使用 5G 無線技術(shù)連接未來

5G無線技術(shù)即將到來；但我們需要先完成關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施升級。

過去幾年來，圍繞5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行的大肆宣傳不斷升級。如果您閉目塞聽（或與世隔絕），情況大概會是這樣：它規(guī)模宏大，即將到來并將改變一切。

在這種情況下，這種戲劇性實(shí)際有跡可循。在5G世界中，虛擬醫(yī)生和家庭檢查系統(tǒng)甚至能為全球最偏遠(yuǎn)的地區(qū)帶去價格實(shí)惠的高品質(zhì)醫(yī)療服務(wù)。精密的全息圖和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)將會開辟新的藝術(shù)和娛樂途徑，而實(shí)時數(shù)據(jù)流則將改變從制造業(yè)到農(nóng)業(yè)的各個行業(yè)。

斯坦福大學(xué)工程教授兼無線系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任Andrea Goldsmith表示：“隨著數(shù)十億設(shè)備彼此互聯(lián)以及連接云，下一代無線技術(shù)有望做到隨時隨地實(shí)施檢測，處理海量數(shù)據(jù)，并從使用這些數(shù)據(jù)的設(shè)備中獲取信息。但能否真正實(shí)現(xiàn)您在新聞中看到的那種前景，則取決于對無線技術(shù)開發(fā)的投資?！?/p>

具體來說，這些投資包括重新考慮如何測試和建設(shè)通信基礎(chǔ)設(shè)施，比如支撐前幾代無線技術(shù)的蜂窩基站。在這個過程中，不僅需要具備構(gòu)建電信基礎(chǔ)設(shè)施的深厚專業(yè)知識，還需要創(chuàng)造性地開發(fā)解決方案，滿足一些非常復(fù)雜的要求，利用5G無線技術(shù)提供無處不在的連接。

另一個代溝

隨著我們能夠提供更高的速度和帶寬，以及市場尋求縮小產(chǎn)品尺寸，導(dǎo)致電信基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)展成本越來越高，也越來越復(fù)雜，而5G的出現(xiàn)開始推動電信行業(yè)不斷創(chuàng)新。

以5G基站中使用的無線電為例：為了與網(wǎng)絡(luò)上的大量新設(shè)備進(jìn)行通信，其通道數(shù)比4G產(chǎn)品多16倍。所以，其中使用的硅芯片非常多。這使得它們的質(zhì)量更重，價格更昂貴，且需要耗費(fèi)大量電能。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，但5G基站將成為推出新一代網(wǎng)絡(luò)的決定性因素。電信服務(wù)提供商和制造商貿(mào)易組織5G Americas的總裁Chris Pearson表示：“網(wǎng)絡(luò)密度是決定5G的關(guān)鍵因素之一，我們需要的不僅僅是增加數(shù)千個站點(diǎn)，而是增加成千上萬?！?/p>

“網(wǎng)絡(luò)密度是決定5G無線技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。我們需要的不僅僅是增加數(shù)千個站點(diǎn)，而是增加成千上萬?！?/em>

Chris Pearson

總裁 | 5G Americas

見證發(fā)展浪潮

隨著5G的到來，我們將迎來一個高速度、低延遲、大規(guī)模連接的時代。雖然它將改變每一個行業(yè)，但其造成的影響在城市環(huán)境中尤其明顯，并將為未來的智慧城市鋪平道路。

與4G相比，5G本質(zhì)上有兩大改進(jìn)；在更低和更高的頻率，以及毫米波(mmWave)頻段提供大規(guī)模多路輸入、多路輸出(MIMO)后者特別適合密集型城市環(huán)境。

圖1 Massive MIMO 和 mmWave

一般來說，毫米波是指30-300 GHz之間的射頻頻段，其波長以毫米為單位。對于5G，5G標(biāo)準(zhǔn)組織（稱為3GPP）定義的毫米波頻段為24-100 GHz，未來可能考慮更高頻率。

圖2 5G 帶寬機(jī)遇

5G毫米波技術(shù)主要針對高頻段，這些頻段含有更多的可用頻譜。毫米波頻率更高時，波長更短，這意味著需要更小的天線和設(shè)備，以便在較小的城市區(qū)域輕松設(shè)置更多的毫米波基礎(chǔ)設(shè)施。

ADI公司汽車、通信和航空航天集團(tuán)高級副總裁Greg Henderson了解電信公司面臨的巨大需求。他表示：“如果成倍增加這些通道，那么基站中的設(shè)備基本也會成倍增加。所以運(yùn)營商面臨的挑戰(zhàn)，就是需要以過去4G基站大致相同的外形尺寸，同樣的成本和功耗實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容目標(biāo)。這需要完全重新考慮射頻系統(tǒng)，從采用分立式組件和濾波器的傳統(tǒng)射頻架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦椭苯幼冾l系統(tǒng)，通過架構(gòu)和高級軟件算法簡化了設(shè)計?！?/p>

圖3 運(yùn)營商所面臨的挑戰(zhàn)

ADI在射頻和微波通信等技術(shù)領(lǐng)域具有悠久歷史，在推出前幾代無線技術(shù)的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。從1G發(fā)展至今，我們開發(fā)了各種關(guān)鍵硬件，助力實(shí)現(xiàn)速度越來越快的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和通信，這不僅是部署新通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，對于證實(shí)全新性能水平的測試設(shè)備也至關(guān)重要。

“我們不只是在開發(fā)組件。我們實(shí)際上是在試圖解決與整個系統(tǒng)相關(guān)的問題。我們擁有一定水平的系統(tǒng)架構(gòu)專業(yè)知識，以及非常強(qiáng)大的技術(shù)組合，這讓我們能夠以非常獨(dú)特的方式解決極具挑戰(zhàn)性的問題”，ADI通信部副總裁Joe Barry表示。

該公司運(yùn)用其專業(yè)經(jīng)驗(yàn)來滿足5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的獨(dú)特需求，創(chuàng)建了一種軟件定義收發(fā)器形式的全新通信架構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)最初是為4G開發(fā)的，它將復(fù)雜、甚至笨拙的信號鏈集成到一個微芯片中。通過這種方式，建造5G基站所面臨的規(guī)模、功率和成本方面的挑戰(zhàn)（阻礙實(shí)施的關(guān)鍵因素）得以迎刃而解。

“我們在這些基站中使用的物理空間基本相同，但每個能量單位獲得的比特數(shù)要比4G高出一個數(shù)量級。所以我們需要部署一些非常復(fù)雜的射頻天線處理技術(shù)。在5G的下一個階段，可能會出現(xiàn)一些基于邊緣的云系統(tǒng)，從而能夠?yàn)椴煌臉I(yè)務(wù)類型提供動態(tài)服務(wù)。所以在工業(yè)4.0等領(lǐng)域可能會出現(xiàn)新的商業(yè)模式，屆時5G可能會成為任務(wù)關(guān)鍵型工廠自動化連接的基石”，ADI公司總裁兼首席執(zhí)行官Vincent Roche表示。

更好的基站

5G 毫米波需要重新考慮目前用于無線通信的基站架構(gòu)，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)更大的密度。自 2015 年以來，美國公司已經(jīng)建造了 3 萬個 5G 基站，未來幾年還將建造更多。

圖4 美國的基站數(shù)量

下一回合

奠定基礎(chǔ)之后，5G無線技術(shù)就可能改變所有這一切。根據(jù)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究，通過5G網(wǎng)絡(luò)提供支持的交通管理解決方案可以使車輛的等待時間縮短40%，使溫室氣體排放量降低21%。在工業(yè)領(lǐng)域，5G將為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)鋪平道路，提供超低延遲無線連接，使制造商能夠更智能、更快、更高效地工作。一些研究預(yù)測，到2022年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將達(dá)到15億件，其應(yīng)用范圍將涵蓋從車隊(duì)管理到農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。另一些人則認(rèn)為到2025年這個數(shù)字將高達(dá)640億。

“如果您把邁向5G之路比作一場棒球比賽，我們現(xiàn)在可能處于第二局。但我們可能很快會進(jìn)入第四或第五局，在未來一兩年，還會有更多的國家制定部署規(guī)劃。到2020年，全球大約有3700萬5G用戶，而這只是冰山一角。它將會飛速發(fā)展?！?/p>

Chris Pearson

總裁 | 5G Americas

我們還必須升級連接各蜂窩基站，以及連接全球通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)全面部署5G的承諾。隨著這些系統(tǒng)能夠以更遠(yuǎn)的距離提供越來越高的數(shù)據(jù)速率，需要實(shí)施精準(zhǔn)控制來管理復(fù)雜的激光器、調(diào)制器和檢波器序列。針對這種需求，ADI公司高度集成的精密電子和電源解決方案具有核心作用，能夠使光學(xué)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到每秒數(shù)百千兆的速度，同時耗電量低于前代產(chǎn)品。此外，ADI公司的先進(jìn)時鐘產(chǎn)品能夠助力提供所需的增強(qiáng)同步，以滿足5G網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)時序要求。

圖5 5G 城市

隨著企業(yè)跨越5G難關(guān)（按照皮爾森的比喻，到達(dá)棒球賽的第九回合），像ADI公司這樣的合作伙伴也已開始關(guān)注通信領(lǐng)域的下一步發(fā)展?！?G只是一個開始，我們期待著未來進(jìn)一步超越5G，實(shí)現(xiàn)每秒幾十千兆、延遲極低的6G或7G通信。對這些系統(tǒng)的需求才剛剛開始顯現(xiàn)。但很明顯，它們將需要再次進(jìn)行全面重組，以充分發(fā)揮它們的潛力”，Henderson表示。