5G：能聽到我的呼喚嗎？ 　

作者/ Ron Wilson 英特爾可編程解決方案事業(yè)部(PSG)系統(tǒng)設(shè)計雜志主編

摘要：5G作為未來通訊的又一個跨越式進步，關(guān)于5G的研究和討論一直不斷，其優(yōu)勢自是很多，雖然第一個5G芯片已經(jīng)發(fā)布，而其要真正進入應(yīng)用仍需要很長時間。本文就5G在應(yīng)用中遇到的問題和挑戰(zhàn)進行了深入地研究。

引言

　　第一個5G芯片已經(jīng)發(fā)布，5G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場試驗正在進行中。也許，下一代“一切無線化”技術(shù)已經(jīng)準備就緒。

　　然而，好事多磨，現(xiàn)在標準團隊仍在忙于解決一些重要的技術(shù)問題。網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工作中仍有一些重要問題尚未確定，例如，采用小蜂窩還是大蜂窩，智能基站還是簡化基站，集中式計算還是分布式計算等。第一個“真正”的5G網(wǎng)絡(luò)可能到2021年才會上線。

　　關(guān)于5G的真正含義，有幾個合理但完全不同的理解(圖1)。對于大多數(shù)蜂窩服務(wù)用戶來說，5G一詞的含義是顯而易見的：就像3G或4G一樣，5G將是服務(wù)的進一步改進。手機將提供更加一致的服務(wù)和更引人入勝的媒體體驗(如4K UHD視頻)，以及難以察覺的延遲。但是，如果你問網(wǎng)絡(luò)運營商、汽車工程師或電力工程師什么是5G，你可能會得到非常不同的答案。

其他5G

　　更高質(zhì)量的移動寬帶是一個易于理解的簡單概念。但對于一些依靠5G技術(shù)的其他應(yīng)用而言，情況卻并非如此。對于非技術(shù)用戶來說，這些應(yīng)用中的許多應(yīng)用似乎與智能手機沒有任何關(guān)系。

　　其中一款應(yīng)用就是固定寬帶，即在基站和一組不移動的遠程終端之間建立的寬帶無線鏈路。這可能看起來非常沒有意義，因為電纜連接和電信公司數(shù)字用戶線路已經(jīng)起到了這個作用。

　　固定無線網(wǎng)絡(luò)之所以至關(guān)重要，有兩個原因。第一個原因是在發(fā)展中國家的城市或人口稀少的農(nóng)村地區(qū)有大量的潛在用戶，這些地區(qū)仍不具備能夠支持寬帶的有線連接。當線纜或光纖行不通時，固定無線網(wǎng)絡(luò)就有用武之地了。第二個原因在于，固定無線網(wǎng)絡(luò)讓無線網(wǎng)絡(luò)運營商能夠與有線電視公司和電信公司直接競爭現(xiàn)有客戶的接入業(yè)務(wù)。所以，首批固定無線5G試驗之一將由美國蜂窩網(wǎng)絡(luò)巨頭Verizon Wireless進行。

　　如果這是5G，為何不讓客戶使用其智能手機作為本地無線網(wǎng)絡(luò)中心呢?原因在于基站或中央數(shù)據(jù)中心知道每個客戶在哪里，并且知道他們將保持在原地，移動服務(wù)的復雜性會大大降低。你不需要波束跟蹤或動態(tài)蜂窩切換，或持續(xù)協(xié)商發(fā)射功率。這并不是說信道是靜態(tài)的，變化的天氣、路過的卡車，甚至搖動的樹木都可以改變信道特征。但它更加簡單。與將5G所需的所有計算能力置入手機相比，采用交流電源的盒子是一個更簡單的電源管理挑戰(zhàn)。英特爾?5G業(yè)務(wù)與技術(shù)總經(jīng)理Robert Topol表示：“在早期部署方面，固定無線網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)勢?！?/p>

　　但簡單并不意味著不重要。即使經(jīng)過簡化，固定寬帶也將是一個對定義5G的新技術(shù)進行現(xiàn)場測試的出色平臺。這些技術(shù)包括新載波頻率、載波聚合、新無線電收發(fā)機、新信道編碼、間隔和前向糾錯、大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)天線和低延遲幀(圖2)。

　　盡管潛在解決方案都已經(jīng)準備好進行試驗，每項挑戰(zhàn)仍不可忽視。以頻帶為例，5G可以使用低于6GHz的頻帶和28GHz的頻帶，這些載波頻率遠高于除少數(shù)4G LTE頻率之外的所有頻率，并且具有支持更多信道的潛力。但隨著頻率的增加，傳播質(zhì)量將下降。頻率為28 GHz時，由于光束不能穿透固體，連接幾乎僅限于視線范圍。并且自由空氣衰減會極大地限制視線范圍。因此，收發(fā)器必須依靠波束成形來選擇天線到天線的特定路徑，并且蜂窩之間的距離必須更近。

　　不同于將每個頻帶內(nèi)的寬信道專用于處理客戶端的最大數(shù)據(jù)速率，5G使用的是載波聚合。它可以將數(shù)據(jù)包分散在幾個不同的信道中，可能是具有不同傳播特性和天線的不同頻帶中，以便獲得所需的所有帶寬。下載速度為10 Gbps的5G網(wǎng)絡(luò)中心實際上更像一個以不同頻率并行運行的多天線無線電設(shè)備集群。

　　MIMO天線及其RF前端將是5G開發(fā)計劃的重要組成部分。很多用于試驗的設(shè)計在客戶端使用4×2單元天線陣列。對于基站而言，天線可能是64或128單元陣列。這一規(guī)模的MIMO數(shù)學運算很好理解，和信號處理實現(xiàn)一樣——只要有充足的計算功率。當然，算法總是有可能出現(xiàn)突破性改進。

　　同樣，5G信道編碼和誤差校正也是很好理解的算法。標準提案正在擬定中。Topol表示，5G空中接口15版預(yù)計已足夠穩(wěn)定啟動芯片開發(fā)，預(yù)計將于2018年末開始應(yīng)用。

中心還是邊緣

　　對比空中接口、收發(fā)器和基帶技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的計算架構(gòu)這一主要問題仍處于爭論當中。有些人主張幾乎完全的集中化，對來自基站收發(fā)器的波形進行數(shù)字化處理并發(fā)送回城市數(shù)據(jù)中心，以進行基帶處理和交換。這種集中式無線接入網(wǎng)絡(luò)(CRAN)架構(gòu)可實現(xiàn)基帶處理和回程的虛擬化，它用服務(wù)提供商數(shù)據(jù)中心中的軟件替換基站中的專門硬件。

　　反之，有些人主張將盡可能多的處理推向網(wǎng)絡(luò)邊緣，不僅包括基帶，還包括分組處理以及一些交換和管理任務(wù)。這些主張通?？紤]到小型蜂窩在 5G 網(wǎng)絡(luò)中的預(yù)期擴散以及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和機器到機器連接的延遲受限需求。討論的結(jié)果可能是兩種方案的折中。英特爾可編程解決方案事業(yè)部接入與無線技術(shù)總監(jiān) Mike Fitton 表示：“毫無疑問，對演進分組核心(EPC)進行虛擬化是有意義的。畢竟，每個數(shù)據(jù)包必須遍歷EPC并獲得其注意。除了一些推測服務(wù)以外，如基于機器學習的深度包檢測，軟件的現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心中可以實現(xiàn)足夠的數(shù)據(jù)包速度。

　　“但并非每個5G任務(wù)都能這么遷就?！盕itton 提醒道：“很難在軟件中進行所有的第1層處理，特別是開始要求更短延遲時，你可能需要在服務(wù)器上進行硬件加速，一些低延遲連接可能需要網(wǎng)絡(luò)邊緣處的處理或高速緩存?！?/p>

移動性

　　標準擬定和觀點爭論都可從固定寬帶無線服務(wù)的早期部署中獲益。在這一工作中積累的知識將可以幫助加速實現(xiàn)5G最可見的目標——移動寬帶服務(wù)。

　　挑戰(zhàn)有很多。移動性既意味著小巧的外形，也意味著積極的電源管理，如果移動設(shè)備是豪華轎車，則限制不那么嚴重，汽車廠商只需接受耗電數(shù)十瓦特的電子模塊;但如果是筆記本電腦或平板電腦，管理調(diào)制解調(diào)器電源就需要系統(tǒng)芯片設(shè)計人員手中的工具了;如果設(shè)備是手機，如今的技術(shù)發(fā)展水平暫時還達不到。

　　手機還有一個問題，即5G MIMO天線將努力保持成型的波束指向其正在使用的基站的天線。如果天線之間的路徑碰巧穿過用戶的耳朵呢?這些頻率對于人類大腦的穿透性很差，而且大多數(shù)用戶也不希望它們穿透。因此，移動設(shè)備在其 MIMO 算法上有一個相當動態(tài)的限制：不穿透用戶。

　　這是一個更大的問題。移動設(shè)備是移動的。汽車在城市高速公路上達到 100 公里/小時，穿行在高層建筑物和公路標志之間。行人匆匆離開舒適的咖啡店，沿著人行道進入地鐵入口。在 5G 的較高頻率上，基站將不得不連續(xù)地對每個移動客戶端進行波束跟蹤，并且當另一個蜂窩具有更好的視線或更多的可用容量時，進行快速切換。這種動態(tài)處理必須與多個運營商同時進行。

　　小型蜂窩的激增加劇了這一挑戰(zhàn)。29GHz糟糕的傳播特征和密集市區(qū)對MIMO天線嚴格方向性的需求使得小型蜂窩成為城市和校園環(huán)境的必備。加上載波聚合，一個走在城市人行道上觀看電影的女孩將被一組小型蜂窩MIMO天線指中，所有這些天線相互配合，以確保女孩的手機能夠接收到足夠的波束，防止轉(zhuǎn)頭或走到轉(zhuǎn)角處時，電影畫面出現(xiàn)卡格。建筑物內(nèi)部也會有類似的問題，可能需要室內(nèi)小型蜂窩像如今的無線網(wǎng)絡(luò)中心一樣密集。路上的情況會有所不同。更長的視線和距離使得傳統(tǒng)宏蜂窩成為一種更好的解決方案。Fitton 推測：“我們將在建筑中看到混合使用宏蜂窩、小蜂窩和本地集群?！?/p>

物聯(lián)網(wǎng)

　　到目前為止，我們已經(jīng)描述了一種極為異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。我們有微小的房間共享蜂窩、小型蜂窩和宏蜂窩，我們有常規(guī)基站、CRAN和增強的邊緣處理，這一切不僅能夠共存，還可以無縫互操作，但物聯(lián)網(wǎng)大幅增加了事物的復雜性。

　　幾乎從一開始，一些物聯(lián)網(wǎng)擁護者就聲稱，5G將提供互聯(lián)網(wǎng)和事物之間缺少的連接。不過，不同人的看法不同。有些人只是看到了互聯(lián)網(wǎng)接入點和物聯(lián)網(wǎng)中心之間的5G寬帶鏈接，有些人認為5G直接連接到事物，還有些人提倡通過5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機器對機器鏈接。

　　所有這些想法帶來了新的要求。任何涉及通過渠道進行交互的物聯(lián)網(wǎng)連接都需要低延遲。5G 的幀比LTE短，因此，傳輸時間間隔(tti)更短。這意味著對一些連接的往返延遲有保證。

　　但后一點與我們討論的趨勢相矛盾，如虛擬化、集中化和保持移動設(shè)備連接所需的敏捷性。針對這一矛盾，我們的答案是網(wǎng)絡(luò)切片，即在一個物理介質(zhì)上提供幾個完全不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)專家認為，切片需要軟件定義網(wǎng)絡(luò)和許多功能的虛擬化。

　　因此，現(xiàn)在我們可能在同一個空中接口和設(shè)備上運行寬帶網(wǎng)絡(luò)、限制數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)和有限延遲虛擬網(wǎng)絡(luò)，但未來會更好。許多物聯(lián)網(wǎng)端點(如遠程傳感器)具有非常低的連接占空比和極其嚴格的功率或能量預(yù)算。它們設(shè)置連接、傳輸數(shù)據(jù)塊和斷開連接的成本是非常高的。因此，我們可能會看到專有的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，如分層到5G網(wǎng)絡(luò)的 Sigfox——作為一個帶網(wǎng)關(guān)的單獨網(wǎng)絡(luò)或一個實際切片。

路線圖

　　這一切什么時候可以實現(xiàn)呢?Fitton 表示：“現(xiàn)在幾乎所有人都有試驗臺。”英特爾和高通宣布今年推出調(diào)制解調(diào)器芯片組，Verizon也在今年初開始進行28 GHz頻段的固定無線現(xiàn)場試驗。AT&T、愛立信和英特爾正在進行一項現(xiàn)場試驗，使用15GHz和28 GHz頻段為英特爾辦公樓提供一系列寬帶服務(wù)。如果這些試驗進行順利，在明年推出Release 15規(guī)范之后的某個時候，或至少到2020年可能會有大規(guī)模的固定無線部署。

　　全面的移動服務(wù)已經(jīng)越走越遠，還有更多的難題等待解答。Fitton 表示：“我們可能在 2021 年看到移動服務(wù)。與此同時，許多5G技術(shù)(載波聚合、大規(guī)模 MIMO 和可能的5GHz ISM頻段利用，如今 WiFi就使用該頻段)將被利用到4G LTE網(wǎng)絡(luò)上。這將幫助用戶在真正的5G移動服務(wù)問世之前體驗5G的性能。它還可為未來的5G設(shè)備提供備用網(wǎng)絡(luò)，就像當前的LTE設(shè)備在需要時可以退回到3G網(wǎng)絡(luò)一樣。

　　所以，我們?nèi)〉昧撕艽筮M步，在2020年部署5G設(shè)備的既定目標仍有可能實現(xiàn)，但距離你真正使用5G網(wǎng)絡(luò)還要再等一段時間。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第15頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。