5G候選技術(shù)的發(fā)展和挑戰(zhàn)

前言

當(dāng)前，供應(yīng)商和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商熱烈討論的一個(gè)熱門話題之一就是下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)5G的發(fā)展情況。本文旨在簡(jiǎn)單介紹5G的這幾個(gè)候選技術(shù)，并分析各項(xiàng)技術(shù)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

本文的主旨并非討論5G技術(shù)需要具備哪些要求，而是辨識(shí)業(yè)界已出現(xiàn)的幾個(gè)候選技術(shù)及相關(guān)的架構(gòu)，以及5G標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)向什么方向發(fā)展。行業(yè)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的需求是已經(jīng)確定的，這些已經(jīng)由5G-PPP（歐洲5G公私合作聯(lián)盟）列出。

設(shè)置場(chǎng)景

5G目前是一個(gè)熱門話題，但對(duì)于5G的未來，行業(yè)面臨的困惑主要涉及技術(shù)、商業(yè)機(jī)會(huì)、在垂直行業(yè)的應(yīng)用以及部署時(shí)間表等各個(gè)方面。再加上大多數(shù)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商還沒有找到通過LTE網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)收的成功方法，所以5G的未來就變得有些迷茫。

如果回顧過去，我們是否能夠確定邁向5G技術(shù)的下一步？

新一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通常意味著全新的架構(gòu)，當(dāng)然傳統(tǒng)上還認(rèn)為架構(gòu)得是無線接入的：模擬到TDMA（GSM），然后到CDMA（UMTS），最后到OFDM（LTE）。顯然，5G也需要一個(gè)全新的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)來解決當(dāng)前的用戶需求，這些需求用之前的技術(shù)是無法解決的。然而，考慮到流量增長(zhǎng)的趨勢(shì)，5G勢(shì)必要在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行徹底的變革，這種變革通過有機(jī)的方式是無法實(shí)現(xiàn)的。軟件驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)、極高密度的流體網(wǎng)絡(luò)、更高頻段以及更廣泛的頻譜范圍，滿足數(shù)十億的終端設(shè)備接入需求，GB量級(jí)的容量等，這些都是無法由目前的LTE和LTE-A網(wǎng)絡(luò)提供的。

候選技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展以及用戶需求，只能推測(cè)未來5G技術(shù)的大概樣貌?，F(xiàn)在成本問題還沒有上升到5G技術(shù)話題的討論范圍內(nèi)，所以5G候選技術(shù)的可討論范圍就大很多。本文同樣如此，先撇開成本考慮，簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)有徹底變革的技術(shù)。

顯然，5G需要一個(gè)全新的空中接口，對(duì)于這一點(diǎn)，中興通訊走得更遠(yuǎn)一點(diǎn)——他們提出5G網(wǎng)絡(luò)將容許多個(gè)空中接口共存于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，從理論角度看，這確實(shí)是理想的（OFDM技術(shù)不適用于Small Cell和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，但其他的接口可以）。但是從運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，這就意味著會(huì)耗費(fèi)大量部署工作和開發(fā)成本。

下文列出了一些5G候選技術(shù)。

極致增密

網(wǎng)絡(luò)增密不是新技術(shù)，在3G網(wǎng)絡(luò)剛一開始遇到擁堵問題時(shí)，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商就意識(shí)到需要在系統(tǒng)或多個(gè)扇區(qū)引入新的蜂窩（Cell），這帶動(dòng)了Small Cell等多種類似產(chǎn)品的興起，這一技術(shù)本質(zhì)上是把接入點(diǎn)移到離用戶更近的地方。簡(jiǎn)單來說，基本上是沒有其他方式來大幅增加整個(gè)系統(tǒng)或整個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的容量。5G網(wǎng)絡(luò)很可能是由多層連接組成，也就是說不同大小、類型小區(qū)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)：對(duì)數(shù)據(jù)連接速率要求低的區(qū)域用宏站層覆蓋，對(duì)傳輸速率要求高的區(qū)域用顆粒層覆蓋，中間再穿插其他的網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)部署和協(xié)調(diào)是需要解決的主要挑戰(zhàn)，因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商需要以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)層。

多網(wǎng)協(xié)同

目前，多張網(wǎng)絡(luò)一起為最終用戶終端提供連接：移動(dòng)蜂窩、Wi-Fi、毫米波、終端對(duì)終端連接等。5G系統(tǒng)應(yīng)該能緊密協(xié)調(diào)這些網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供不中斷的順暢體驗(yàn)。目前，協(xié)同多張網(wǎng)絡(luò)仍然是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。Hotspot 2.0與下一代Hotspot的案例可能是蜂窩與Wi-Fi集成的第一個(gè)參考。5G能否讓終端設(shè)備在幾張網(wǎng)絡(luò)間順利切換，還有待觀察；而最大的挑戰(zhàn)在于從一張網(wǎng)絡(luò)成功切換到另一張網(wǎng)絡(luò)的能力。

全雙工

所有現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都依賴雙工模式來管理上傳和下載——有頻分雙工，比如說LTE FDD，其上行和下行需要兩個(gè)單獨(dú)的信道；也有時(shí)分雙工，比如TD-LTE，無論上行還是下行都采用同一個(gè)信道，只是時(shí)隙不同。要想?yún)f(xié)調(diào)好上下行，雙工模式肯定是必不可少的，但全雙工技術(shù)現(xiàn)在仍在討論中。如果采用這個(gè)技術(shù)方案，終端設(shè)備可同時(shí)發(fā)送和接收信息，這就有可能使現(xiàn)有的FDD和TDD系統(tǒng)容量翻番。

當(dāng)然這項(xiàng)技術(shù)也存在巨大的挑戰(zhàn)：需要從根本消除自干擾，網(wǎng)絡(luò)和終端都需要巨大變化。然而，如果克服這些挑戰(zhàn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量將大幅提高。

毫米波

現(xiàn)在，450 MHz 2.6 GHz的低頻段頻譜幾乎已全部用于移動(dòng)通信了，好在仍然有很多高頻段頻譜可用，這部分頻譜有的高達(dá)300 GHz。自然，相比運(yùn)營(yíng)商熟悉的低頻段頻譜，如何應(yīng)用好這些高頻段頻譜所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也復(fù)雜很多，比如說頻段越高，建筑物穿透就越困難——只是一面簡(jiǎn)單的墻就能成為毫米波信號(hào)的穿透障礙。不過，有一些高頻段的GHz頻譜已有占用：短距離、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、可視范圍連接等，它們用來為無線連接提供更高的速率。

毫米波可以用于室內(nèi)Small Cell（這也符合以上提到的網(wǎng)絡(luò)增密），為一些密集區(qū)域提供高速連接。毫米波的高頻段特性意味著天線會(huì)非常的小，因此對(duì)終端影響的范圍也相當(dāng)小。然而，OVUM認(rèn)為，毫米波是一項(xiàng)超前的技術(shù)，可能需要多年的研發(fā)才能使其具備成本效益來投向大眾市場(chǎng)。

需要注意的是，毫米波技術(shù)的發(fā)展也不是最新的，2009年成立的WiGig聯(lián)盟現(xiàn)在的關(guān)注重點(diǎn)是60 GHz頻段；2014年6月，谷歌收購了由兩位Clearwire前工程師創(chuàng)辦的企業(yè)Alpental，這家初創(chuàng)公司致力于開發(fā)針對(duì)60 GHz頻段的技術(shù)。

大規(guī)模陣列天線

LTE-A網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)采用了MIMO技術(shù)——基站和最終用戶終端使用不止一根天線來提高鏈路效率。大規(guī)模陣列天線MIMO技術(shù)的基本特征是在基站側(cè)配置在每個(gè)連接終端創(chuàng)建本地化光束的大規(guī)模天線陣列。這一技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)容量提升帶來的益處是非常大的，當(dāng)然也存在巨大挑戰(zhàn)。不過市場(chǎng)普遍對(duì)這一技術(shù)很感興趣；比如，一家名為Artemis的初創(chuàng)公司就在開發(fā)基于這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品，稱為pCells。

虛擬化、軟件控制以及云架構(gòu)

向5G演進(jìn)的并行趨勢(shì)還有軟件和云，屆時(shí)網(wǎng)絡(luò)是由分布式數(shù)據(jù)中心驅(qū)動(dòng)的，由后者提供敏捷性、集中控制以及軟件升級(jí)。像SDN、NFV、云以及開放生態(tài)系統(tǒng)等都有可能是5G的基礎(chǔ)，當(dāng)然行業(yè)也在繼續(xù)討論如何利用這些架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。盡管這些也不是新技術(shù)，但仍有可能在5G時(shí)代得到大規(guī)模應(yīng)用，因?yàn)樵跒閿?shù)以億計(jì)的終端提供連接時(shí)，網(wǎng)絡(luò)需要利用這些技術(shù)來提升性能。

接下來會(huì)發(fā)生什么?

與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，以上提到的所有技術(shù)都有很大的潛力應(yīng)用在5G網(wǎng)絡(luò)中。最后選定實(shí)施哪些技術(shù)可能需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的比較過程，哪些技術(shù)能勝出將取決于性能、實(shí)施、成本、政策等多項(xiàng)因素。不過做這樣一個(gè)假設(shè)應(yīng)當(dāng)是合理的：成本最低的技術(shù)最有可能勝出，這和LTE-A的發(fā)展情況是類似的。