算很好理解，和信號處理實(shí)現一樣——只要有充足的計算功率。當然，算法總是有可能出現突破性改進(jìn)。

　　同樣，5G信道編碼和誤差校正也是很好理解的算法。標準提案正在擬定中。Topol表示，5G空中接口15版預計已足夠穩定啟動(dòng)芯片開(kāi)發(fā)，預計將于2018年末開(kāi)始應用。

中心還是邊緣

　　對比空中接口、收發(fā)器和基帶技術(shù)的穩步發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )的計算架構這一主要問(wèn)題仍處于爭論當中。有些人主張幾乎完全的集中化，對來(lái)自基站收發(fā)器的波形進(jìn)行數字化處理并發(fā)送回城市數據中心，以進(jìn)行基帶處理和交換。這種集中式無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )(CRAN)架構可實(shí)現基帶處理和回程的虛擬化，它用服務(wù)提供商數據中心中的軟件替換基站中的專(zhuān)門(mén)硬件。

　　反之，有些人主張將盡可能多的處理推向網(wǎng)絡(luò )邊緣，不僅包括基帶，還包括分組處理以及一些交換和管理任務(wù)。這些主張通?？紤]到小型蜂窩在 5G 網(wǎng)絡(luò )中的預期擴散以及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和機器到機器連接的延遲受限需求。討論的結果可能是兩種方案的折中。英特爾可編程解決方案事業(yè)部接入與無(wú)線(xiàn)技術(shù)總監 Mike Fitton 表示：“毫無(wú)疑問(wèn)，對演進(jìn)分組核心(EPC)進(jìn)行虛擬化是有意義的。畢竟，每個(gè)數據包必須遍歷EPC并獲得其注意。除了一些推測服務(wù)以外，如基于機器學(xué)習的深度包檢測，軟件的現有數據中心中可以實(shí)現足夠的數據包速度。

　　“但并非每個(gè)5G任務(wù)都能這么遷就?！盕itton 提醒道：“很難在軟件中進(jìn)行所有的第1層處理，特別是開(kāi)始要求更短延遲時(shí)，你可能需要在服務(wù)器上進(jìn)行硬件加速，一些低延遲連接可能需要網(wǎng)絡(luò )邊緣處的處理或高速緩存?！?/p>

移動(dòng)性

　　標準擬定和觀(guān)點(diǎn)爭論都可從固定寬帶無(wú)線(xiàn)服務(wù)的早期部署中獲益。在這一工作中積累的知識將可以幫助加速實(shí)現5G最可見(jiàn)的目標——移動(dòng)寬帶服務(wù)。

　　挑戰有很多。移動(dòng)性既意味著(zhù)小巧的外形，也意味著(zhù)積極的電源管理，如果移動(dòng)設備是豪華轎車(chē)，則限制不那么嚴重，汽車(chē)廠(chǎng)商只需接受耗電數十瓦特的電子模塊;但如果是筆記本電腦或平板電腦，管理調制解調器電源就需要系統芯片設計人員手中的工具了;如果設備是手機，如今的技術(shù)發(fā)展水平暫時(shí)還達不到。

　　手機還有一個(gè)問(wèn)題，即5G MIMO天線(xiàn)將努力保持成型的波束指向其正在使用的基站的天線(xiàn)。如果天線(xiàn)之間的路徑碰巧穿過(guò)用戶(hù)的耳朵呢?這些頻率對于人類(lèi)大腦的穿透性很差，而且大多數用戶(hù)也不希望它們穿透。因此，移動(dòng)設備在其 MIMO 算法上有一個(gè)相當動(dòng)態(tài)的限制：不穿透用戶(hù)。

　　這是一個(gè)更大的問(wèn)題。移動(dòng)設備是移動(dòng)的。汽車(chē)在城市高速公路上達到 100 公里/小時(shí)，穿行在高層建筑物和公路標志之間。行人匆匆離開(kāi)舒適的咖啡店，沿著(zhù)人行道進(jìn)入地鐵入口。在 5G 的較高頻率上，基站將不得不連續地對每個(gè)移動(dòng)客戶(hù)端進(jìn)行波束跟蹤，并且當另一個(gè)蜂窩具有更好的視線(xiàn)或更多的可用容量時(shí)，進(jìn)行快速切換。這種動(dòng)態(tài)處理必須與多個(gè)運營(yíng)商同時(shí)進(jìn)行。

　　小型蜂窩的激增加劇了這一挑戰。29GHz糟糕的傳播特征和密集市區對MIMO天線(xiàn)嚴格方向性的需求使得小型蜂窩成為城市和校園環(huán)境的必備。加上載波聚合，一個(gè)走在城市人行道上觀(guān)看電影的女孩將被一組小型蜂窩MIMO天線(xiàn)指中，所有這些天線(xiàn)相互配合，以確保女孩的手機能夠接收到足夠的波束，防止轉頭或走到轉角處時(shí)，電影畫(huà)面出現卡格。建筑物內部也會(huì )有類(lèi)似的問(wèn)題，可能需要室內小型蜂窩像如今的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中心一樣密集。路上的情況會(huì )有所不同。更長(cháng)的視線(xiàn)和距離使得傳統宏蜂窩成為一種更好的解決方案。Fitton 推測：“我們將在建筑中看到混合使用宏蜂窩、小蜂窩和本地集群?！?/p>

物聯(lián)網(wǎng)

　　到目前為止，我們已經(jīng)描述了一種極為異構的網(wǎng)絡(luò )。我們有微小的房間共享蜂窩、小型蜂窩和宏蜂窩，我們有常規基站、CRAN和增強的邊緣處理，這一切不僅能夠共存，還可以無(wú)縫互操作，但物聯(lián)網(wǎng)大幅增加了事物的復雜性。

　　幾乎從一開(kāi)始，一些物聯(lián)網(wǎng)擁護者就聲稱(chēng)，5G將提供互聯(lián)網(wǎng)和事物之間缺少的連接。不過(guò)，不同人的看法不同。有些人只是看到了互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)中心之間的5G寬帶鏈接，有些人認為5G直接連接到事物，還有些人提倡通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò )實(shí)現機器對機器鏈接。

　　所有這些想法帶來(lái)了新的要求。任何涉及通過(guò)渠道進(jìn)行交互的物聯(lián)網(wǎng)連接都需要低延遲。5G 的幀比LTE短，因此，傳輸時(shí)間間隔(tti)更短。這意味著(zhù)對一些連接的往返延遲有保證。

　　但后一點(diǎn)與我們討論的趨勢相矛盾，如虛擬化、集中化和保持移動(dòng)設備連接所需的敏捷性。針對這一矛盾，我們的答案是網(wǎng)絡(luò )切片，即在一個(gè)物理介質(zhì)上提供幾個(gè)完全不同的虛擬網(wǎng)絡(luò )。大多數專(zhuān)家認為，切片需要軟件定義網(wǎng)絡(luò )和許多功能的虛擬化。

　　因此，現在我們可能在同一個(gè)空中接口和設備上運行寬帶網(wǎng)絡(luò )、限制數據速率網(wǎng)絡(luò )和有限延遲虛擬網(wǎng)絡(luò )，但未來(lái)會(huì )更好。許多物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)(如遠程傳感器)具有非常低的連接占空比和極其嚴格的功率或能量預算。它們設置連接、傳輸數據塊和斷開(kāi)連接的成本是非常高的。因此，我們可能會(huì )看到專(zhuān)有的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，如分層到5G網(wǎng)絡(luò )的 Sigfox——作為一個(gè)帶網(wǎng)關(guān)的單獨網(wǎng)絡(luò )或一個(gè)實(shí)際切片。

路線(xiàn)圖

　　這一切什么時(shí)候可以實(shí)現呢?Fitton 表示：“現在幾乎所有人都有試驗臺?！庇⑻貭柡透咄ㄐ冀衲晖瞥稣{制解調器芯片組，Verizon也在今年初開(kāi)始進(jìn)行28 GHz頻段的固定無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)試驗。AT&T、愛(ài)立信和英特爾正在進(jìn)行一項現場(chǎng)試驗，使用15GHz和28 GHz頻段為英特爾辦公樓提供一系列寬帶服務(wù)。如果這些試驗進(jìn)行順利，在明年推出Release 15規范之后的某個(gè)時(shí)候，或至少到2020年可能會(huì )有大規模的固定無(wú)線(xiàn)部署。

　　全面的移動(dòng)服務(wù)已經(jīng)越走越遠，還有更多的難題等待解答。Fitton 表示：“我們可能在 2021 年看到移動(dòng)服務(wù)。與此同時(shí)，許多5G技術(shù)(載波聚合、大規模 MIMO 和可能的5GHz ISM頻段利用，如今 WiFi就使用該頻段)將被利用到4G LTE網(wǎng)絡(luò )上。這將幫助用戶(hù)在真正的5G移動(dòng)服務(wù)問(wèn)世之前體驗5G的性能。它還可為未來(lái)的5G設備提供備用網(wǎng)絡(luò )，就像當前的LTE設備在需要時(shí)可以退回到3G網(wǎng)絡(luò )一樣。

　　所以，我們取得了很大進(jìn)步，在2020年部署5G設備的既定目標仍有可能實(shí)現，但距離你真正使用5G網(wǎng)絡(luò )還要再等一段時(shí)間。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第15頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。