由此到5G：充滿挑戰(zhàn)之路

2020年部署5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)! 從研究實(shí)驗(yàn)室到服務(wù)提供商，這句話代表了他們共同的目標(biāo)，幾乎就是一首贊歌。作為一個(gè)目標(biāo)，這句話解釋了研發(fā)活動(dòng)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(wèn)題才能部署實(shí)施它?

表面上，定義看起來(lái)很簡(jiǎn)單：5G是4G之后的下一代蜂窩小區(qū)技術(shù)。但是在背后，您會(huì)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(lái)促銷自己的產(chǎn)品，以便讓網(wǎng)絡(luò)支持他們的服務(wù)，或者僅僅是不讓自己的產(chǎn)品過(guò)時(shí)。在他們的鼓噪中，您會(huì)聽(tīng)到有各種各樣的訴求。

移動(dòng)用戶如果曾想象過(guò)5G，會(huì)認(rèn)為它能夠完美無(wú)缺的提供HD電影、游戲以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，而且這些都會(huì)隨著他們?cè)诓煌沫h(huán)境和設(shè)備上一起移動(dòng)。這類服務(wù)意味著：

• 一個(gè)端點(diǎn)需要10 Gbps以上的帶寬

• 與4G相比，一個(gè)區(qū)域的帶寬要高出數(shù)千倍

• 一個(gè)區(qū)域的設(shè)備數(shù)量增加10到100倍

• 可用性高達(dá)5個(gè)9，而且是無(wú)縫地理覆蓋

這是從移動(dòng)用戶的角度看。而網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師則會(huì)關(guān)注并寫下以下要求：

• 單位比特的網(wǎng)絡(luò)能耗降低90%

• 任何頻譜和接入網(wǎng)都能夠?qū)崿F(xiàn)帶寬聚合

• 不同的射頻接入網(wǎng)之間切換時(shí)間小于10 ms

• 動(dòng)態(tài)頻譜分配，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，自回傳功能

他們會(huì)關(guān)注所有這些討論，而一名物聯(lián)網(wǎng)(IoT)開(kāi)發(fā)人員還會(huì)加上一些他自己的需求：

• 往返延時(shí)小于1ms

• 網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)簡(jiǎn)單設(shè)備的電池使用壽命在10年以上

• 工業(yè)級(jí)功能安全和保密

如果要把這些過(guò)高的要求進(jìn)行分類，可能最好的方法實(shí)際上是把5G工程師們至少分成三類。第一，把5G看成是擴(kuò)展的工程師：4G服務(wù)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(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，而是把所有無(wú)線連接都統(tǒng)一起來(lái)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(kāi)發(fā)人員，他們希望這種統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)能夠滿足IoT系統(tǒng)的需求，包括節(jié)能、低延時(shí)、可靠性和安全。

所有這些工程師們都有他們自己的期望。對(duì)于每一種要求，我們可以從找到5G必須實(shí)現(xiàn)的特殊技術(shù)里程碑開(kāi)始。

讓我看電影

如果5G能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)提供商在4G上所承諾的，很多用戶都會(huì)非常高興：在熱點(diǎn)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(kāi)演之前把孩子們?nèi)M(jìn)車?yán)锶?。某些?yīng)用供應(yīng)商也同樣垂涎于這么大的帶寬，能夠?yàn)樨澙返目蛻魝兲峁┗谖恢玫囊曨l或者增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。服務(wù)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(shí)現(xiàn)如此高的帶寬，特別是在人口稠密的大都市市場(chǎng)上，就應(yīng)該突破傳統(tǒng)的無(wú)線技術(shù)。如果您希望為端點(diǎn)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(shí)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(qiáng)有力的編碼方案，進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)，或者給每一個(gè)通道提供更大的帶寬。至少?gòu)脑砩希€可以讓幀更長(zhǎng)一些，降低開(kāi)銷，從而提高流數(shù)據(jù)的效率。這些選擇都會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。

Altera®無(wú)線應(yīng)用專家Richard Maiden建議說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)大的波形和編碼方案，但是可能無(wú)法應(yīng)用于現(xiàn)有的頻帶內(nèi)。他提醒說(shuō)，“我們還沒(méi)有弄清楚基帶算法。現(xiàn)在，看起來(lái)直到2.5 GHz波段，波形都沒(méi)有變化。在2.5和10 GHz之間，波形會(huì)有些變化以提高頻譜效率。對(duì)于更寬的信道，由于采用了預(yù)分配頻譜，因此，這在2.5 GHz以下不太可能實(shí)現(xiàn)。在2.5和6 GHz之間，沒(méi)有嚴(yán)格的牌照，因此可以部署100-200 MHz量級(jí)的通道。在這一點(diǎn)，28和60GHz之間的新帶寬仍然是一張白紙，可以在這里實(shí)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(lái)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?；鶐?shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(yù)失真的情況。基帶單元要求采用更寬的快速傅里葉變換，而且延時(shí)更低。

（圖 1.6 GHz以上會(huì)有很多可用帶寬，但是每一個(gè)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(huì)變差。”在60 GHz，RF甚至不能很好的穿透潮濕的空氣，更不用說(shuō)穿過(guò)墻壁了。Maiden總結(jié)到，“高頻的寬信道將是短信道。為充分應(yīng)用60 GHz，您需要大量的短信道。”

更多的信道

進(jìn)一步提高端點(diǎn)帶寬的一種其他可選方法是聚合多個(gè)通道，幾個(gè)通道并行為用戶提供數(shù)據(jù)包。實(shí)際上，LTE-A已經(jīng)支持載波聚合了。而5G會(huì)進(jìn)一步延伸這一概念，支持聚合來(lái)自不同帶寬甚至不同類型設(shè)備的載波——例如，一個(gè)小區(qū)的幾個(gè)通道與來(lái)自一個(gè)小區(qū)塔的一個(gè)通道以及一個(gè)WiFi連接相組合。所有這些概念都可以應(yīng)用于目前的LTE-A，但是并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

帶寬聚合帶來(lái)了兩類挑戰(zhàn)。首先也是最明顯的，網(wǎng)絡(luò)和端點(diǎn)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(yīng)用處理器，目前的手持式體系結(jié)構(gòu)還不能夠處理10 Gbps。相應(yīng)的，手持式設(shè)備提供商需要開(kāi)發(fā)下一代設(shè)備才能滿足網(wǎng)絡(luò)需求。

對(duì)于基站，情形更具有挑戰(zhàn)性。要通過(guò)大量的數(shù)據(jù)，分流到多個(gè)信道上，必須能夠被手持設(shè)備接收到，同時(shí)還要保持?jǐn)?shù)據(jù)包正確的順序。還有大量的網(wǎng)絡(luò)管理問(wèn)題。手持式設(shè)備的數(shù)據(jù)流可能會(huì)被分流到一個(gè)或者多個(gè)宏小區(qū)塔和多個(gè)小區(qū)之間。小區(qū)會(huì)工作在毫米波段，連接至移動(dòng)手持設(shè)備——更不用說(shuō)車輛了，這可能非常不穩(wěn)定，為應(yīng)對(duì)快速漂移的通道特性，需要進(jìn)行連接頻率重構(gòu)。

MIMO

由于情形越來(lái)越復(fù)雜，多個(gè)小區(qū)基站通過(guò)多個(gè)頻段向一個(gè)設(shè)備輸出信號(hào)，因此，高階多輸入/多輸出(MIMO)天線越來(lái)越受關(guān)注了?；究梢允褂么笠?guī)模MIMO天線陣列，在每一個(gè)端點(diǎn)形成窄波束。端點(diǎn)設(shè)備可以使用更適中的陣列對(duì)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(shí)現(xiàn)矩陣算法，用于計(jì)算天線單元之間的相差。

（圖 2.大規(guī)模MIMO小區(qū)基站能夠?qū)⒄ㄊ劢褂谀骋豢蛻舳耍殖质皆O(shè)備上更簡(jiǎn)單的MIMO陣列實(shí)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(wèn)題，而且還有另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——能夠?yàn)槟骋豢臻g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(lái)了另一問(wèn)題。Maiden觀察到，“看起來(lái)很容易在一個(gè)地方塞進(jìn)去很多小區(qū)。但并不總是會(huì)有所改進(jìn)。大部分網(wǎng)絡(luò)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(luò)之間不干擾成為關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)管理問(wèn)題。通道分配和聚束是關(guān)鍵工具。

Maiden提醒說(shuō)：“但是聚束需要跟蹤。”網(wǎng)絡(luò)不得不跟蹤用戶的物理位置以及小區(qū)的坐標(biāo)。否則，會(huì)有太多的切換事件，新基站在聚焦并瞄準(zhǔn)一條波速之前就有可能丟失其新客戶。

明確的是，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)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(yīng)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(guò)專用光纜來(lái)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(shè)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(lái)回傳送數(shù)字化基帶波形）

而另一種極端的想法是把對(duì)等網(wǎng)絡(luò)看成是靠近天線放置的智能基帶直接彼此相互通信來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)，只使用中心設(shè)備進(jìn)行后臺(tái)服務(wù)處理，例如計(jì)費(fèi)。這種概念可以一直擴(kuò)展，支持端點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接連接，實(shí)際上把每個(gè)人的手持式設(shè)備轉(zhuǎn)換成一個(gè)微小區(qū)基站。當(dāng)然，在這兩個(gè)極端的想法之間還有很多其他選擇。

確定選擇某種拓?fù)涞囊粋€(gè)因素是前傳網(wǎng)絡(luò)——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(lái)實(shí)現(xiàn)，使用了IEEE 1904等標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)射頻波形進(jìn)行數(shù)字化處理。但是，數(shù)據(jù)速率會(huì)非常大。

Maiden說(shuō)：“目前20 MHz基帶的一個(gè)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(gè)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(dāng)今城域網(wǎng)的發(fā)展，純粹的C-RAN可能是不切實(shí)際的。

更小的小區(qū)會(huì)面臨很簡(jiǎn)單的問(wèn)題。隨著基帶硬件的集成，以及相對(duì)較低的吞吐量，可以通過(guò)任何介質(zhì)來(lái)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(duì)等網(wǎng)絡(luò)中，這一問(wèn)題并沒(méi)有實(shí)際意義，因?yàn)槊恳粋€(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際上通過(guò)其臨近節(jié)點(diǎn)連回到網(wǎng)絡(luò)中。

這類網(wǎng)絡(luò)技術(shù)看起來(lái)似乎可行。在端點(diǎn)并沒(méi)有什么新東西。對(duì)于軍事雷達(dá)設(shè)計(jì)人員而言，即使是宏小區(qū)塔的大規(guī)模MIMO也習(xí)以為常。最大的未知在于怎樣在嚴(yán)格的功率預(yù)算范圍內(nèi)完成所有的基帶計(jì)算——要求基站網(wǎng)絡(luò)能耗降低90%。僅僅提高半導(dǎo)體工藝還不夠，即使是最仔細(xì)的ASIC設(shè)計(jì)。

網(wǎng)絡(luò)管理

另一個(gè)最大的未知是網(wǎng)絡(luò)管理。由于網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接等等交織在一起，管理成為非常有趣的問(wèn)題。目標(biāo)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(jué)不到延時(shí)?，F(xiàn)實(shí)是，網(wǎng)絡(luò)基本上完全不同于目前的4G拓?fù)洹Ｔ?G，幾乎是隨機(jī)而不是按照地理模式來(lái)安排節(jié)點(diǎn)。不同的節(jié)點(diǎn)會(huì)支持不同的頻帶組合，會(huì)有不同級(jí)別的聚束能力。一個(gè)通道內(nèi)的傳播特性會(huì)受到季節(jié)、天氣、一天中的時(shí)間以及打開(kāi)一扇門或者在天線前面走動(dòng)等不可預(yù)測(cè)事件的影響。當(dāng)然，很多用戶都是在不斷移動(dòng);而最關(guān)鍵的是，例如汽車，移動(dòng)的非?？臁３晒Φ倪B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(jìn)入IoT

目前為止，我們假設(shè)了5G用戶與4G用戶非常相似——他們?cè)谧约旱脑O(shè)備上運(yùn)行應(yīng)用程序，觀看從可愛(ài)的貓咪剪輯到故事片等流視頻，交換照片和文本，還可能會(huì)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(kāi)發(fā)人員，他們對(duì)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(dòng)器之間，其實(shí)際需求將是無(wú)線。因此，使用已有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)機(jī)非常明顯。但是為滿足他們的需求，IoT開(kāi)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(kāi)發(fā)人員更關(guān)心延時(shí)。如果您設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，簡(jiǎn)單的傳感器和致動(dòng)器相結(jié)合來(lái)控制云端的算法，網(wǎng)絡(luò)往返延時(shí)會(huì)非常重要——這是系統(tǒng)性能的一個(gè)參數(shù)。有人認(rèn)為上限是1ms。還有延時(shí)也是某些重要的非IoT應(yīng)用的關(guān)鍵所在，包括，互聯(lián)車輛和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示等。

其次，IoT開(kāi)發(fā)人員通常對(duì)能耗有很高的要求——不是網(wǎng)絡(luò)，而是端點(diǎn)的。他們希望有低速、占空比極低的模式，支持設(shè)備使用5G網(wǎng)絡(luò)，但是仍然有10年的電池使用壽命，或者通過(guò)能源收集來(lái)維持設(shè)備工作。

第三，在幾次災(zāi)難后，IoT會(huì)要求一定的連接可靠性和數(shù)據(jù)安全性，這對(duì)于目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言完全是陌生的?，F(xiàn)在不會(huì)有人在意政府組織是否會(huì)偷竊您的貓咪的視頻。大部分用戶甚至不會(huì)評(píng)估他們的隱私是否值得安裝加密應(yīng)用程序，盡管他們有時(shí)候?qū)ψ约旱脑O(shè)備愛(ài)不釋手。但是很多人會(huì)在意一次IoT攻擊是否會(huì)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(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言是全新的。目前的4G最重視維持連接，以最小延時(shí)實(shí)現(xiàn)了某些令牌帶寬。服務(wù)提供商會(huì)犧牲延時(shí)以提高利用率，即使是用戶打算轉(zhuǎn)換供應(yīng)商。但是對(duì)于IoT用戶，網(wǎng)絡(luò)要管理多種多樣的服務(wù)質(zhì)量要求，要處理在更多、更小的異構(gòu)小區(qū)之間切換的問(wèn)題。

能耗同樣也是問(wèn)題。目前的網(wǎng)絡(luò)基于小區(qū)基站和端點(diǎn)之間的連續(xù)側(cè)邊通道信號(hào)，監(jiān)視狀態(tài)，跟蹤附近的位置，測(cè)量通道參數(shù)。對(duì)于突然出現(xiàn)的端點(diǎn)，要求以很小的開(kāi)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(yīng)的延時(shí)只有1ms，這種協(xié)議無(wú)法滿足這些要求。對(duì)于可靠性和安全，這些需求會(huì)把蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶入到完全不熟悉的領(lǐng)域中。

面臨的挑戰(zhàn)很清晰。電信企業(yè)、運(yùn)營(yíng)公司以及設(shè)備提供商急于確定問(wèn)題所在，進(jìn)行研究，開(kāi)始產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。希望這些能夠在分階段實(shí)施過(guò)程中逐漸融合，首先從LTE-A中即將出現(xiàn)的功能實(shí)現(xiàn)開(kāi)始，例如載波聚合。此后，業(yè)界會(huì)繼續(xù)實(shí)現(xiàn)更多的特性。未來(lái)還非常不確定，充滿了巨大的風(fēng)險(xiǎn)。但是您可以確信在2020年結(jié)束時(shí)空中會(huì)出現(xiàn)一些新東西——某些可以被稱之為5G的服務(wù)。任務(wù)完成。