5G將連接智慧城市

5G正在成為現(xiàn)實(shí)。從下一代革命性無線技術(shù)的模糊概念，到一些可望不可即的目標(biāo)，再到日趨成熟的用例和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，5G目前已具備可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和可實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。5G 發(fā)展日新月異。在這一過程中，5G展現(xiàn)出與當(dāng)前蜂窩網(wǎng)絡(luò)截然不同的特征。不久的將來，智慧城市中的建筑、移動通訊設(shè)備以及自動駕駛車輛等等，都將依賴5G物聯(lián)網(wǎng)的連接。

5G的用途是什么？

早先，人們經(jīng)常討論5G將帶來的量變：Gbps級帶寬、競爭激烈的城市市場中巨大的面密度、出色的能效等。LTE 仍然有其局限性。而5G愿景被認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)。許多應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)架構(gòu)師認(rèn)為5G是一種極速、高度可用和可靠的網(wǎng)絡(luò)，將幫助他們擺脫困境。

通過5G技術(shù)，不需以任何光纖或銅線開拓固定寬帶接入市場。5G可實(shí)現(xiàn)媲美光纖的速度。不想使用5公斤的頭盔體驗(yàn)移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)？這很容易：通過無縫、始終可用的高帶寬連接，5G 將幫助在云中完成所有繁重的計(jì)算任務(wù)。想要一輛后備箱沒有超級計(jì)算機(jī)的自動駕駛互聯(lián)汽車？只需一個5G調(diào)制解調(diào)器，云端會帶來無與倫比的自動駕駛體驗(yàn)（圖1）。人們將看到物聯(lián)網(wǎng) (IoT)系統(tǒng)的傳感器和制動器直接接入互聯(lián)網(wǎng)。

▲圖1 自動駕駛汽車只是一個依賴 5G 技術(shù)的應(yīng)用

這些目標(biāo)涉及不同領(lǐng)域，在時(shí)間和資源充裕的情況下，并非不可實(shí)現(xiàn)。毋庸置疑，如需取得進(jìn)展，標(biāo)準(zhǔn)制定者需要將期望限定在合理范疇。

三個用例

國際電信聯(lián)盟的國際移動電信 (IMT) 2020 愿景聲明將希望清單縮減至三個代表性用例：增強(qiáng)型移動寬帶、大規(guī)模機(jī)器類通信和超可靠低延遲通信。這三個用例將幫助實(shí)現(xiàn) 5G 領(lǐng)域的諸多期望（圖 2）。

在這三個用例中，增強(qiáng)型移動寬帶可能最接近多數(shù)人對下一代手機(jī)的設(shè)想。在這個用例中，配備先進(jìn)技術(shù)的場所中的靜態(tài)用戶可獲得高達(dá) 20 Gbps的數(shù)據(jù)速率，移動用戶可獲得充足的實(shí)際帶寬（從80 到 200 Mbps，具體取決于場所），流暢播放 3D或超高清視頻，在游戲或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等場景中與云應(yīng)用密切互動。

▲圖2 三個用例滿足 5G 網(wǎng)絡(luò)的各種要求

大規(guī)模機(jī)器類通信提供了一個完全不同的場景。這里的客戶端不是服務(wù)器或人員，而是智能城市、工廠、建筑或家庭中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在這個場景中，原始數(shù)據(jù)速率沒那么重要；機(jī)器要么提供相對較少的信息 —— 每秒只有幾條傳感器讀數(shù)，要么在本地預(yù)處理處理，以大幅降低帶寬（就像智能監(jiān)控?cái)z像頭一樣）。這里的關(guān)鍵不是數(shù)據(jù)速率，而是連接密度 —— 每平方千米多達(dá)一百萬個互聯(lián)設(shè)備 —— 和能效 —— 相當(dāng)于 4G 網(wǎng)絡(luò)的一百倍。

第三個場景超可靠低延遲通信是一個令人難以置信的全新用例，支持工業(yè)自動化、關(guān)鍵任務(wù)連接和自動駕駛汽車，可避免駕車途中通話中斷的情況。這些應(yīng)用不僅需要相對較高的數(shù)據(jù)速率 ——例如汽車將其攝像頭和激光雷達(dá)的大量信息流發(fā)送至云端進(jìn)行分析，而且需要與無線網(wǎng)絡(luò)沒什么關(guān)系的兩個屬性：毫秒級延遲和功能安全級可靠性。

解決之道

單個而論，這三個場景中即使最苛刻的要求似乎也可以實(shí)現(xiàn)。例如，通過增加通道帶寬，幾乎可隨時(shí)提高數(shù)據(jù)速率。萬一失敗，可應(yīng)用經(jīng)過當(dāng)前LTE-Advanced 網(wǎng)絡(luò)測試的技術(shù)，如多個發(fā)送和接收天線 (MIMO)、載波聚合等。隨著高級半導(dǎo)體制程中晶體管數(shù)量的增加，頻譜效率仍有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。可在塔式設(shè)備上使用大量 MIMO 天線陣列以實(shí)施波束成形，同時(shí)為各客戶端創(chuàng)建私有無線電波束。在高密度區(qū)域，可在微單元上疊加一系列較小的單元。所有這些措施均可提高數(shù)據(jù)速率。

如需增加特定區(qū)域的客戶端數(shù)量，可利用較小的單元和波束成形。還可對高帶寬通道進(jìn)行多路復(fù)用，在多個客戶端之間分配帶寬。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的變化可改進(jìn)能效和降低延遲。

如果同時(shí)開展所有這些工作，問題就會成倍增加。例如，如果將現(xiàn)有低于 2 Ghz的 4G 頻段中的子載波間距加寬，每個連接就會具有更多帶寬。但連接數(shù)更少?？刹捎酶叩男骂l率，如 24.25-29.5 Ghz或 37-43.5 Ghz頻段，這些頻段支持超過 500 Mhz的間隔。但在從 3 Ghz過渡至毫米波的過程中，傳播成為一個問題。當(dāng)頻率達(dá)到 28 Ghz，現(xiàn)實(shí)世界的許多因素會減弱或阻礙載波。

例如，雨水會對頻率造成數(shù)十 dB/千米的衰減，春天綠意盎然的葉子可完全吞噬信號。即使是板墻和玻璃等建筑材料也會吸收數(shù)十 dB 的信號。盡管毫米波可提供大量帶寬，但這些帶寬也只在天氣干燥且連接未受阻礙、處于較短的可視距離的情況下發(fā)揮作用。

當(dāng)然，可使用多個高帶寬通道實(shí)現(xiàn)出色的數(shù)據(jù)速率。可將多個既窄又差的通道進(jìn)行組合?？蓜討B(tài)聚合單個鏈路的多個通道，或者通過不同天線和不同光束路徑及 MIMO 聚合多個鏈路。借助波束成形和跟蹤功能，甚至可以在客戶端在高密度城市環(huán)境中移動時(shí)確保這些鏈路完整無缺。

遺憾的是，這些技術(shù)會妨礙數(shù)百萬個廉價(jià)低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需求。毫米波頻段中的 MIMO 不可能保持較低成本，尤其在接收器從受損通道中提取高速數(shù)據(jù)時(shí)。復(fù)雜的聚合與鏈路管理不僅會增加處理開銷，而且會增加能耗和延遲。

復(fù)雜情況難以讓人對自動駕駛汽車以每小時(shí)100 千米的速度在林蔭大道上行駛的愿景保持樂觀。滿足極高數(shù)據(jù)速率、毫秒級延遲和五個九的可靠性等需求并非易事。

多層解決方案

應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的解決方案是利用三層單獨(dú)的頻段，每個頻段旨在滿足特定的技術(shù)需求。不過，三層頻段與這些場景并非一一對應(yīng)。通過組合使用三層頻段，5G 網(wǎng)絡(luò)可滿足、至少接近滿足全部三個場景的 IMT-2020 目標(biāo)。

三層頻段構(gòu)成了一種“婚禮蛋糕 (wedding cake)”（圖 3）。在底部，現(xiàn)有低于 2 Ghz的 LTE 頻段可覆蓋最廣泛的范圍。在這些頻段中，現(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施可覆蓋地球上的多數(shù)人口。這些頻率在傳播過程中不會受到建筑、葉子和天氣的影響。因此，5G 將使用這些低頻段覆蓋更多偏遠(yuǎn)地區(qū)（立即部署新基站在經(jīng)濟(jì)上缺乏可行性），以及支持不利條件下的低效運(yùn)行連接、在更多復(fù)雜 5G 連接提供下行鏈路的情況下增強(qiáng)上行鏈路以及支持要求不高的機(jī)器類鏈路。需要指出的是，低于 2Ghz 的頻段層將支持更高頻段，提供高度可靠的低延遲連接。自動駕駛出租車在樹下或建筑后面不會處于無線電靜寂狀態(tài)，只會跳轉(zhuǎn)至一個新頻道并臨時(shí)忍受較低的速率。

▲圖3 開發(fā)人員將他們需要的頻譜分組為一個頻段蛋糕層

其中層為 2-6 Ghz的中頻段，即 C 頻段。這些頻率是 5G 的主流頻率，利用所有強(qiáng)大技術(shù)保持高數(shù)據(jù)速率連接。這里介紹了在特定的大規(guī)模 MIMO中，波束成形、跟蹤和頻譜效率的大幅提升將發(fā)揮重要作用。目標(biāo)是通過動態(tài)聚合任何可用于連接的資源，在幾乎最差的條件下為移動用戶提供 100 Mbps 的可用速率。這些頻段還可傳輸許多更高速的機(jī)器類流量和高可靠性/低延遲流量。

即使是頭兩層進(jìn)行組合也不足以滿足最苛刻客戶端（需要 20 Gb/秒的速率）對極致數(shù)據(jù)速率的要求。蛋糕的頂層可滿足他們的要求，即 6 Ghz以上的頻段，包括難以實(shí)現(xiàn)的毫米波頻段。人們希望政府為 5G 用途分配連續(xù)的 800 Mhz塊，使用 5G 替代光纖，向移動用戶提供實(shí)時(shí)的超高清視頻，這要求地理、天線布置和通道質(zhì)量等因素均滿足相關(guān)要求。

在IMT-2020 中，與其說 5G 是一種無線網(wǎng)絡(luò)，不如說是一種包括三層無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，可通過虛擬基站和控制層緊密連接在 metro 數(shù)據(jù)中心內(nèi)，從而向用戶提供類似于無縫網(wǎng)絡(luò)的體驗(yàn)。

定義新無線電

開發(fā)人員沒有被紛繁多樣的要求和頻率所迷惑，堅(jiān)持認(rèn)為需要一種全新的無線電設(shè)計(jì)取代定義狹隘的 4G 無線電。他們將這些設(shè)計(jì)創(chuàng)造性地稱為新無線電 (NR)。

新無線電的實(shí)施將滿足各種需求。這一全新技術(shù)必須提供單個可在所有三層頻率（從 700 MHz到 40 GHs、甚至更高頻率）之間擴(kuò)展的架構(gòu)；必須支持大量 MIMO 陣列及實(shí)施動態(tài)波束成形與跟蹤；必須充分利用每個可用通道實(shí)現(xiàn)最佳數(shù)據(jù)速率，支持在多個用戶和消息類型之間分享可用的數(shù)據(jù)速率，確保每平方千米的大量設(shè)備高效運(yùn)行；而且必須支持各種實(shí)施成本（其半導(dǎo)體制程將于 2020 年問世）。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，新無線電架構(gòu)師對空中接口的調(diào)制、糾錯、幀定義和協(xié)議進(jìn)行了修改。

他們首先選擇了可在不同頻段間擴(kuò)展且可多路復(fù)用的高密度正交分頻調(diào)制方案。該調(diào)整方案可生成簡單波形（射頻前端已經(jīng)非常復(fù)雜了，我們應(yīng)化繁為簡），這些簡單波形對于多用戶訪問十分有用，且可在10納米或7納米等具有較高晶體管預(yù)算的制程中高效實(shí)施。

為此，架構(gòu)師加入了多終端低密度奇偶校驗(yàn)通道編碼 (ME-LDPC)，該方法可提升編碼效率，在并行電路中易于實(shí)施，且支持較短的傳輸時(shí)間間隔 (TTI) —— 對于保持低延遲至關(guān)重要。

不過，降低延遲需要進(jìn)一步工作。NR 可重新定義數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，支持將調(diào)度數(shù)據(jù)和確認(rèn)信息整合在初始數(shù)據(jù)幀中，從而縮短周轉(zhuǎn)時(shí)間和 LTE延遲。這些決策對于縮短機(jī)器到機(jī)器通信延遲和快速對發(fā)射機(jī)進(jìn)行波束成形訓(xùn)練至關(guān)重要，有望支持跟蹤快速移動的客戶端。這一全新幀結(jié)構(gòu)支持分頻雙工，對于分時(shí)雙工尤其有益。

變革將帶來什么

新無線電 (NR) 是 LTE 無線電之后的重大技術(shù)進(jìn)步，不僅引入了新的科學(xué)理念，而且融合了許多現(xiàn)有的創(chuàng)意，將催生 2020 制程技術(shù)的非凡功能。但是，相比于世人厭惡的官僚政治，構(gòu)建 NR的挑戰(zhàn)簡直不值一提。

IMT-2020 蛋糕的三層不是相互隔離、而是相互依賴的。盡管可使用中層的某個頻譜分階段實(shí)施有限的城市市場 5G 服務(wù)，提供頂層的少數(shù)點(diǎn)到點(diǎn)固定寬帶鏈路，但要滿足多數(shù)人對 5G 的期望，您需要所有三層。

這意味著單個國家和地區(qū)需要重新分配現(xiàn)有用戶的大型連續(xù)頻譜塊，從 700 Mhz頻段的20 Mhz數(shù)據(jù)塊到大量 6 Ghz以上的 800 Mhz條帶(swath)。全球各國需要通力配合確保單個 NR 能夠在各國通行。

到目前為止，相關(guān)工作進(jìn)展順利。根據(jù)公開數(shù)據(jù)，華為估計(jì)中級 C 頻段中超過一半的適用頻譜要么可供使用，要么已進(jìn)入監(jiān)管部門的考慮范圍。在美國、韓國和歐洲，大型數(shù)據(jù)塊仍擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?。而高頻層的不確定性更高。

有一點(diǎn)似乎可以確定，隨著 2020 年即將到來，新無線電的實(shí)施規(guī)模正在擴(kuò)大，本地服務(wù)提供商明確了所需的頻率和能夠負(fù)擔(dān)的頻率，未落實(shí)頻譜塊的經(jīng)濟(jì)和政治價(jià)值將會急劇攀升。這一技術(shù)只是成為奧運(yùn)會等全球重大活動的支持平臺，或大型高科技公司及其富有客戶的平庸工具，還是將引發(fā)一場重塑人與事物交互模式的社會變革？這是一個值得深思的問題。技術(shù)能夠帶來這種變革，但現(xiàn)實(shí)條件和人類的意志才是決定性因素，時(shí)間會證明一切。