5G正邁向現(xiàn)實(shí)

　　5G 發(fā)展日新月異。從下一代革命性無(wú)線技術(shù)的模糊概念，到一些可望不可即的目標(biāo)，再到日趨成熟的用例和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，5G 發(fā)展日新月異，目前已具備可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和可實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。在這一過(guò)程中，5G 展現(xiàn)出與當(dāng)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(jí)帶寬、競(jìng)爭(zhēng)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(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)。許多應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)架構(gòu)師認(rèn)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開(kāi)拓固定寬帶接入市場(chǎng)?5G 可實(shí)現(xiàn)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(yàn)移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)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(jì)算任務(wù)。想要一輛后備箱沒(méi)有超級(jí)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)駕駛互聯(lián)汽車(chē)?只需一個(gè) 5G 調(diào)制解調(diào)器，云端會(huì)帶來(lái)無(wú)與倫比的自動(dòng)駕駛體驗(yàn)(圖 1)。希望將物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 系統(tǒng)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(yīng)用

　　這些目標(biāo)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(xiàn)。毋庸置疑，如需取得進(jìn)展，標(biāo)準(zhǔn)制定者需要將期望限定在合理范疇。

　　三個(gè)用例

　　國(guó)際電信聯(lián)盟的國(guó)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(qiáng)型移動(dòng)寬帶、大規(guī)模機(jī)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(xiàn) 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(qiáng)型移動(dòng)寬帶可能最接近多數(shù)人對(duì)下一代手機(jī)的設(shè)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(dá) 20 Gbps 的數(shù)據(jù)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)等場(chǎng)景中與云應(yīng)用密切互動(dòng)。

　　大規(guī)模機(jī)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、建筑或家庭中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在這個(gè)場(chǎng)景中，原始數(shù)據(jù)速率沒(méi)那么重要;機(jī)器要么提供相對(duì)較少的信息 —— 每秒只有幾條傳感器讀數(shù)，要么在本地預(yù)處理處理，以大幅降低帶寬(就像智能監(jiān)控?cái)z像頭一樣)。這里的關(guān)鍵不是數(shù)據(jù)速率，而是連接密度 —— 每平方千米多達(dá)一百萬(wàn)個(gè)互聯(lián)設(shè)備 —— 和能效 —— 相當(dāng)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)途中通話中斷的情況。這些應(yīng)用不僅需要相對(duì)較高的數(shù)據(jù)速率 —— 例如汽車(chē)將其攝像頭和激光雷達(dá)的大量信息流發(fā)送至云端進(jìn)行分析，而且需要與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)沒(méi)什么關(guān)系的兩個(gè)屬性：毫秒級(jí)延遲和功能安全級(jí)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(xiàn)。例如，通過(guò)增加通道帶寬，幾乎可隨時(shí)提高數(shù)據(jù)速率。萬(wàn)一失敗，可應(yīng)用經(jīng)過(guò)當(dāng)前 LTE-Advanced 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的技術(shù)，如多個(gè)發(fā)送和接收天線 (MIMO)、載波聚合等。隨著高級(jí)半導(dǎo)體制程中晶體管數(shù)量的增加，頻譜效率仍有進(jìn)一步改進(jìn)的空間?？稍谒皆O(shè)備上使用大量 MIMO 天線陣列以實(shí)施波束成形，同時(shí)為各客戶(hù)端創(chuàng)建私有無(wú)線電波束。在高密度區(qū)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(shù)據(jù)速率。

　　如需增加特定區(qū)域的客戶(hù)端數(shù)量，可利用較小的單元和波束成形。還可對(duì)高帶寬通道進(jìn)行多路復(fù)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(xiàn)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(shù)更少。可采用更高的新頻率，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(dāng)頻率達(dá)到 28 Ghz，現(xiàn)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(duì)頻率造成數(shù)十 dB/千米的衰減，春天綠意盎然的葉子可完全吞噬信號(hào)。即使是板墻和玻璃等建筑材料也會(huì)吸收數(shù)十 dB 的信號(hào)。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(dāng)然，可使用多個(gè)高帶寬通道實(shí)現(xiàn)出色的數(shù)據(jù)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(shù)百萬(wàn)個(gè)廉價(jià)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shù)據(jù)時(shí)。復(fù)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(fù)雜情況難以讓人對(duì)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。滿(mǎn)足極高數(shù)據(jù)速率、毫秒級(jí)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(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的解決方案是利用三層單獨(dú)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(duì)應(yīng)。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(biāo)。

　　三層頻段構(gòu)成了一種“婚禮蛋糕 (wedding cake)”(圖 3)。在底部，現(xiàn)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(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施可覆蓋地球上的多數(shù)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(yuǎn)地區(qū)(立即部署新基站在經(jīng)濟(jì)上缺乏可行性)，以及支持不利條件下的低效運(yùn)行連接、在更多復(fù)雜 5G 連接提供下行鏈路的情況下增強(qiáng)上行鏈路以及支持要求不高的機(jī)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)線電靜寂狀態(tài)，只會(huì)跳轉(zhuǎn)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(qiáng)大技術(shù)保持高數(shù)據(jù)速率連接。這里介紹了在特定的大規(guī)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(biāo)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(jī)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(duì)極致數(shù)據(jù)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(xiàn)的毫米波頻段。人們希望政府為 5G 用途分配連續(xù)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)線網(wǎng)絡(luò)，不如說(shuō)是一種包括三層無(wú)線網(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(shù)據(jù)中心內(nèi)，從而向用戶(hù)提供類(lèi)似于無(wú)縫網(wǎng)絡(luò)的體驗(yàn)。

　　定義無(wú)線電

　　開(kāi)發(fā)人員沒(méi)有被紛繁多樣的要求和頻率所迷惑，堅(jiān)持認(rèn)為需要一種全新的無(wú)線電設(shè)計(jì)取代定義狹隘的 4G 無(wú)線電。他們將這些設(shè)計(jì)創(chuàng)造性地稱(chēng)為新無(wú)線電 (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(kuò)展的架構(gòu);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(xiàn)最佳數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率，確保每平方千米的大量設(shè)備高效運(yùn)行;而且必須支持各種實(shí)施成本(其半導(dǎo)體制程將于 2020 年問(wèn)世)。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，NR 架構(gòu)師對(duì)空中接口的調(diào)制、糾錯(cuò)、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(kuò)展且可多路復(fù)用的高密度正交分頻調(diào)制方案。該調(diào)整方案可生成簡(jiǎn)單波形(射頻前端已經(jīng)非常復(fù)雜了，我們應(yīng)化繁為簡(jiǎn))，這些簡(jiǎn)單波形對(duì)于多用戶(hù)訪問(wèn)十分有用，且可在 10 納米或 7 納米等具有較高晶體管預(yù)算的制程中高效實(shí)施。

　　為此，架構(gòu)師加入了多終端低密度奇偶校驗(yàn)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(duì)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(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，支持將調(diào)度數(shù)據(jù)和確認(rèn)信息整合在初始數(shù)據(jù)幀中，從而縮短周轉(zhuǎn)時(shí)間和 LTE 延遲。這些決策對(duì)于縮短機(jī)器到機(jī)器通信延遲和快速對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行波束成形訓(xùn)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(jié)構(gòu)支持分頻雙工，對(duì)于分時(shí)雙工尤其有益。

　　政治

　　新無(wú)線電 (NR) 是 LTE 無(wú)線電之后的重大技術(shù)進(jìn)步，不僅引入了新的科學(xué)理念，而且融合了許多現(xiàn)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(gòu)建 NR 的挑戰(zhàn)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(shù)點(diǎn)到點(diǎn)固定寬帶鏈路，但要滿(mǎn)足多數(shù)人對(duì) 5G 的期望，您需要所有三層。

　　這意味著單個(gè)國(guó)家和地區(qū)需要重新分配現(xiàn)有用戶(hù)的大型連續(xù)頻譜塊，從 700 Mhz 頻段的 20 Mhz 數(shù)據(jù)塊到大量 6 Ghz 以上的 800 Mhz 條帶 (swath)。全球各國(guó)需要通力配合確保單個(gè) NR 能夠在各國(guó)通行。

　　到目前為止，相關(guān)工作進(jìn)展順利。根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)，華為估計(jì)中級(jí) 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(jiān)管部門(mén)的考慮范圍。在美國(guó)、韓國(guó)和歐洲，大型數(shù)據(jù)塊仍擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α６哳l層的不確定性更高。

　　有一點(diǎn)似乎可以確定，隨著 2020 年即將到來(lái)，NR 的實(shí)施規(guī)模正在擴(kuò)大，本地服務(wù)提供商明確了所需的頻率和能夠負(fù)擔(dān)的頻率，未落實(shí)頻譜塊的經(jīng)濟(jì)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(duì) 5G 的認(rèn)知。這一技術(shù)只是成為奧運(yùn)會(huì)等全球重大活動(dòng)的支持平臺(tái)，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(xiàn)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。