2020年部署5G無線網(wǎng)絡! 從研究實驗室到服務提供商，這句話代表了他們共同的目標，幾乎就是一首贊歌。作為一個目標，這句話解釋了研發(fā)活動的所有行為方式。但是作為贊歌，卻從根本上缺乏明確的定義。什么是5G? 我們必須要解決哪些問題才能部署實施它?
表面上，定義看起來很簡單：5G是4G之后的下一代蜂窩小區(qū)技術。但是在背后，您會發(fā)現(xiàn)有一些不太光鮮的東西：大量的利益角逐，想盡辦法來促銷自己的產(chǎn)品，以便讓網(wǎng)絡支持他們的服務，或者僅僅是不讓自己的產(chǎn)品過時。在他們的鼓噪中，您會聽到有各種各樣的訴求。
移動用戶如果曾想象過5G，會認為它能夠完美無缺的提供HD電影、游戲以及增強現(xiàn)實體驗，而且這些都會隨著他們在不同的環(huán)境和設備上一起移動。這類服務意味著：
• 一個端點需要10 Gbps以上的帶寬
• 與4G相比，一個區(qū)域的帶寬要高出數(shù)千倍
• 一個區(qū)域的設備數(shù)量增加10到100倍
• 可用性高達5個9，而且是無縫地理覆蓋
這是從移動用戶的角度看。而網(wǎng)絡架構師則會關注并寫下以下要求：
• 單位比特的網(wǎng)絡能耗降低90%
• 任何頻譜和接入網(wǎng)都能夠實現(xiàn)帶寬聚合
• 不同的射頻接入網(wǎng)之間切換時間小于10 ms
• 動態(tài)頻譜分配，點對點連接，自回傳功能
他們會關注所有這些討論，而一名物聯(lián)網(wǎng)(IoT)開發(fā)人員還會加上一些他自己的需求：
• 往返延時小于1ms
• 網(wǎng)絡上一個簡單設備的電池使用壽命在10年以上
• 工業(yè)級功能安全和保密
如果要把這些過高的要求進行分類，可能最好的方法實際上是把5G工程師們至少分成三類。第一，把5G看成是擴展的工程師：4G服務已經(jīng)很好了，給更多的用戶提供更多的帶寬。第二，把5G不僅僅看成是一個無線網(wǎng)絡，而是把所有無線連接都統(tǒng)一起來的工程師，包括短距、微小區(qū)、WiFi和蜂窩小區(qū)。第三，還有IoT開發(fā)人員，他們希望這種統(tǒng)一的網(wǎng)絡能夠滿足IoT系統(tǒng)的需求，包括節(jié)能、低延時、可靠性和安全。
所有這些工程師們都有他們自己的期望。對于每一種要求，我們可以從找到5G必須實現(xiàn)的特殊技術里程碑開始。
讓我看電影
如果5G能夠實現(xiàn)服務提供商在4G上所承諾的，很多用戶都會非常高興：在熱點之間都具有類似Wi-Fi的帶寬。這些家伙們就是希望觀看足球決賽，或者在“冰雪奇緣”第2,314次開演之前把孩子們塞進車里去。某些應用供應商也同樣垂涎于這么大的帶寬，能夠為貪婪的客戶們提供基于位置的視頻或者增強現(xiàn)實。服務提供商則憧憬著能夠挽回在WiFi上損失的投入，甚至切斷家里的電纜或者DSL連接。
但是要實現(xiàn)如此高的帶寬，特別是在人口稠密的大都市市場上，就應該突破傳統(tǒng)的無線技術。如果您希望為端點提供更連續(xù)的Mbps，那么您有兩種選擇——更寬的信道，或者更多的信道。所有這些選擇都指向5G。
寬信道
為實現(xiàn)更寬的信道，您面臨兩種基本選擇。您可以采用更智能、更強有力的編碼方案，進一步壓縮數(shù)據(jù)，或者給每一個通道提供更大的帶寬。至少從原理上，您還可以讓幀更長一些，降低開銷，從而提高流數(shù)據(jù)的效率。這些選擇都會對整個網(wǎng)絡產(chǎn)生影響。
Altera®無線應用專家Richard Maiden建議說，可以實現(xiàn)功能更強大的波形和編碼方案，但是可能無法應用于現(xiàn)有的頻帶內。他提醒說，“我們還沒有弄清楚基帶算法?，F(xiàn)在，看起來直到2.5 GHz波段，波形都沒有變化。在2.5和10 GHz之間，波形會有些變化以提高頻譜效率。對于更寬的信道，由于采用了預分配頻譜，因此，這在2.5 GHz以下不太可能實現(xiàn)。在2.5和6 GHz之間，沒有嚴格的牌照，因此可以部署100-200 MHz量級的通道。在這一點，28和60GHz之間的新帶寬仍然是一張白紙，可以在這里實現(xiàn)非常寬的通道。”
正如Maiden所建議的，這些新的高頻帶寬帶來了更多的利好——每一通道的帶寬更高(圖1)。但這也是有成本的。新帶寬需要更多的RF電路和天線。基帶數(shù)據(jù)轉換器要求更高的采樣率，甚至更高的分辨率，特別是發(fā)送器需要采用數(shù)字預失真的情況?；鶐卧蟛捎酶鼘挼目焖俑道锶~變換，而且延時更低。
（圖 1.6 GHz以上會有很多可用帶寬，但是每一個都有自己的電路、天線和傳播狀態(tài)。）
還有物理限制。Maiden注意到，“隨著頻率的提高，RF傳播特性會變差。”在60 GHz，RF甚至不能很好的穿透潮濕的空氣，更不用說穿過墻壁了。Maiden總結到，“高頻的寬信道將是短信道。為充分應用60 GHz，您需要大量的短信道。”
更多的信道
進一步提高端點帶寬的一種其他可選方法是聚合多個通道，幾個通道并行為用戶提供數(shù)據(jù)包。實際上，LTE-A已經(jīng)支持載波聚合了。而5G會進一步延伸這一概念，支持聚合來自不同帶寬甚至不同類型設備的載波——例如，一個小區(qū)的幾個通道與來自一個小區(qū)塔的一個通道以及一個WiFi連接相組合。所有這些概念都可以應用于目前的LTE-A，但是并沒有得到廣泛應用。
帶寬聚合帶來了兩類挑戰(zhàn)。首先也是最明顯的，網(wǎng)絡和端點都要求能夠處理所涉及的數(shù)據(jù)速率。不論是基帶還是應用處理器，目前的手持式體系結構還不能夠處理10 Gbps。相應的，手持式設備提供商需要開發(fā)下一代設備才能滿足網(wǎng)絡需求。
對于基站，情形更具有挑戰(zhàn)性。要通過大量的數(shù)據(jù)，分流到多個信道上，必須能夠被手持設備接收到，同時還要保持數(shù)據(jù)包正確的順序。還有大量的網(wǎng)絡管理問題。手持式設備的數(shù)據(jù)流可能會被分流到一個或者多個宏小區(qū)塔和多個小區(qū)之間。小區(qū)會工作在毫米波段，連接至移動手持設備——更不用說車輛了，這可能非常不穩(wěn)定，為應對快速漂移的通道特性，需要進行連接頻率重構。
MIMO
由于情形越來越復雜，多個小區(qū)基站通過多個頻段向一個設備輸出信號，因此，高階多輸入/多輸出(MIMO)天線越來越受關注了。基站可以使用大規(guī)模MIMO天線陣列，在每一個端點形成窄波束。端點設備可以使用更適中的陣列對波束聚束，提高自己的接收靈敏度和發(fā)送功率(圖2)。采用MIMO聚束，能夠降低發(fā)送功率，仍然得到較好的通道特性。但是聚束需要極大的提高基帶處理容量，以便實現(xiàn)矩陣算法，用于計算天線單元之間的相差。
（圖 2.大規(guī)模MIMO小區(qū)基站能夠將窄波束聚焦于某一客戶端，而手持式設備上更簡單的MIMO陣列實現(xiàn)了一定的方向選擇性。）
空間密度
聚合和MIMO不僅解決了帶寬問題，而且還有另一個關鍵問題——能夠為某一空間提供更多的Gbps，例如，郊區(qū)附近或者辦公大樓的一層。但是隨著密度的提高，也帶來了另一問題。Maiden觀察到，“看起來很容易在一個地方塞進去很多小區(qū)。但并不總是會有所改進。大部分網(wǎng)絡受限于干擾。”隨著小區(qū)密度的提高，使其相互之間不干擾，以及與宏網(wǎng)絡之間不干擾成為關鍵的網(wǎng)絡管理問題。通道分配和聚束是關鍵工具。
Maiden提醒說：“但是聚束需要跟蹤。”網(wǎng)絡不得不跟蹤用戶的物理位置以及小區(qū)的坐標。否則，會有太多的切換事件，新基站在聚焦并瞄準一條波速之前就有可能丟失其新客戶。
明確的是，網(wǎng)絡中會有很多跟蹤、監(jiān)視、分配和優(yōu)化事件。但是在哪里?有人主張完全中心化(圖3)——虛擬化所有基帶處理，將其以及控制平面代碼和應用程序遷移到大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，在射頻前端和數(shù)據(jù)中心之間通過專用光纜來回傳送數(shù)字化波形。這稱之為集中式射頻接入網(wǎng)(C-RAN)。
（圖 3.C-RAN把基站電子設備放到小區(qū)之外，將其集中放置到大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，在數(shù)據(jù)中心和塔之間來回傳送數(shù)字化基帶波形）
而另一種極端的想法是把對等網(wǎng)絡看成是靠近天線放置的智能基帶直接彼此相互通信來管理網(wǎng)絡，只使用中心設備進行后臺服務處理，例如計費。這種概念可以一直擴展，支持端點進行點對點直接連接，實際上把每個人的手持式設備轉換成一個微小區(qū)基站。當然，在這兩個極端的想法之間還有很多其他選擇。
確定選擇某種拓撲的一個因素是前傳網(wǎng)絡——在基帶和射頻之間獲得數(shù)據(jù)。理想情況下，這可以采用城域以太網(wǎng)來實現(xiàn)，使用了IEEE 1904等標準通過以太網(wǎng)對射頻波形進行數(shù)字化處理。但是，數(shù)據(jù)速率會非常大。
Maiden說：“目前20 MHz基帶的一個4×4 MIMO射頻前端要求5 Gbps的通用公共射頻接口(CPRI)。如果您有128個發(fā)送或者接收天線，那就跳到了160 Gbps。”隨著大規(guī)模MIMO和當今城域網(wǎng)的發(fā)展，純粹的C-RAN可能是不切實際的。
更小的小區(qū)會面臨很簡單的問題。隨著基帶硬件的集成，以及相對較低的吞吐量，可以通過任何介質來安排它們自己的傳送，例如本地WiFi或者小區(qū)塔連接。在純粹的對等網(wǎng)絡中，這一問題并沒有實際意義，因為每一個節(jié)點實際上通過其臨近節(jié)點連回到網(wǎng)絡中。
這類網(wǎng)絡技術看起來似乎可行。在端點并沒有什么新東西。對于軍事雷達設計人員而言，即使是宏小區(qū)塔的大規(guī)模MIMO也習以為常。最大的未知在于怎樣在嚴格的功率預算范圍內完成所有的基帶計算——要求基站網(wǎng)絡能耗降低90%。僅僅提高半導體工藝還不夠，即使是最仔細的ASIC設計。
網(wǎng)絡管理
另一個最大的未知是網(wǎng)絡管理。由于網(wǎng)絡越來越復雜，宏小區(qū)塔、小區(qū)、用戶自己安裝的微小區(qū)、WiFi集線器，可能還有點對點連接等等交織在一起，管理成為非常有趣的問題。目標是所有用戶都能夠按需獲得自己的全10 Gbps帶寬，而且?guī)缀醺杏X不到延時。現(xiàn)實是，網(wǎng)絡基本上完全不同于目前的4G拓撲。在5G，幾乎是隨機而不是按照地理模式來安排節(jié)點。不同的節(jié)點會支持不同的頻帶組合，會有不同級別的聚束能力。一個通道內的傳播特性會受到季節(jié)、天氣、一天中的時間以及打開一扇門或者在天線前面走動等不可預測事件的影響。當然，很多用戶都是在不斷移動;而最關鍵的是，例如汽車，移動的非?？?。成功的連接管理和優(yōu)化算法仍然還在演示階段，不論是集中式的還是分布式控制。
進入IoT
目前為止，我們假設了5G用戶與4G用戶非常相似——他們在自己的設備上運行應用程序，觀看從可愛的貓咪剪輯到故事片等流視頻，交換照片和文本，還可能會打一些電話等等。而還有非常不同的另一類充滿期望的用戶——IoT開發(fā)人員，他們對5G承諾的泛在性和帶寬望眼欲穿。
在很多情況下，IoT的最后幾條鏈路——在互聯(lián)網(wǎng)連接和匯集集線器之間，在集線器和傳感器或者致動器之間，其實際需求將是無線。因此，使用已有無線網(wǎng)絡的動機非常明顯。但是為滿足他們的需求，IoT開發(fā)人員希望電信提供商的5G規(guī)劃能夠覆蓋一些完全不同的需求。
首先，與帶寬相比，IoT開發(fā)人員更關心延時。如果您設計的控制系統(tǒng)中，簡單的傳感器和致動器相結合來控制云端的算法，網(wǎng)絡往返延時會非常重要——這是系統(tǒng)性能的一個參數(shù)。有人認為上限是1ms。還有延時也是某些重要的非IoT應用的關鍵所在，包括，互聯(lián)車輛和增強現(xiàn)實顯示等。
其次，IoT開發(fā)人員通常對能耗有很高的要求——不是網(wǎng)絡，而是端點的。他們希望有低速、占空比極低的模式，支持設備使用5G網(wǎng)絡，但是仍然有10年的電池使用壽命，或者通過能源收集來維持設備工作。
第三，在幾次災難后，IoT會要求一定的連接可靠性和數(shù)據(jù)安全性，這對于目前的蜂窩網(wǎng)絡而言完全是陌生的。現(xiàn)在不會有人在意政府組織是否會偷竊您的貓咪的視頻。大部分用戶甚至不會評估他們的隱私是否值得安裝加密應用程序，盡管他們有時候對自己的設備愛不釋手。但是很多人會在意一次IoT攻擊是否會切斷紐約的電力。
所有這三類IoT特有的需求都具有挑戰(zhàn)性，不是它們本身，而是由于這對于蜂窩網(wǎng)絡而言是全新的。目前的4G最重視維持連接，以最小延時實現(xiàn)了某些令牌帶寬。服務提供商會犧牲延時以提高利用率，即使是用戶打算轉換供應商。但是對于IoT用戶，網(wǎng)絡要管理多種多樣的服務質量要求，要處理在更多、更小的異構小區(qū)之間切換的問題。
能耗同樣也是問題。目前的網(wǎng)絡基于小區(qū)基站和端點之間的連續(xù)側邊通道信號，監(jiān)視狀態(tài)，跟蹤附近的位置，測量通道參數(shù)。對于突然出現(xiàn)的端點，要求以很小的開銷發(fā)送短的突發(fā)數(shù)據(jù)，然后再次消失，從突發(fā)到響應的延時只有1ms，這種協(xié)議無法滿足這些要求。對于可靠性和安全，這些需求會把蜂窩網(wǎng)絡帶入到完全不熟悉的領域中。
面臨的挑戰(zhàn)很清晰。電信企業(yè)、運營公司以及設備提供商急于確定問題所在，進行研究，開始產(chǎn)品開發(fā)。希望這些能夠在分階段實施過程中逐漸融合，首先從LTE-A中即將出現(xiàn)的功能實現(xiàn)開始，例如載波聚合。此后，業(yè)界會繼續(xù)實現(xiàn)更多的特性。未來還非常不確定，充滿了巨大的風險。但是您可以確信在2020年結束時空中會出現(xiàn)一些新東西——某些可以被稱之為5G的服務。任務完成。
下載文檔
