5G正邁向現實(shí)

　　5G 發(fā)展日新月異。從下一代革命性無(wú)線(xiàn)技術(shù)的模糊概念，到一些可望不可即的目標，再到日趨成熟的用例和技術(shù)標準，5G 發(fā)展日新月異，目前已具備可實(shí)現目標和可實(shí)施標準。在這一過(guò)程中，5G 展現出與當前蜂窩網(wǎng)絡(luò )截然不同的特征。

　　它的用途是什么?

　　早先，人們經(jīng)常討論 5G 將帶來(lái)的量變： Gbps 級帶寬、競爭激烈的城市市場(chǎng)中巨大的面密度、出色的能效等。LTE 仍然有其局限性。而 5G 愿景被認為難以實(shí)現。許多應用領(lǐng)域的系統架構師認為 5G 是一種極速、高度可用和可靠的網(wǎng)絡(luò )，將幫助他們擺脫困境。

　　希望不以任何光纖或銅線(xiàn)開(kāi)拓固定寬帶接入市場(chǎng)?5G 可實(shí)現媲美光纖的速度，能夠助一臂之力。希望不使用 5 公斤的頭盔體驗移動(dòng)增強現實(shí)?小菜一碟：通過(guò)無(wú)縫、始終可用的高帶寬連接，5G 將幫助在云中完成所有繁重的計算任務(wù)。想要一輛后備箱沒(méi)有超級計算機的自動(dòng)駕駛互聯(lián)汽車(chē)?只需一個(gè) 5G 調制解調器，云端會(huì )帶來(lái)無(wú)與倫比的自動(dòng)駕駛體驗(圖 1)。希望將物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 系統的傳感器和制動(dòng)器直接接入互聯(lián)網(wǎng)?如人們所愿。

　　圖 1.自動(dòng)駕駛汽車(chē)只是一個(gè)依賴(lài) 5G 技術(shù)的應用

　　這些目標涉及不同領(lǐng)域，在時(shí)間和資源充裕的情況下，并非不可實(shí)現。毋庸置疑，如需取得進(jìn)展，標準制定者需要將期望限定在合理范疇。

　　三個(gè)用例

　　國際電信聯(lián)盟的國際移動(dòng)電信 (IMT) 2020 愿景聲明將希望清單縮減至三個(gè)代表性用例：增強型移動(dòng)寬帶、大規模機器類(lèi)通信和超可靠低延遲通信。這三個(gè)用例將幫助實(shí)現 5G 領(lǐng)域的諸多期望(圖 2)。

　　圖 2.三個(gè)用例滿(mǎn)足 5G 網(wǎng)絡(luò )的各種要求

　　在這三個(gè)用例中，增強型移動(dòng)寬帶可能最接近多數人對下一代手機的設想。在這個(gè)用例中，配備先進(jìn)技術(shù)的場(chǎng)所中的靜態(tài)用戶(hù)可獲得高達 20 Gbps 的數據速率，移動(dòng)用戶(hù)可獲得充足的實(shí)際帶寬(從 80 到 200 Mbps，具體取決于場(chǎng)所)，流暢播放 3D 或超高清視頻，在游戲或增強現實(shí)等場(chǎng)景中與云應用密切互動(dòng)。

　　大規模機器類(lèi)通信提供了一個(gè)完全不同的場(chǎng)景。這里的客戶(hù)端不是服務(wù)器或人員，而是智能城市、工廠(chǎng)、建筑或家庭中的物聯(lián)網(wǎng)設備。在這個(gè)場(chǎng)景中，原始數據速率沒(méi)那么重要;機器要么提供相對較少的信息 —— 每秒只有幾條傳感器讀數，要么在本地預處理處理，以大幅降低帶寬(就像智能監控攝像頭一樣)。這里的關(guān)鍵不是數據速率，而是連接密度 —— 每平方千米多達一百萬(wàn)個(gè)互聯(lián)設備 —— 和能效 —— 相當于 4G 網(wǎng)絡(luò )的一百倍。

　　第三個(gè)場(chǎng)景超可靠低延遲通信是一個(gè)令人難以置信的全新用例，支持工業(yè)自動(dòng)化、關(guān)鍵任務(wù)連接和自動(dòng)駕駛汽車(chē)，可避免駕車(chē)途中通話(huà)中斷的情況。這些應用不僅需要相對較高的數據速率 —— 例如汽車(chē)將其攝像頭和激光雷達的大量信息流發(fā)送至云端進(jìn)行分析，而且需要與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )沒(méi)什么關(guān)系的兩個(gè)屬性：毫秒級延遲和功能安全級可靠性。

　　解決之道

　　單個(gè)而論，這三個(gè)場(chǎng)景中即使最苛刻的要求似乎也可以實(shí)現。例如，通過(guò)增加通道帶寬，幾乎可隨時(shí)提高數據速率。萬(wàn)一失敗，可應用經(jīng)過(guò)當前 LTE-Advanced 網(wǎng)絡(luò )測試的技術(shù)，如多個(gè)發(fā)送和接收天線(xiàn) (MIMO)、載波聚合等。隨著(zhù)高級半導體制程中晶體管數量的增加，頻譜效率仍有進(jìn)一步改進(jìn)的空間?？稍谒皆O備上使用大量 MIMO 天線(xiàn)陣列以實(shí)施波束成形，同時(shí)為各客戶(hù)端創(chuàng )建私有無(wú)線(xiàn)電波束。在高密度區域，可在微單元上疊加一系列較小的單元。所有這些措施均可提高數據速率。

　　如需增加特定區域的客戶(hù)端數量，可利用較小的單元和波束成形。還可對高帶寬通道進(jìn)行多路復用，在多個(gè)客戶(hù)端之間分配帶寬。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的變化可改進(jìn)能效和降低延遲。

　　如果同時(shí)開(kāi)展所有這些工作，問(wèn)題就會(huì )成倍增加。

　　例如，如果將現有低于 2 Ghz 的 4G 頻段中的子載波間距加寬，每個(gè)連接就會(huì )具有更多帶寬。但連接數更少?？刹捎酶叩男骂l率，如 24.25-29.5 Ghz 或 37-43.5 Ghz 頻段，這些頻段支持超過(guò) 500 Mhz 的間隔。但在從 3 Ghz 過(guò)渡至毫米波的過(guò)程中，傳播成為一個(gè)問(wèn)題。當頻率達到 28 Ghz，現實(shí)世界的許多因素會(huì )減弱或阻礙載波。

　　例如，雨水會(huì )對頻率造成數十 dB/千米的衰減，春天綠意盎然的葉子可完全吞噬信號。即使是板墻和玻璃等建筑材料也會(huì )吸收數十 dB 的信號。盡管毫米波可提供大量帶寬，但這些帶寬也只在天氣干燥且連接未受阻礙、處于較短的可視距離的情況下發(fā)揮作用。

　　當然，可使用多個(gè)高帶寬通道實(shí)現出色的數據速率?？蓪⒍鄠€(gè)既窄又差的通道進(jìn)行組合?？蓜?dòng)態(tài)聚合單個(gè)鏈路的多個(gè)通道，或者通過(guò)不同天線(xiàn)和不同光束路徑及 MIMO 聚合多個(gè)鏈路。借助波束成形和跟蹤功能，甚至可以在客戶(hù)端在高密度城市環(huán)境中移動(dòng)時(shí)確保這些鏈路完整無(wú)缺。

　　遺憾的是，這些技術(shù)會(huì )妨礙數百萬(wàn)個(gè)廉價(jià)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備的需求。毫米波頻段中的 MIMO 不可能保持較低成本，尤其在接收器從受損通道中提取高速數據時(shí)。復雜的聚合與鏈路管理不僅會(huì )增加處理開(kāi)銷(xiāo)，而且會(huì )增加能耗和延遲。

　　復雜情況難以讓人對自動(dòng)駕駛汽車(chē)以每小時(shí) 100 千米的速度在林蔭大道上行駛的愿景保持樂(lè )觀(guān)。滿(mǎn)足極高數據速率、毫秒級延遲和五個(gè)九的可靠性等需求并非易事。

　　多層解決方案

　　應對這些挑戰的解決方案是利用三層單獨的頻段，每個(gè)頻段旨在滿(mǎn)足特定的技術(shù)需求。不過(guò)，三層頻段與這些場(chǎng)景并非一一對應。通過(guò)組合使用三層頻段，5G 網(wǎng)絡(luò )可滿(mǎn)足、至少接近滿(mǎn)足全部三個(gè)場(chǎng)景的 IMT-2020 目標。

　　三層頻段構成了一種“婚禮蛋糕 (wedding cake)”(圖 3)。在底部，現有低于 2 Ghz 的 LTE 頻段可覆蓋最廣泛的范圍。在這些頻段中，現有的蜂窩基礎設施可覆蓋地球上的多數人口。這些頻率在傳播過(guò)程中不會(huì )受到建筑、葉子和天氣的影響。因此，5G 將使用這些低頻段覆蓋更多偏遠地區(立即部署新基站在經(jīng)濟上缺乏可行性)，以及支持不利條件下的低效運行連接、在更多復雜 5G 連接提供下行鏈路的情況下增強上行鏈路以及支持要求不高的機器類(lèi)鏈路。需要指出的是，低于 2Ghz 的頻段層將支持更高頻段，提供高度可靠的低延遲連接。自動(dòng)駕駛出租車(chē)在樹(shù)下或建筑后面不會(huì )處于無(wú)線(xiàn)電靜寂狀態(tài)，只會(huì )跳轉至一個(gè)新頻道并臨時(shí)忍受較低的速率。

　　圖 3.開(kāi)發(fā)人員將他們需要的頻譜分組為一個(gè)頻段蛋糕層

　　其中層為 2-6 Ghz 的中頻段，即 C 頻段。這些頻率是 5G 的主流頻率，利用所有強大技術(shù)保持高數據速率連接。這里介紹了在特定的大規模 MIMO 中，波束成形、跟蹤和頻譜效率的大幅提升將發(fā)揮重要作用。目標是通過(guò)動(dòng)態(tài)聚合任何可用于連接的資源，在幾乎最差的條件下為移動(dòng)用戶(hù)提供 100 Mbps 的可用速率。這些頻段還可傳輸許多更高速的機器類(lèi)流量和高可靠性/低延遲流量。

　　即使是頭兩層進(jìn)行組合也不足以滿(mǎn)足最苛刻客戶(hù)端(需要 20 Gb/秒的速率)對極致數據速率的要求。蛋糕的頂層可滿(mǎn)足他們的要求，即 6 Ghz 以上的頻段，包括難以實(shí)現的毫米波頻段。人們希望政府為 5G 用途分配連續的 800 Mhz 塊，使用 5G 替代光纖，向移動(dòng)用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的超高清視頻，這要求地理、天線(xiàn)布置和通道質(zhì)量等因素均滿(mǎn)足相關(guān)要求。

　　在 IMT-2020 中，與其說(shuō) 5G 是一種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，不如說(shuō)是一種包括三層無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)，可通過(guò)虛擬基站和控制層緊密連接在 metro 數據中心內，從而向用戶(hù)提供類(lèi)似于無(wú)縫網(wǎng)絡(luò )的體驗。

　　定義無(wú)線(xiàn)電

　　開(kāi)發(fā)人員沒(méi)有被紛繁多樣的要求和頻率所迷惑，堅持認為需要一種全新的無(wú)線(xiàn)電設計取代定義狹隘的 4G 無(wú)線(xiàn)電。他們將這些設計創(chuàng )造性地稱(chēng)為新無(wú)線(xiàn)電 (NR)。

　　NR 的實(shí)施將滿(mǎn)足各種需求。這一全新技術(shù)必須提供單個(gè)可在所有三層頻率(從 700 MHz 到 40 GHs、甚至更高頻率)之間擴展的架構;必須支持大量 MIMO 陣列及實(shí)施動(dòng)態(tài)波束成形與跟蹤;必須充分利用每個(gè)可用通道實(shí)現最佳數據速率，支持在多個(gè)用戶(hù)和消息類(lèi)型之間分享可用的數據速率，確保每平方千米的大量設備高效運行;而且必須支持各種實(shí)施成本(其半導體制程將于 2020 年問(wèn)世)。為實(shí)現這些目標，NR 架構師對空中接口的調制、糾錯、幀定義和協(xié)議進(jìn)行了修改。

　　他們首先選擇了可在不同頻段間擴展且可多路復用的高密度正交分頻調制方案。該調整方案可生成簡(jiǎn)單波形(射頻前端已經(jīng)非常復雜了，我們應化繁為簡(jiǎn))，這些簡(jiǎn)單波形對于多用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)十分有用，且可在 10 納米或 7 納米等具有較高晶體管預算的制程中高效實(shí)施。

　　為此，架構師加入了多終端低密度奇偶校驗通道編碼 (ME-LDPC)，該方法可提升編碼效率，在并行電路中易于實(shí)施，且支持較短的傳輸時(shí)間間隔 (TTI) —— 對于保持低延遲至關(guān)重要。

　　不過(guò)，降低延遲需要進(jìn)一步工作。NR 可重新定義數據幀結構，支持將調度數據和確認信息整合在初始數據幀中，從而縮短周轉時(shí)間和 LTE 延遲。這些決策對于縮短機器到機器通信延遲和快速對發(fā)射機進(jìn)行波束成形訓練至關(guān)重要，有望支持跟蹤快速移動(dòng)的客戶(hù)端。這一全新幀結構支持分頻雙工，對于分時(shí)雙工尤其有益。

　　政治

　　新無(wú)線(xiàn)電 (NR) 是 LTE 無(wú)線(xiàn)電之后的重大技術(shù)進(jìn)步，不僅引入了新的科學(xué)理念，而且融合了許多現有的創(chuàng )意，將催生 2020 制程技術(shù)的非凡功能。但是，相比于世人厭惡的官僚政治，構建 NR 的挑戰簡(jiǎn)直不值一提。

　　IMT-2020 蛋糕的三層不是相互隔離、而是相互依賴(lài)的。盡管可使用中層的某個(gè)頻譜分階段實(shí)施有限的城市市場(chǎng) 5G 服務(wù)，提供頂層的少數點(diǎn)到點(diǎn)固定寬帶鏈路，但要滿(mǎn)足多數人對 5G 的期望，您需要所有三層。

　　這意味著(zhù)單個(gè)國家和地區需要重新分配現有用戶(hù)的大型連續頻譜塊，從 700 Mhz 頻段的 20 Mhz 數據塊到大量 6 Ghz 以上的 800 Mhz 條帶 (swath)。全球各國需要通力配合確保單個(gè) NR 能夠在各國通行。

　　到目前為止，相關(guān)工作進(jìn)展順利。根據公開(kāi)數據，華為估計中級 C 頻段中超過(guò)一半的適用頻譜要么可供使用，要么已進(jìn)入監管部門(mén)的考慮范圍。在美國、韓國和歐洲，大型數據塊仍擁有巨大的發(fā)展潛力。而高頻層的不確定性更高。

　　有一點(diǎn)似乎可以確定，隨著(zhù) 2020 年即將到來(lái)，NR 的實(shí)施規模正在擴大，本地服務(wù)提供商明確了所需的頻率和能夠負擔的頻率，未落實(shí)頻譜塊的經(jīng)濟和政治價(jià)值將會(huì )急劇攀升。即將舉行的第 11 小時(shí)談判或許將決定公眾對 5G 的認知。這一技術(shù)只是成為奧運會(huì )等全球重大活動(dòng)的支持平臺，或大型高科技公司及其富有客戶(hù)的平庸工具，還是將引發(fā)一場(chǎng)重塑人與事物交互模式的社會(huì )變革?這是一個(gè)值得深思的問(wèn)題。技術(shù)能夠帶來(lái)這種變革，但現實(shí)條件和人類(lèi)的意志才是決定性因素，時(shí)間會(huì )證明一切。