5G技術為下一代物聯(lián)網(wǎng)鋪路

　　德國德勒斯登工業(yè)大學（Tu Dresden）教授兼Vodafone Chair Mobile CommunicaTIons Systems計畫主持人Gerhard Fettweis確信已為下一代5G蜂巢式網(wǎng)路空中介面作好準備。他認為通用頻分多工（GFDM）優(yōu)勢明顯，可以支援他所說的觸覺網(wǎng)際網(wǎng)路，這同時也是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的未來，目前并已經(jīng)獲得了包括華為（Huawei）、英特爾（Intel）、國家儀器（NI）、沃達豐（Vodafone）和賽靈思 （Xilinx）等多家公司的支持。

　　各方都一致認為5G需要一種新的空中介面來滿足其雄心壯志，因為5G并不向后相容于目前的4G LTE。業(yè)界至今已提出了6種主要的建議了，預計在3GPP于2018年藉由完成Release 15版本發(fā)布第一個主要的5G標準之前還會有更多的提議浮出臺面。

　　大多數(shù)的提議都是目前正交頻分多工（OFDM）技術的變化版本，有利于進一步增強支持者的力量。一些專家認為，空中介面方面的競爭并不至于像為大規(guī)模天線陣列定義全新的技術以及支援6GHz以上頻率的工作那樣激烈。

　　盡管如此，許多公司和研究機構開始側(cè)重于采用他們認為可為整個產(chǎn)業(yè)和他們自己帶來最大好處的空中介面。這些空中介面之間的差異涉及無線通訊技術方面的微妙權衡。

　　編碼機制的“選美比賽”

　　“這有點像選美比賽，最后可能會采納多項提議的部分內(nèi)容，但其實并不至于太復雜，因為該技術存在基本的實體定律，我們無法針對所有方面進行最佳化，”經(jīng)驗豐富的研究員兼企業(yè)家Arogyaswami Paulraj在最近舉行的IEEE 5G高峰論壇上表示。

　　高通公司（Qualcomm）研究部門Qualcomm Research負責5G的資深工程總監(jiān)John Smee同意上述觀點。各種提議無非是在開啟與過濾OFDM訊號上做文章，他指出。

　　盡管如此，高通最近也發(fā)表了自家的提議。它的統(tǒng)一OFDM介面采用的是使用多種技術的混合方法，可支援2次冪的眾多符號，因而更適于半導體設計。高通并針對資源有限的物聯(lián)網(wǎng)提出了另一種5G方法。

　　Fettweis將高通的統(tǒng)一介面形容為研究人員研究多年的時間/頻率程式碼分割概念變化版。他認為這種方法可能不具有最高的能效，而是形成功耗相對較大的類比元件，如ADC和射頻（RF）晶片。

　　高通在最近發(fā)表的白皮書中描述對于5G空中介面的看法

　　（來源：Qualcomm）

　　映射空中介面圖

　　GFDM旨在透過混合方法支援多載波

　　與其它方法一樣，斯堪地那維亞半島（Scandinavia）的研究人員和公司都表示支援“多載波濾波”（FBMC）技術。Paulraj表示，F(xiàn)BMC方法可提供最佳的頻外輻射性能，但由于其視窗太長，并不利于為5G規(guī)劃的大天線陣列。

　　通用濾波多載波（UFMC）途徑在頻外輻射性能方面也不是很好，但在基地臺共用上行鏈路方面的表現(xiàn)較好，Paulraj指出，“就像打沙袋一樣，你從一側(cè)打一拳過去，另一邊就鼓出來。”

　　據(jù)Fettweis透露，阿爾卡特-朗訊（Alcatel-Lucent）支援UFMC，并稱其為可在次載波通道上支援多載波系統(tǒng)的一種途徑。如果采用其“去尾”（tail-biTIng）方法進行濾波，還能相容于其GFDM，他表示。

　　華為據(jù)稱支援一種稱為頻譜過濾的OFDM途徑，其優(yōu)勢更接近于“香農(nóng)理論”（Shannon’s Law）的容量極限。不過，F(xiàn)ettweis指出，這種方法需要更復雜的接收器和天線陣列。

　　至少有一家新創(chuàng)企業(yè)提出了一種除了OFDM以外的全新方法，那就是Cohere Technologies公司。該公司采用創(chuàng)新的數(shù)學概念，能夠更精確地提供通道估計，進而提高頻譜效率。Cohere公司目前正開始準備白皮書，計劃首度公布這一概念的部份細節(jié)。

　　Paulraj表示，“在所有事情塵埃落定之前我們需要更多的想法。”

　　低延遲實現(xiàn)觸覺網(wǎng)際網(wǎng)路

　　Fettweis將其GFDM視為一種超集合途徑，可根據(jù)其細節(jié)的建置方式相容于多項提議。其關鍵的元件之一是用于濾波模組的環(huán)繞式處理方法，據(jù)稱這有助于保持資料封包較短，進而實現(xiàn)毫秒級的延遲。

　　Fettweis解釋，“我們提出了環(huán)形濾波的技術，因此，如果一個資料封包是70ms長的話，過濾整個資料封包的時間仍然是70ms長。”

　　這種途徑還能保持在較低的峰均功率比值，從而確保功率放大器執(zhí)行于低功耗狀態(tài)。“我們業(yè)已表明這個比值不會變差，而且在大多數(shù)情況下使用我們的方法還會有顯著的改善。”Fettweis指出。

　　這種途徑為物聯(lián)網(wǎng)開啟了新的使用案例之門。Fettweis和其它研究人員將這些用例歸納在一個他們稱為觸覺網(wǎng)際網(wǎng)路的概念中。這些用例包括無線版本的多用戶游戲、虛擬實境、零售產(chǎn)品展示以及各種遠端系統(tǒng)管理的工業(yè)、機器人和醫(yī)療控制。

　　Fettweis開發(fā)了一種新應用案例，只有毫秒級的延遲

　　舉例來說，鑒于目前的無線延遲高達150ms，用戶無法使用虛擬實境（VR）頭戴式顯示器作出及時的反應。但當延遲減少到5ms時，這樣的任務就相當輕松了。

　　愛立信（Ericsson）與倫敦國王學院（King’s College London）的研究人員們目前也針對觸覺網(wǎng)際網(wǎng)路的開發(fā)展開合作。例如，該實驗室無線通訊部門的Mischa Dohler表示，他們希望進一步推動觸覺編解碼器與編碼器的標準化。

　　觸覺網(wǎng)際網(wǎng)路可以衍生出物聯(lián)網(wǎng)版本的Facebook，F(xiàn)ettweis把它稱之為Thingbook——與智慧物件互動的一種網(wǎng)路介面。

　　“目前有5家大公司每年在GFDM上投入數(shù)百萬美元，顯示有一個很大的群體正廣泛接受GFDM。”目前正透過沃達豐申請GFDM專利的Fettweis透露，“華為就有一大幫人正拼命地撰寫有關GFDM的專利。”

　　追求低延遲也招徠了不少人的批評。例如高通公司表示，GFDM需要復雜的接收器來處理干擾，而且還必須為多工服務提供較大保護頻段。

　　云端無線接取網(wǎng)路（C-RAN）的支持者們認為，GFDM的低延遲可能與其目標沖突。C-RAN旨在將基地臺轉(zhuǎn)變成簡單的天線陣列，然后將訊號反饋至巨量資料中心并在標準伺服器上進行處理。這種方法可以免于蜂巢式天線塔通常需要空調(diào)的大型系統(tǒng)機柜需求。

　　目前正為搜尋引擎巨擘Google搭建無線通訊業(yè)務的Google Access資深主管TIbor Boros表示：“C-RAN十分理想，因為它們可以降低基礎設施的功耗和成本，讓任何人都能為蜂巢式網(wǎng)路編寫軟體，而且虛擬化蜂巢式網(wǎng)路十分令人振奮。”

　　“然而，如果延遲很低，C-RAN就沒這么理想了，因為實體層必須更接近邊緣甚至核心網(wǎng)路，”Boros指出。

　　Fettweis把C-RAN稱為“一個美好的概念，然而，一旦基地臺有許多天線就會崩解，因為每根天線都需要Gbit/s鏈路連接到云端伺服器。因此，如果未來使用5G時可提供100根基地臺天線，那么從基地到C-RAN訊號處理引擎將需要數(shù)個Tbit/s級的鏈路。”

　　盡管如此，F(xiàn)ettweis認為，仍有許多方法可以用來消除C-RAN和低延遲之間的沖突。舉例來說，營運商可以在網(wǎng)路邊緣安裝云端伺服器，他估計那也許是距任何C-RAN無線頭端一英哩的范圍內(nèi)。

　?。▍⒖荚模?G Idea Opens IoT Horizons，by Rick Merritt）