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來源：貿澤電子 即使您并不熟悉無線技術，想必也一定聽說過5G。在今年早些時候舉辦的世界移動通信大會上，5G順理成章地成為了最重要議題之一，各大電視廣播公司以及不計其數的主流網絡和紙質媒體也紛紛報道了有關5G的話題，盛況宛若當年4G（LTE）行將到來之際。然而，5G至少還需要五年才能普及，為何它現在就能如此博人眼球？ LTE-A地位幾何？ 在5G的耀眼光芒下，增強型長期演進技術（LTE-Advanced，簡稱LTE-A或4G+）雖然依舊在部署，卻已經遠不如業內典型技術那樣叫好叫座。在3G向4G轉變期間，3.5G實現了可接受的數據速率，彌合了兩代技術之間的差距。與之類似，LTE-A也可以視為介于LTE和5G之間的4.5G技術，它可以提高理論數據速率和頻譜效率、處理更多并發用戶流量、在蜂窩站點覆蓋區域的邊緣實現更高的性能，并在其他各種方面鋪平通往5G的道路。它還引入了載波聚合、多輸入多輸出（MIMO）和中繼節點技術，其中載波聚合（圖1）是指將多個載波（信道）組合到一起實現更大的帶寬，這些載波可位于相鄰乃至完全不同的頻率上。 至于MIMO，如果您有一臺帶多根天線的IEEE 802.n或IEEE 802.11ac無線路由器，很可能就已經對它略知一二。這類產品通過多根天線來發送和接收兩個或更多個數據流，從而提高數據速率，這就是稱為“空間復用”的技術。載波聚合和MIMO在LTE階段就已經起步，但在LTE-A中得到了增強，因而后者能夠更充分地利用所謂的“小蜂窩”，這是一種遍布網絡覆蓋范圍內各個角落的小型基站。2015年8月，SK Telecom在韓國啟用了第一個LTE-A網絡，同時該技術也在美國得到了部署。蘋果最新一代的iPhone手機、大多數三星智能手機，以及多款來自于LG、微軟/諾基亞、摩托羅拉（已被聯想收購）、華為和黑莓的智能手機產品都搭載了LTE-A。日后，我們要逐漸習慣5G被稱為“IMT-2020”，因為這是國際電信聯盟（ITU）確定的正式名稱，該國際組織是聯合國負責監督和協調全球通信的機構。不過，大多數人依然稱之為5G。 
圖1：5x20 MHz載波聚合（來源：3GPP Release 10） 前途無量，更需淡定 如今，全球5G營銷開展得如火如荼，在技術進步的加持下，“萬物互聯”似乎指日可待。但話說回來，我們真的能夠實現這樣的承諾嗎？當今媒體炒作之下的整個5G夢，其實是值得懷疑的，畢竟最終成果不可能逃脫物理定律的限制，況且5G試圖達成的大多數目標都必須建立在更大范圍科學研究的基礎上，這本身就關系到某些目標的成敗。 當然，5G絕不僅僅是上傳和下載速度的“又一次”提升——按照英特爾的說法，5G是“一個端到端的生態系統，能夠讓完全移動和互聯的社會成為現實”。它依賴于許可頻譜和免許可頻譜、模塊化設計、基于云的軟件定義網絡和動態分配的資源，這將促使人們在很大程度上改變無線網絡的構建編排方式和運行頻率，顯著降低延遲（用戶與其通信對象之間的往返時間），并且讓更多類型的設備可以連接到這些網絡。 除此以外，最低理論數據速率提高到10 Gb/秒（圖2）、每單位面積帶寬提高1000倍、同時連接設備數量增加10到100倍、網絡年耗電量降低90%以及讓微型物聯網設備可以連續10年正常運作而無需充電或更換電池，這些也都是5G需要實現的目標。雖然理論數據速率可達10 Gb/秒，但實際應用中會顯著低于這一水平，可就算“只能”實現500 Mb/秒的數據速率，也已經達到了至少十倍于當今絕大多數用戶體驗需求的水平，也比常規的家庭寬帶更快。
圖2：從3.5G到5G的理論數據速率（來源：GSMA Intelligence） 5G如此誘人的前景，預示著它能夠在娛樂內容、寬帶交付以及諸如完全基于云的企業計算環境等各類應用上與電纜和光纖網絡開展競爭。在5G生態內部，這樣的前景意味著需要為數十億的機器對機器（即物聯網）設備提供電力和通信，分析師認為這些設備將在2020年投入運行，這恰巧與5G可能開始部署的時間吻合。 實際上，5G的大部分所謂獨特之處都可以通過現有技術實現，排除掉它們之后，余下的兩種才是真正的5G獨有特性，分別是超低延遲和超過1 Gb/秒的數據速率，而低延遲無疑是其中最困難的技術挑戰：如果無法將延遲降低到1毫秒之內，便意味著某些功能無法實現，這些功能最終將會從標準中排除。 接下來，我們將對5G獨有的兩種特性，分別是超低延遲和超過1 Gb/秒的數據速率來進行詳細講解。 以瞬時響應為本 對于大多數人而言，延遲并不那么重要，因為它不會影響到我們在網絡上的日常活動，諸如瀏覽網頁、觀看視頻、收發電子郵件和“偶爾”打打游戲等。但對于“電競”級別的游戲玩家而言，延遲就是一個重要問題。圖3是一份來自GSMA的圖表，清晰標示了各種應用與數據速率和延遲的關系。LTE的最低延遲只能達到約10毫秒的水平，（理論上）只能涵蓋圖中白色區域內的應用。許多新興應用如自動駕駛汽車、虛擬現實和增強現實以及觸覺互聯網（Tactile Internet）都不在這個范圍內。
圖3：至少從理論上而言，圖中所有位于白色區域內的應用都可以通過現有無線網絡來承載。要在5G中實現灰色區域內的應用，除了要有足夠快的網絡之外，最重要的決定性因素就是要實現不大于1毫秒的端到端延遲。（來源：GSMA） 如果您從沒聽說過“觸覺互聯網”這個概念，那也不能怪你，因為就目前可實現的1毫秒內超低延遲水平而言，這項技術對延遲的要求極為苛刻，從實用角度來看依然是無法實現的。如果要在工業、機器人與現場遙現（telepresence）、虛擬現實、增強現實、醫療保健、交通安全和電競等領域中實現精確的人機交互和機器對機器交互，就需要采用觸覺互聯網技術。 將往返延遲降低到1毫秒以內是5G最重要的基本原則之一，對于某些應用領域而言是決定性的問題，因為從它們的需求來看，近乎瞬時的響應絕非錦上添花，而是不可或缺。例如，任何將安全視為頭等大事的應用都需要這樣的能力，最顯著的例子莫過于汽車自動駕駛，但在醫療、機器人、虛擬現實和增強現實以及某些機器對機器交互的領域中也存在具有這種需求的應用。 各種應用對延遲的要求取決于人們的反應能力，也就是說，這些應用的延遲必須達到或超過人類的反應速度。當一個人對無法預料的突發事件作出反應時，從感覺到這個事件直至作出反應，其時間差大約是1秒。要在瀏覽網頁時做到即時響應的體驗，單擊鏈接后的加載時間就要是幾百毫秒的水平。如果我們對一件事已預先有準備，反應時間更會快至約100毫秒�，F代語音通信系統在設計上旨在確保能夠在用戶反應時間內傳輸語音數據，如果無法達到這一要求，那會是一件十分惱人的事情。人類的視覺反應時間大約是10毫秒，根據這個時間設置畫面刷新率可以獲得良好的視頻體驗，而現代電視機的圖像刷新率至少能達到100 Hz，正相當于最大延遲10毫秒的水平。 然而，在我們期待獲得快速響應的情況下，比如在電競過程中控制一個視覺場景，我們預期發出的命令能夠迅速得到響應，甚至戴著虛擬現實時，我們都想顯示器的反應時間低過1毫秒以獲得最好的體驗。雖然信號處理和網絡設計在2020年之前做出多大的進步，低于1毫秒的延遲都是極難實現的。簡而言之，信號在各種介質中的傳輸速度是由物理定律決定的，但網絡中還存在各種各樣的瓶頸問題。從實踐角度而言，這恐怕意味著近似1毫秒的延遲基準只有在輸出和顯示裝置之間距離“非常短”的情況下才可能實現。 根據相關研究，這個“非常短”的距離不到一英里，就現在的無線基礎設施而言很難實現，這需要設立數量巨大的小型基站�；蛟S規定各家運營商共同使用同一套網絡基礎設施，讓所有用戶都可以通過相同的無線電系統來訪問需提供的內容源可以實現這點，但這種做法顯然要解決互相競爭的運營商之間的利益問題。 如果無法實現1毫秒以內的延遲，那么諸如汽車自動駕駛、虛擬現實和其他所有需要瞬時響應的應用都從何談起呢？目前而言，這就是一個無解的問題，除非可以在非常短的傳輸距離上實現出色的傳輸效果。請記住，無線傳輸的速率可以比光纖快。所以在要求“瞬時”響應的證券行業中，廣泛部署點對點微波鏈路并以此來傳輸數據是實際理由的。 上下求索為帶寬 無線運營商迫切需要成長的空間，而5G帶來的重大進步無疑為他們打開了一扇門，畢竟從700 MHz到大約2.6 GHz之間的頻譜資源極為有限，各類網絡已經瓜分殆盡。但是，令人頭疼的問題總出現在細節中，雖然5G開放的高頻資源鮮有他人占據，也因此帶來了更強的擴展能力，但受限于這些頻率自身的特性，它們并不太適用于諸如蜂窩系統之類的廣域網絡，主要原因在于這些頻率的信號傳播特性與較低頻率存在顯著區別。實際應用中，在較高頻率上運行的網絡需要投入更高的成本，因為信號傳輸距離短，需要安裝更多基礎設施，而這些設備的構建費用是非常昂貴的。有鑒于此，5G系統很可能會率先在6 GHz左右的頻率上部署，并在該頻率兩側的頻譜飽和后逐漸向更高頻率進軍，最終進入到毫米波范圍內。然而在這樣的頻率中實現合理距離的可靠通信將會是一項巨大挑戰，至少一定會用上新的收發器、天線和其他各種昂貴的硬件設備，并部署諸如大規模MIMO（多輸入多輸出Multi-input Multi-output ）和波束成形等技術，以期實現高質量服務，并確保在任何操作場景下都具備99.999%的可靠性。 針對在毫米波頻率范圍內進行通信所面臨的挑戰，三星的工程師開展了一系列的研究，并在該公司提交給美國聯邦通信委員會的一份報告中發布了相關成果，證實了采用這些頻率進行通信的可行性。然而這些成果是在視距傳輸路徑下測得的，況且即便在如此理想的條件下，建筑內部的障礙和穿透依然會帶來難以解決的問題。不過，這些測試的目的在于建立起概念驗證，并證明這些頻率用于通信的可行性。當真的需要用到它們時，也許很多困難都已經克服了。 網絡架構開新篇 設計開放式網絡架構是5G的一項關鍵要求，因為現用這些架構不是使用5 G專有硬件來構建的。此類硬件無法在需要擴展時進行調置，而且有維護困難和價格昂貴兩大缺點。新的網絡架構將通過網絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN）等技術進行部署。NFV可以有效地將功能轉移到云中，這些功能以前由本地硬件執行，而SDN通過將控制平面與數據平面分離來使網絡實現高度可編程。SDN可以動態優化服務交付方式，這是現時網絡架構無法充分實現的。 如同在許多其他行業中一樣，廣泛使用開源方法是成功的關鍵，它讓所有開發人員和供應商都能夠以統一的方式實施自己的方案，并且成本更低。僅從這一點而言，這種做法就已經顯著不同于當今的實踐。我們希望5G能在未來十年內盡快投用，為此顯然還有大量工作需要完成。但是，從長遠來看，這種做法會帶來巨大的正面影響，它將會終結無線行業所謂的“煙囪系統”（系統內的信息孤島）做法。 不積跬步，無以至千里 對于5G事業而言，本文提到的這些挑戰僅僅只是冰山一角。在5G得以實現之前，所有必須完成的研究和開發工作都絕非易事，但這些工作成果意義非凡，它們將為未來的進步鋪平道路，而這些進步將催生出更多我們未曾想象過的應用領域。 |
