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5G：能聽到我的呼喚嗎？

5G：能聽到我的呼喚嗎？作者：Ron Wilson時間：2017-04-27來源：電子產品世界編者按：5G作為未來通訊的又一個跨越式進步，關於5G的研究和討論一直不斷，其優勢自是很多，雖然第一個5G芯片已經發佈，而其要真正進入應用仍需要很長時間。本文就5G在應用中遇到的問題和挑戰進行瞭深入地研究。
作者/ Ron Wilson 英特爾可編程解決方案事業部(PSG)系統設計雜志主編

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201704/358511.htm摘要：5G作為未來通訊的又一個跨越式進步，關於5G的研究和討論一直不斷，其優勢自是很多，雖然第一個5G芯片已經發佈，而其要真正進入應用仍需要很長時間。本文就5G在應用中遇到的問題和挑戰進行瞭深入地研究。

引言

第一個5G芯片已經發佈，5G網絡現場試驗正在進行中。也許，下一代“一切無線化”技術已經準備就緒。

然而，好事多磨，現在標準團隊仍在忙於解決一些重要的技術問題。網絡開發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，集中式計算還是分佈式計算等。第一個“真正”的5G網絡可能到2021年才會上線。

關於5G的真正含義，有幾個合理但完全不同的理解(圖1)。對於大多數蜂窩服務用戶來說，5G一詞的含義是顯而易見的：就像3G或4G一樣，5G將是服務的進一步改進。手機將提供更加一致的服務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，如果你問網絡運營商、汽車工程師或電力工程師什麼是5G，你可能會得到非常不同的答案。

其他5G

更高質量的移動寬帶是一個易於理解的簡單概念。但對於一些依靠5G技術的其他應用而言，情況卻並非如此。對於非技術用戶來說，這些應用中的許多應用似乎與智能手機沒有任何關系。

其中一款應用就是固定寬帶，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字用戶線路已經起到瞭這個作用。

固定無線網絡之所以至關重要，有兩個原因。第一個原因是在發展中國傢的城市或人口稀少的農村地區有大量的潛在用戶，這些地區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，固定無線網絡就有用武之地瞭。第二個原因在於，固定無線網絡讓無線網絡運營商能夠與有線電視公司和電信公司直接競爭現有客戶的接入業務。所以，首批固定無線5G試驗之一將由美國蜂窩網絡巨頭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絡中心呢?原因在於基站或中央數據中心知道每個客戶在哪裡，並且知道他們將保持在原地，移動服務的復雜性會大大降低。你不需要波束跟蹤或動態蜂窩切換，或持續協商保健食品有效發射功率。這並不是說信道是靜態的，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。英特爾?5G業務與技術總經理Robert Topol表示：“在早期部署方面，固定無線網絡具有優勢。”

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

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

不同於將每個頻帶內的寬信道專用於處理客戶端的最大數據速率，5G使用的是載波聚合。它可以將數據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網絡中心實際上更像一個以不同頻率並行運行的多天線無線電設備集群。

MIMO天線及其RF前端將是5G開發計劃的重要組成部分。很多用於試驗的設計在客戶端使用4×2單元天線陣列。對於基站而言，天線可能是64或128單元陣列。這一規模的MIMO數學運算很好理解，和信號處理實現一樣——隻要有充足的計算功率。當然，算法總是有可能出現突破性改進。

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版預計已足夠穩定啟動芯片開發，預計將於2018年末開始應用。

中心還是邊緣

對比空中接口、收發器和基帶技術的穩步發展，網絡的計算架構這一主要問題仍處於爭論當中。有些人主張幾乎完全的集中化，對來自基站收發器的波形進行數字化處理並發送回城市數據中心，以進行基帶處理和交換。這種集中式無線接入網絡(CRAN)架構可實現基帶處理和回程的虛擬化，它用服務提供商數據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產後保健食品理推向網絡邊緣，不僅包括基帶，還包括分組處理以及一些交換和管理任務。這些主張通常考慮到小型蜂窩在 5G 網絡中的預期擴散以及物聯網(IoT)和機器到機器連接的延遲受限需求。討論的結果可能是兩種方案的折中。英特爾可編程解決方案事業部接入與無線技術總監 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，每個數據包必須遍歷EPC並獲得其註意。除瞭一些推測服務以外，如基於機器學習的深度包檢測，軟件的現有數據中心中可以實現足夠的數據包速度。

“但並非每個5G任務都能這麼遷就。”Fitton 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，你可能需要在服務器上進行硬件加速，一些低延遲連接可能需要網絡邊緣處的處理或高速緩存。”

移動性

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

挑戰有很多。移動性既意味著小巧的外形，也意味著積極的電源管理，如果移動設備是豪華轎車，則限制不那麼嚴重，汽車廠商隻需接受耗電數十瓦特的電子模塊;但如果是筆記本電腦或平板電腦，管理調制解調器電源就需要系統芯片設計人員手中的工具瞭;如果設備是手機，如今的技術發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?這些頻率對於人類大腦的穿透性很差，而且大多數用戶也不希望它們穿透。因此，移動設備在其 MIMO 算法上有一個相當動態的限制：不穿透用戶。

這是一個更大的問題。移動設備是移動的。汽車在城市高速公路上達到 100 公裡/小時，穿行在高層建築物和公路標志之間。行人匆匆離開助孕維他命推薦舒適的咖啡店，沿著人行道進入地鐵入口。在 5G 的較高頻率上，基站將不得不連續地對每個移動客戶端進行波束跟蹤，並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。這種動態處理必須與多個運營商同時進行。

小型蜂窩的激增加劇瞭這一挑戰。29GHz糟糕的傳播特征和密集市區對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，防止轉頭或走到轉角處時，電影畫面出現卡格。建築物內部也會有類似的問題，可能需要室內小型蜂窩像如今的無線網絡中心一樣密集。路上的情況會有所不同。更長的視線和距離使得傳統宏蜂窩成為一種更好的解決方案。Fitton 推測：“我們將在建築中看到混合使用宏蜂窩、小蜂窩和本地集群。”

物聯網

到目前為止，我們已經描述瞭一種極為異構的網絡。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，但物聯網大幅增加瞭事物的復雜性。

幾乎從一開始，一些物聯網擁護者就聲稱，5G將提供互聯網和事物之間缺少的連接。不過，不同人的看法不同。有些人隻是看到瞭互聯網接入點和物聯網中心之間的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網絡實現哺乳期維他命機器對機器鏈接。

所有這些想法帶來瞭新的要求。任何涉及通過渠道進行交互的物聯網連接都需要低延遲。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。

但後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備連接所需的敏捷性。針對這一矛盾，我們的答案是網絡切片，即在一個物理介質上提供幾個完全不同的虛擬網絡。大多數專傢認為，切片需要軟件定義網絡和許多功能的虛擬化。

因此，現在我們可能在同一個空中接口和設備上運行寬帶網絡、限制數據速率網絡和有限延遲虛擬網絡，但未來會更好。許多物聯網端點(如遠程傳感器)具有非常低的連接占保健食品查詢空比和極其嚴格的功率或能量預算。它們設置連接、傳輸數據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網網絡，如分層到5G網絡的 Sigfox——作為一個帶網關的單獨網絡或一個實際切片。

路線圖

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

全面的移動服務已經越走越遠，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。與此同時，許多5G技術(載波聚合、大規模 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網絡上。這將幫助用戶在真正的5G移動服務問世之前體驗5G的性能。它還可為未來的5G設備提供備用網絡，就像當前的LTE設備在需要時可以退回到3G網絡一樣。

所以，我們取得瞭很大進步，在2020年部署5G設備的既定目標仍有可能實現，但距離你真正使用5G網絡還要再等一段時間。

本文來源於《電子產品世界》2017年第5期第15頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。