5G預(yù)計(jì)將在2020年前進(jìn)行商業(yè)推廣

編譯 之涵

到2018年9月，各大公司將具備制造5G基站所需的規(guī)范；最早到2019年，5G就有可能得到商業(yè)推廣。說到5G的關(guān)鍵特征，毫米波傳輸可能當(dāng)之無愧。

華為無線技術(shù)實(shí)驗(yàn)室高級總監(jiān)朱佩英在5G峰會上演講

2018年4月24日至27日，一年一度的布魯克林5G（第五代移動通信技術(shù)）峰會在美國紐約舉行，5G發(fā)展的關(guān)鍵人物齊聚一堂。在幾場演講和一次小組討論活動中，與會者備受鼓舞。他們了解到有關(guān)5G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的最新進(jìn)展情況，并獲悉最早到2019年，5G就有能力支持基于全球標(biāo)準(zhǔn)的新無線電技術(shù)進(jìn)行商業(yè)推廣。

也許最重要的是，專家們相信5G新無線電技術(shù)規(guī)范Release 15進(jìn)展順利，會如期推出。Release 15對5G技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，因?yàn)樗鼮橹圃焐烫峁┝丝捎糜谥圃煸O(shè)備的規(guī)范。例如，它將描述如何配置5G基站以及這些基站將如何與智能手機(jī)進(jìn)行通信。

令人鼓舞的是，第三代合作伙伴聯(lián)盟計(jì)劃（3GPP，由七家電信標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織組成的聯(lián)盟）在2017年做出的加快5G新無線電（5G NR）發(fā)展進(jìn)程的決定從未遇到任何重大挫折。

Release 15對5G NR的商業(yè)可行性至關(guān)重要，因此3GPP在2017年初決定將該版本分為兩個(gè)階段，以確保其獲得成功：非獨(dú)立（NSA）版和獨(dú)立（SA）版。這一分階段的辦法似乎行之有效。

非獨(dú)立版于2017年12月完成并獲得批準(zhǔn)，它是第一個(gè)5G規(guī)范。非獨(dú)立版5G NR以現(xiàn)有的LTE（Long Term Evolution，3G和4G的過渡系統(tǒng)）無線電和LTE核心網(wǎng)為基礎(chǔ)。此外，它的確只能滿足無線電頻譜低于6 GHz的要求，而這一頻譜用于當(dāng)今已經(jīng)擁擠不堪的移動通信。獨(dú)立版 Release 15的第一批規(guī)范于2018年6月發(fā)布，并將在9月得到確認(rèn)。

毫米波傳輸

3GPP關(guān)鍵人物、華為無線技術(shù)實(shí)驗(yàn)室高級總監(jiān)朱佩英在她的演講中指出，這些規(guī)范有助于設(shè)備的商業(yè)推廣，并在2019年底之前推出獨(dú)立版5G NR。到那時(shí)，5G移動網(wǎng)絡(luò)將可以開始利用6GHz以上的無線電頻譜——該頻譜范圍被稱作毫米波（mm Wave，波長為1～10毫米的電磁波）——從而開放大量未使用的無線電頻譜。這將使移動網(wǎng)絡(luò)的新應(yīng)用成為可能，如可為工廠車間機(jī)器人或道路車輛提供低延遲連接的大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）。

在演講中，朱佩英簡要介紹了一些關(guān)鍵的技術(shù)特點(diǎn)：世界上每一個(gè)5G基站的新無線電預(yù)計(jì)都將在2019年年底前獲得支持，其中最重要的可能是大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）天線和毫米波傳輸?shù)氖褂谩＿m用于Release15的5G NR旨在支持本地增強(qiáng)的大規(guī)模MIMO。有了大規(guī)模MIMO，天線的數(shù)量就從現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)中的十幾個(gè)增至數(shù)百個(gè)，從而使容量增加20倍。天線數(shù)量的大幅度增加也會帶來一系列問題，例如信號交叉。波束成形等技術(shù)將幫助篩選出那些直接定向于基站和移動設(shè)備之間的信號。

如果要說5G的關(guān)鍵特征，毫米波傳輸可能當(dāng)之無愧。與目前使用的6 GHz以下頻段相比，毫米波的無線電頻譜介于30 GHz至300 GHz之間。盡管開辟了大量新頻譜，但是在這些頻段下工作意味著信號無法像在6 GHz以下一樣穿過周圍的物體。為了克服與廣播有關(guān)的干擾問題，毫米波傳輸要求采用波束成形和小基站等技術(shù)。采用小基站技術(shù)時(shí)，可將大量小型基站分散在同一個(gè)環(huán)境中。

當(dāng)朱佩英的演講進(jìn)一步深入到5G NR規(guī)范的細(xì)節(jié)時(shí)，與會小組有時(shí)會偏離主題，比如：5G NR會給我們的手機(jī)帶來什么變化？有了5G技術(shù)，機(jī)器與機(jī)器通信或物聯(lián)網(wǎng)將會如何發(fā)展？自動駕駛車輛能在云中行駛嗎？

“我們要考慮的不僅僅是5G用戶設(shè)備，因?yàn)檫@不再只是手機(jī)的問題?！?/p>

——AT&T實(shí)驗(yàn)室阿倫·戈什

AT&T（美國電信運(yùn)營商）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)無線技術(shù)負(fù)責(zé)人阿倫·戈什（Arun Ghosh）表示，對手機(jī)的持續(xù)關(guān)注并沒有與5G的發(fā)展保持同步。雖然我們?yōu)槭褂弥悄苁謾C(jī)支付的費(fèi)用是一項(xiàng)穩(wěn)定的業(yè)務(wù)，但5G市場蘊(yùn)含在新的應(yīng)用領(lǐng)域中，如大規(guī)模機(jī)器類通信?！拔覀儽仨毧紤]的不僅僅是5G用戶設(shè)備，因?yàn)檫@不再只是手機(jī)的問題?！备晔惭a(bǔ)充道。

他在談到大規(guī)模機(jī)器類通信時(shí)指出，它可能無法在第一代5G中完全實(shí)現(xiàn)。但他預(yù)計(jì)，窄波束天線的某種演變將以一個(gè)符號瞄準(zhǔn)特定區(qū)域，并發(fā)出信號構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)。這一技術(shù)規(guī)范很可能出現(xiàn)在5G NR的Release 16階段。

雖然對于5G NR在自動駕駛汽車中發(fā)揮何種作用存在一些分歧，但美國國家儀器公司高級經(jīng)理王伊恩（Ian Wong）指出，連接提供了更好的安全性和信息，但你在開車時(shí)并不需要真正連接。

諾基亞無線標(biāo)準(zhǔn)專家安蒂·托斯卡拉（Antti Toskala）表示：“我希望人們會跳到新的頻譜上來提高產(chǎn)能。除了這些標(biāo)準(zhǔn)之外，這些設(shè)備更有可能具備先進(jìn)的功能。4G LTE設(shè)備已經(jīng)將這些功能具體化，但實(shí)際上人們并沒有將它們加以利用，因?yàn)樗麄內(nèi)狈κ褂眠@些功能的動機(jī)，而5G將見證大量這些功能的使用。5G NR正在向其第一次商業(yè)推廣邁進(jìn)?！?/p>

T-Mobile的5G計(jì)劃覆蓋范圍遠(yuǎn)超毫米波

T-Mobile（德國電信公司）無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)與戰(zhàn)略副總裁卡里·庫爾帕瑪吉（Karri Kuoppamaki）對TMobile的LTE網(wǎng)絡(luò)和當(dāng)前一代的無線技術(shù)進(jìn)行了探討，他認(rèn)為盡管5G承諾將對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)傳輸速率做出重大調(diào)整，但它仍將建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)之上。

庫爾帕瑪吉說：“人們會將毫米波和5G聯(lián)系在一起，理應(yīng)如此，但這一頻率還未得到充分開發(fā)利用?！彼蚑-Mobile都認(rèn)為5G的潛力將遠(yuǎn)超高頻毫米波，低頻段和中頻段對下一代無線網(wǎng)絡(luò)同樣重要。

T-Mobile計(jì)劃開發(fā)覆蓋整個(gè)頻譜范圍的5G網(wǎng)絡(luò)，而不僅僅局限于高頻毫米波波段。高頻毫米波最大的問題之一是傳播距離短，適用于密集的城市地區(qū)，因?yàn)榈皖l在這些地區(qū)會被障礙物阻擋。若要將5G覆蓋至全美各地，庫爾帕瑪吉認(rèn)為同樣必須關(guān)注低頻段和中頻段：遠(yuǎn)距離信號傳播需要用到低頻段，像600 MHz這樣的低頻段將服務(wù)于全美各地；而中頻段將成為城鎮(zhèn)和人口稠密城市地區(qū)高頻段毫米波的有益補(bǔ)充。為此，T-Mobile已經(jīng)在全美各地部署600 MHz網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。

庫爾帕瑪吉看到了可為5 G提供服務(wù)的整個(gè)頻譜生態(tài)系統(tǒng)。他認(rèn)為：“5G的發(fā)展將改善整個(gè)頻譜——無論我們用LTE做什么，5G都將在此基礎(chǔ)上更上一層樓?！?/p>

相控陣：從學(xué)術(shù)好奇到工業(yè)化實(shí)踐

峰會上，由5G相控陣技術(shù)的主要研究人員組成的小組還討論了5G相控陣技術(shù)的商業(yè)前景：相控陣是否已基本從學(xué)術(shù)研究變成了工業(yè)實(shí)踐？

對于5 G網(wǎng)絡(luò)，定向相控陣天線不可或缺。因?yàn)橐_(dá)到1 Gbps數(shù)據(jù)傳輸速率的帶寬需要高頻毫米波傳輸，遺憾的是，通過該頻段傳播的信號在空氣中傳播或穿過建筑物的墻體或窗戶時(shí)會遭受很高的路徑損耗。為了最大限度降低損耗，運(yùn)營商可以將基站直接對準(zhǔn)接收器，但這并非總是切實(shí)可行，而且也無法真正解決問題。如果希望為那些不停走動的移動電話用戶提供服務(wù)，那么就需要一個(gè)可控制的高增益和窄波束天線——相控陣天線。

相控陣天線可以將無線電波指向預(yù)定方向，該技術(shù)已經(jīng)成為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。在過去的5至10年間，該技術(shù)取得了飛速發(fā)展，并成為5G有望在2020年之前進(jìn)行商業(yè)推廣的主要原因之一。

近幾年來，硅半導(dǎo)體集成電路技術(shù)在滿足傳統(tǒng)發(fā)射/接收功能的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了光束引導(dǎo)功能，從而有效地將這些支撐5G的設(shè)備成本降至可以大規(guī)模生產(chǎn)和部署的程度。

專家一致認(rèn)為，相控陣已經(jīng)為5G網(wǎng)絡(luò)做好了準(zhǔn)備，并將很快從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

小組討論前，英特爾先進(jìn)技術(shù)總監(jiān)巴爾吉特·辛格（Baljit Singh）和高通技術(shù)高級主管奧齊格·科伊曼（Ozge Koymen）在演講中介紹了相控陣技術(shù)領(lǐng)域取得的長足進(jìn)步。他們的演講讓小組主持人、加州大學(xué)圣巴巴拉分校教授詹姆斯·巴克沃特（James F.Buckwalter）想起了2017年布魯克林5G峰會的演講者伊恩·格雷沙姆（Ian Gresham）的預(yù)測：“相控陣是工業(yè)化實(shí)踐，而非學(xué)術(shù)研究。”

巴克沃特讓討論小組看看辛格和科伊曼是否對相控陣上執(zhí)行的測試數(shù)量感到滿意，他們都認(rèn)為對這項(xiàng)技術(shù)的測試不充分，現(xiàn)在開始考慮其商業(yè)推廣為時(shí)尚早?？埔谅f：“在曼哈頓地區(qū)使用的設(shè)備達(dá)到1萬臺之前，我們可能無法完全理解哪些問題需要解決?！彼€警告，在5G相控陣技術(shù)的第一階段，用戶使用的設(shè)備并未得到充分優(yōu)化，不過這一問題可能將很快得到解決。

巴克沃特在意識到小組成員都認(rèn)為相控陣技術(shù)的未來在工業(yè)領(lǐng)域而非學(xué)術(shù)界之后，便追問他們到5G網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域時(shí)，模擬相控陣技術(shù)是否會過時(shí)？該小組似乎相信，對于第一代5G，模擬相控陣技術(shù)已經(jīng)夠用了，但在未來5年，數(shù)字相控陣技術(shù)會大行其道。莫斯布魯格（Moosbrugger）表示：“數(shù)字和模擬之間的權(quán)衡取決于半導(dǎo)體的熱限，因?yàn)槲覀儠诎雽?dǎo)體上施加更多的能量。在半導(dǎo)體工藝獲得更高的能量和效率，并且在這些設(shè)計(jì)產(chǎn)品開始進(jìn)行小規(guī)模量產(chǎn)之前，這都將是一個(gè)問題?！?/p>

資料來源 IEEE Spectrum