通往5G 之路的常見問(wèn)題

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什么是5G，我們?yōu)楹涡枰?G？

手機(jī)問(wèn)世多年以來(lái)，蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施幾經(jīng)變革。第一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)是以“模擬”技術(shù)為基礎(chǔ)的，比如高級(jí)移動(dòng)電話服務(wù)（AMPS）。第二代（2G）系統(tǒng)主要采用數(shù)字技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)，例如全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）。在功能上，2G 在通話的基礎(chǔ)上增加了基本 SMS（短信）功能，但無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸容量非常有限。那時(shí)使用2G移動(dòng)設(shè)備來(lái)瀏覽網(wǎng)頁(yè)仍非常受限。無(wú)線數(shù)據(jù)主要用來(lái)發(fā)送短信、收發(fā)郵件和傳輸靜態(tài)圖片。
3G，即第三代網(wǎng)絡(luò)，具有更高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，使用寬帶碼分多址（W-CDMA）已經(jīng)能夠傳輸一定大小的視頻。3G 之后的演變有HSPA 和 HSPA+（相當(dāng)于 3.5G），它們提供了更好的用戶體驗(yàn)。不過(guò)，與大多數(shù)消費(fèi)者用作比較基準(zhǔn)的 WiFi 或無(wú)線局域網(wǎng)的速度相比，在像視頻之類的大數(shù)據(jù)應(yīng)用傳輸速度方面仍然較慢。
現(xiàn)今，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商正在基于長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)推出第四代（4G）網(wǎng)絡(luò)。LTE 相比3G 網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)流量方面有顯著的提升，峰值速率提高了 5~6 倍（見表1）。多數(shù)服務(wù)供應(yīng)商打算轉(zhuǎn)移至 LTE-Advanced，也就是 4.5G，該網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬預(yù)期將是 LTE 的兩倍。LTE 和 LTE-Advanced 技術(shù)的到來(lái)，使得無(wú)線數(shù)據(jù)消費(fèi)者目前擁有了一項(xiàng)在用戶體驗(yàn)方面可以匹敵 WiFi 的通信技術(shù)。
表面來(lái)看，隨著 LTE 的發(fā)展，未來(lái)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸容量似乎可以在用戶體驗(yàn)方面與 WiFi 平起平坐，至少?gòu)谋砻嫔辖档突驕p輕了對(duì)大幅提高帶寬的需求。然而，隨著智能手機(jī)、平板電腦等智能設(shè)備的迅速普及，網(wǎng)絡(luò)容量和帶寬消耗也在加速。實(shí)際上，行業(yè)分析師預(yù)測(cè) 2014 年的無(wú)線數(shù)據(jù)需求量將會(huì)超過(guò) 2009 年的 35倍以上（見圖1），并且這種增速會(huì)一直持續(xù)。容量實(shí)際上是帶寬的函數(shù)。單位時(shí)間傳輸?shù)谋忍卦蕉�，就越能更快地釋放頻譜滿足其他用戶及其數(shù)據(jù)需求。雙倍的數(shù)據(jù)傳輸率能夠有效地將數(shù)據(jù)容量提升 2 倍。因此，5G 研究的主要?jiǎng)恿�就是通過(guò)帶寬增加來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)容量，避免容量不足。

圖1 移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的行業(yè)預(yù)測(cè)（來(lái)源：《Mobile Broadband: The Benefits of Additional Spectrum》，F(xiàn)CC Report 10/2010）

LTE 和LTE- Advanced 為何不能完全滿足消費(fèi)者的需求?

考慮到無(wú)線用戶對(duì)數(shù)據(jù)的消費(fèi)速率，一個(gè)讓整個(gè)行業(yè)真正擔(dān)心的問(wèn)題是，如果沒(méi)有重大的技術(shù)升級(jí)，不久的將來(lái)網(wǎng)絡(luò)容量就會(huì)變得非常受限。以目前的 LTE 速率為例，其下行速率為 300 Mbps，上行速率為 150 Mbps。該速率比 3G 和 3.5G 技術(shù)要快 4~5 倍。LTE-Advanced 則可將速率進(jìn)一步提升 2-4 倍。這樣，在過(guò)去 10 到 15 年的時(shí)間里，全球移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商已將通信容量提升了20 倍。而與此同時(shí)，需求卻增加了 100多倍。由此，LTE-Advanced 的必要性和新五代網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性不言而喻。實(shí)際上，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施公司及3GPP標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的其他成員提出了一項(xiàng)挑戰(zhàn)，即到 2020 年將數(shù)據(jù)容量提升 1000 倍
5G 將如何解決“帶寬/容量”危機(jī)？
首先，關(guān)于 5G 的討論已有很多——5G 將會(huì)是什么，又將不會(huì)是什么。我們都知道 5G 將會(huì)比如今的4G以及最終的 LTE-Advanced（有時(shí)又被稱為 4.5G）速度都要快許多。真正的問(wèn)題是，在現(xiàn)有設(shè)備和可用頻譜等基礎(chǔ)設(shè)施的狀況下，我們?nèi)绾尾拍軐?shí)現(xiàn)更快的性能和更高的容量。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正在組建研究小組探討下一代無(wú)線問(wèn)題，希望能在明年初有所解決。目前的共識(shí)是，沒(méi)有什么“靈丹妙藥”或者哪一種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)所需的帶寬擴(kuò)展，但是多種先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合則能夠做到，比如包含小型蜂窩和多點(diǎn)協(xié)調(diào)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、頻譜再分配，以及自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）等其他先進(jìn)技術(shù)。

正在研究哪些技術(shù)來(lái)支持潛在5G 標(biāo)準(zhǔn)？
當(dāng)今人們正在研究用來(lái)提高頻譜效率、降低區(qū)間干擾的幾種技術(shù)，諸如異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、小型蜂窩、中繼及多點(diǎn)協(xié)調(diào)等。這些研究的根本動(dòng)機(jī)是通過(guò)增加密度降低每個(gè)基站負(fù)載，而這相應(yīng)地又會(huì)提升較小地理區(qū)域內(nèi)用戶的頻譜效率。所有可供選擇的技術(shù)都側(cè)重于部署更多的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，同時(shí)利用智能技術(shù)（如多點(diǎn)協(xié)調(diào)、波束成形等）進(jìn)一步提升利用率。歸根究底，通過(guò)基站級(jí)網(wǎng)絡(luò)信息共享，每個(gè)用戶的負(fù)載和覆蓋率就能夠得到優(yōu)化，從而更高效地利用現(xiàn)有頻譜。
一個(gè)更為困難的挑戰(zhàn)是頻譜的可用性。為了提高數(shù)據(jù)的吞吐量和可靠度，3G 到 4G 技術(shù)的轉(zhuǎn)變引入了新的技術(shù)，但往往被忽略的一點(diǎn)是，LTE 技術(shù)推出的同時(shí)也引入了新的頻譜。譬如，美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)700 MHz頻譜進(jìn)行拍賣，專門用于部署 LTE。
這種情景也曾類似地出現(xiàn)在 W-CDMA 和3G 的推出，那時(shí) 2G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)很普及、很成功。3GPP 提供了新的編碼和調(diào)制技術(shù)，但是這些新技術(shù)大部分（即便不是完全）都是部署在專用的新頻譜上。
對(duì)于 5G 而言，答案并不那么簡(jiǎn)單。除非行業(yè)、政府和相關(guān)頻譜規(guī)范機(jī)構(gòu)可以對(duì)何時(shí)及如何再分配頻譜達(dá)成一致，否則 6GHz 以下根本就沒(méi)有頻譜可用。再分配頻譜并不是一件容易的事，因?yàn)樵S多服務(wù)運(yùn)營(yíng)商為得到在用頻譜已經(jīng)支付了數(shù)十億美元，變革絕非那么廉價(jià)易成。

特別值得一提的是紐約大學(xué)無(wú)線研究中心的 Ted Rappaport 博士正在進(jìn)行的研究。Dr. Rappaport 一直在研究 28、38 和 60GHz 的頻譜以及覆蓋紐約市71-76GHz 頻率的 E 波段的特征——這是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的測(cè)試環(huán)境。測(cè)量結(jié)果表明，這些頻率都有可能進(jìn)行無(wú)線戶外通信，但是讓通信變得切實(shí)可行還需要大量投資。
28 GHz 對(duì)于mmWave E-Band 而言會(huì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)任務(wù)嗎？
無(wú)論選擇哪種技術(shù)都不能簡(jiǎn)單輕松地解決無(wú)線數(shù)據(jù)危機(jī)。通信行業(yè)必須打破傳統(tǒng)思維，包括設(shè)計(jì)流程在內(nèi)。
人們普遍認(rèn)為 mmWave 頻率不適合用于蜂窩數(shù)據(jù)傳輸，基于該頻譜的網(wǎng)絡(luò)也并不可行。Rappaport 博士的研究從根本上挑戰(zhàn)了這種想法。他已經(jīng)證明利用這些頻率進(jìn)行可靠的傳輸和接收是有可能的，不過(guò)目前仍
要做很多工作。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，所有低于 6GHz 通信相關(guān)的研究思路都必須要轉(zhuǎn)變，才能為 RF 前端設(shè)計(jì)和天線技術(shù)、波束成形、物理層設(shè)計(jì)甚至新協(xié)議的研究創(chuàng)造機(jī)會(huì)。
雖然許多技術(shù)剛出現(xiàn)且有待開發(fā)，但令人鼓舞的是在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上推出新數(shù)據(jù)容量并不是無(wú)前例可循。即使考慮到了物理層、小型蜂窩和 RF 前端（MIMO）等 6GHz 以下的所有研究，網(wǎng)絡(luò)仍然會(huì)受限于Shannon 理論：通信信道會(huì)受到帶寬和噪聲的限制。雖然異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以提高容量，但是誰(shuí)也不知道僅僅這樣是否能夠?qū)崿F(xiàn) 2020 年容量提升 1000 倍的目標(biāo)。如果沒(méi)有可用的帶寬，那么就必須要在別處找到新的頻譜。
您剛提到了一種新的設(shè)計(jì)方法，能詳細(xì)介紹一下嗎？
通常一個(gè)典型的“設(shè)計(jì)”方法是要先提出一個(gè)想法、然后進(jìn)行仿真并建立原型。由于開發(fā)可工作原型耗資巨大，因此在原型之前通常會(huì)在設(shè)計(jì)和模擬階段反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。如果理論上存在根本性問(wèn)題，就要返工重做。因此，在計(jì)劃原型開發(fā)之前通常就會(huì)有大量的仿真工作。與傳統(tǒng)方法一樣，從概念、仿真到原型需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間和眾多的資源。換言之，整個(gè)過(guò)程耗資巨大。設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的目標(biāo)是盡早交付可工作原型，這樣才能在設(shè)計(jì)初期將真實(shí)狀況和系統(tǒng)問(wèn)題考慮在內(nèi)。
目前大部分的仿真主要使用加性高斯白噪聲（AWGN）來(lái)建立信道模型。而網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商將會(huì)告訴你，這并不是真實(shí)的情況——這或許是一個(gè)好的開始，但卻不太現(xiàn)實(shí)。隨著 5G 新技術(shù)研究的展開，傳統(tǒng)的信道模型已經(jīng)不能很好地代表現(xiàn)實(shí)狀況。系統(tǒng)工程師和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員還必須考慮開發(fā)一個(gè)具有高性價(jià)比和低功耗
（以延長(zhǎng)電池壽命）的平臺(tái)上來(lái)部署新算法/協(xié)議的處理需求以及可行性。因此，盡可能早地開發(fā)出原型是非常重要的。

NI 與5G 變革有何關(guān)系？
多年來(lái)，NI 一直與無(wú)線研究人員合作開展RF/Communications Lead User 項(xiàng)目。通過(guò)該項(xiàng)目，NI 已經(jīng)與紐約大學(xué)無(wú)線研究中心的Rappaport 博士和德雷斯頓工業(yè)大學(xué)的Gerhard Fettweis 博士等世界頂尖的研究人員直接開展合作，共同探索新的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
我們已經(jīng)探討過(guò) Rappaport 博士對(duì) mmWave 的研究，而 Fettweis 博士對(duì) 5G 新物理層的研究也具有非常重要的意義。他已經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)新的物理層原型，稱為 GFDM(通用頻分復(fù)用)，解決了現(xiàn)今 4G 通信標(biāo)準(zhǔn)OFDM（正交頻分復(fù)用）的一些缺陷。在該研究中，F(xiàn)ettweis 博士?jī)H花了數(shù)月時(shí)間就完成從仿真到原型等過(guò)程。
Lead User 項(xiàng)目是由 NI 總裁兼創(chuàng)始人 James Truchard 博士提出的。Truchard 博士認(rèn)為不僅無(wú)線領(lǐng)域的研究，其他許多領(lǐng)域的研究都需要新的設(shè)計(jì)思維。過(guò)去 20 年里，許多技術(shù)改善了我們的日常生活，但相比之下，從設(shè)計(jì)、仿真到原型的研究工具卻并沒(méi)有得到真正的發(fā)展。NI 致力于通過(guò)圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來(lái)加快從設(shè)計(jì)到仿真再到原型的過(guò)程。該方法與軟硬件的高度集成相結(jié)合，可讓研究人員專注于自身的專業(yè)領(lǐng)域，而不需要花幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間來(lái)將不同的工具和技術(shù)整合到一個(gè)可工作原型中。
通過(guò) RF/Communications Lead User 項(xiàng)目，我們還與一些商業(yè)公司的一流研究人員合作，但鑒于這些是機(jī)密信息，請(qǐng)恕我不能隨意披露。然而，我可以說(shuō)在 5G 方面，NI 的工具和技術(shù)將會(huì)帶來(lái)一些激動(dòng)人心的成果，您可以拭目以待。

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