5G網(wǎng)絡(luò )—多樣化連接世界的新時(shí)代

作者 Emmanuel Gresset CEVA業(yè)務(wù)發(fā)展總監

摘要：本文深入探討了將推出的5G標準設計的一些新的使用案例及未來(lái)面臨的挑戰。

引言

　　2015年，國際電信聯(lián)盟(ITU)著(zhù)手規劃5G的目標和宗旨，以解決現今使用的3G標準和4G標準的不足。除了大大改善這些網(wǎng)絡(luò )標準的現有蜂窩語(yǔ)音和移動(dòng)寬帶能力之外，ITU還列出了若干目標，以滿(mǎn)足幾項新需求：

　　1.數據量的巨增(x1000);

　　2.連網(wǎng)設備數量的大幅增加(x10～x100);

　　3.使用案例的擴大的多樣性及其性能要求：

　　● x10~x100倍典型用戶(hù)數據速率;

　　● x10倍更長(cháng)的電池壽命用于機器到機器通信;

　　● x5倍減少端到端延遲。

1 使用案例

　　在目標使用案例中，ITU列出以下三項應用：

　　1.增強型移動(dòng)寬帶(eMBB)，例如需要高清和超高清流媒體的視頻服務(wù);

　　2.無(wú)人駕駛汽車(chē)和某些工業(yè)控制系統所需的超可靠和低延遲實(shí)時(shí)通信(URLLC);

　　3.不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)所需的大規模機器型通信(mMTC)。

　　圖1顯示了各種使用案例的延遲和帶寬/數據速率要求。

2 時(shí)間線(xiàn)

　　與在3G和4G網(wǎng)絡(luò )中一樣，3GPP組織將定義5G規范。3GPP的架構組在2016年第一季度啟動(dòng)了針對下一代網(wǎng)絡(luò )的專(zhuān)門(mén)研究作為版本14的一部分。3GPP將在兩個(gè)新增版本中定義5G，其中版本15構成階段1，版本16構成階段2，這兩個(gè)版本將在2020年第一季度之前提交給ITU(如圖2)。

3 新技術(shù)及其承諾

　　5G將結合一系列新技術(shù)，支持新的網(wǎng)絡(luò )模型和多種使用案例。其中可能包括使用以軟件為中心的網(wǎng)絡(luò )概念，例如網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化(NFV)和軟件定義網(wǎng)絡(luò )(SDN)，以及使用毫米波范圍(>6GHz)的新頻段。

　　需要注意，5G網(wǎng)絡(luò )不會(huì )取代3G和4G網(wǎng)絡(luò )，但5G架構將在它們及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )之上。即使5G引入新的概念和更高的計算復雜性，它也是4G的演進(jìn)，是來(lái)自蜂窩社區的一項技術(shù)，而不是未授權的技術(shù)。

　　5G真正添加在4G之上的是獲得更高的數據速率(>1Gbps)和更低的端到端延遲(<1ms)的一種選擇，這兩個(gè)要求推動(dòng)了5G新無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和新頻譜分配的發(fā)展。

　　哪些因素驅動(dòng)會(huì )對這種高數據速率有需求呢?例如，無(wú)人駕駛汽車(chē)每天將產(chǎn)生4000GB的數據，而連網(wǎng)的飛機每天將產(chǎn)生40000GB的數據。5G承諾提供：

　　? 每個(gè)用戶(hù)的數據速率高達10Gbit/s，例如實(shí)現虛擬現實(shí)(VR);

　　? 即使在擁擠的環(huán)境(如體育場(chǎng)或商場(chǎng))，也會(huì )大范圍覆蓋;

　　? 完全移動(dòng)性(例如，連網(wǎng)汽車(chē));

　　? 高可靠性和響應性、實(shí)時(shí)連接(例如，交通安全);

　　? 連接大量必須利用單個(gè)電池保持運行10年的小型低成本設備。

4 關(guān)鍵推動(dòng)因素

　　由于5G時(shí)代的使用案例和連網(wǎng)設備類(lèi)型的多樣化，運營(yíng)商將需要選擇正確的推動(dòng)因素來(lái)構建和定制他們的服務(wù)范圍。這些關(guān)鍵推動(dòng)因素包括：

　　? 帶有靈活的工具的多頻段，包括尚未獲得許可的頻段，如圖3所示;

　　? 大規模MIMO、波束成形和多RAT;

　　? 新的接入方法，包括精益控制飛機、動(dòng)態(tài)RAN、本地化業(yè)務(wù)流、設備到設備(D2D)通信;

　　? 自組織網(wǎng)絡(luò )(SON);

　　? 異構網(wǎng)絡(luò )(HetNets);

　　? 軟件定義網(wǎng)絡(luò )(SDN)和網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化(NFV)。

5 面臨的挑戰

　　運營(yíng)商面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰是減少延遲要求(<1ms)，這對于VR場(chǎng)景、實(shí)時(shí)交通相關(guān)控制(如V2X)、連網(wǎng)汽車(chē)和無(wú)人駕駛汽車(chē)等非常重要。物理定律規定了控制信號通過(guò)空氣傳播(或光沿著(zhù)纖維傳播)的速度。因此，需要小于1ms的延遲時(shí)間的服務(wù)必須從非常接近用戶(hù)設備的物理位置提供所有內容，可能在每個(gè)小區的基站處，并且在運營(yíng)商之間漫游對于這些服務(wù)不可靠。這將需要在內容分發(fā)和服務(wù)器的基礎設施上大幅提高資本支出。

　　運營(yíng)商的另一個(gè)挑戰是新的5G網(wǎng)絡(luò )頻譜的可用性。目前廣泛關(guān)注高于6GHz，據報道，高達80GHz的較高無(wú)線(xiàn)電頻譜，允許更大的帶寬和因此更高的數據速率，而不會(huì )對現有的3G和4G網(wǎng)絡(luò )造成頻譜混亂。然而，該頻譜將需要全新的RAN，并且在相同頻帶的多個(gè)地理區域中進(jìn)行分配，以允許相同的無(wú)線(xiàn)電在基站和用戶(hù)設備之間重新使用。遺憾的是，較高的頻帶提供的小區半徑較小，所以使用傳統的網(wǎng)絡(luò )拓撲模型實(shí)現廣泛覆蓋將非常困難。因而，必須使用波束成形，其中，波束指向正連網(wǎng)的終端用戶(hù)設備以獲得更大距離的覆蓋。然而，波束成形需要仔細跟蹤裝有數百根天線(xiàn)的小區和小區塔內的設備位置，以跟蹤穿過(guò)小區的所有移動(dòng)用戶(hù)。

　　為了降低資本支出和運營(yíng)支出，運營(yíng)商將更多地依賴(lài)SDN、NFV、SON和HetNets，以便根據每個(gè)用戶(hù)和每個(gè)服務(wù)動(dòng)態(tài)地平衡其網(wǎng)絡(luò )中的負載和QoS，同時(shí)也需要考慮不斷增加的IoT設備的數量。

　　對于將需要數據速率高達10Gbps、延遲低至1ms的手機和消費設備的用戶(hù)，必須集成基于毫米波技術(shù)的調制解調器。語(yǔ)音和其他低數據速率服務(wù)將可能繼續使用現有(傳統)網(wǎng)絡(luò )，因此，這些設備將需要集成額外的調制解調器、RF前端和天線(xiàn)陣列以支持波束成形。

　　盡管5G網(wǎng)絡(luò )經(jīng)常被看作是IoT設備的網(wǎng)絡(luò )，但它實(shí)際上是構建SDN和NFV的IT基礎設施，將支持大規模的IoT部署。

　　這些挑戰要求計算平臺的處理能力、并行性水平和靈活性方面實(shí)現根本轉變，以處理5G連接。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第6期第76頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。