比光纤更快的5G时代

 每隔十年左右，手机网络就要更新换代。从大约1980年开始，第一代手机网络采用的是模拟技术。自从1991年第二代手机网络到来之后，手机网络开始数字化。至2011年，第三代手机网络从旧式电路交换转到高效的分组交换。在2010年左右，第四代网络大规模地采用了IP(互联网协议)技术，让移动设备以宽带速度接入到互联网。每一代新网络都采用了新的频段，速度更快，更加注重数据流，而不是简单地传送语音。

最近，无线运营商开始考虑第五代(5G)网络采用哪些技术。谷歌和Facebook等业外巨头最近都表示要进军移动无线网络，移动运营商感到了一种紧迫感。如果移动运营商能达成一致，他们希望在2020年之前能推出第五代移动网络。

这可能有点过于雄心勃勃。前面还将有多年的扯皮还价，决策者和标准持有者还会试图说服本国的运营商和电信公司使用自己的技术，因为这对它们的发展至关重要。然而，跟前面几代移动技术不一样，5G有希望成为真正的全球标准，人们无论走到哪里都可以使用自己的手机，出国的时候不用再麻烦把自己的SIM卡换成当地卡。

5G技术会给我们带来哪些期待?在目前，我们可以肯定的一点是，5G网络的延迟时间(即响应时间)只有大概一毫秒。利用现在的4G网络让两部手机互相连接的时间为50毫秒，而广泛使用的3G网络则需要500毫秒。

即使是4G网络，对用于向无人驾驶汽车发送紧急指令的云系统来说，速度远远不够快。这速度也不足以向参与电话会议的各方提供无缝语言翻译，更不用说远程指导外科医生实施拯救生命的手术。许多即时无线应用需要不超过一毫秒的时间延迟。

另外一个基本要求是不少于每秒一千兆(1Gbps)的数据速率，以后还会需要每秒几千兆的数据速率。用户如果要在手机或者平板上在线观看超高清视频(比如，4k视频，很快就会推出8k视频)，这样的速度是必不可少的。

目前基于LTE技术的4G网络可以每秒传输10到100兆的数据。大多数移动运营商仍在推出其LTE服务，一些运营商已经开始安装最新的LTE-Advanced的设备(即真正的4G，以前的是运营商们欺骗消费者说是4G的不成熟版本)。LTE-A的峰值数据传输速率据称是1Gbps。然而实际上用起来只有250Mbps。

那么，5G技术相比4G，有哪些改进呢?这很难说。根据以往的经验看，每一代新技术都比上一代技术速度快十倍，5G网络的平均下载速度最有可能达到1Gbps，随着技术的成熟，有可能上升到10Gbps。这样的无线传输速率甚至比目前用于向家庭提供互联网接入和高清电视的光纤还要快得多。

让LET-A比以往几代技术速度大大提升的是两种新技术：载波聚合和MIMO天线。这两者都不属于新技术，但都可能在实现5G的潜力中起到非常大的作用。

就其本身而言，载波聚合通过从多个本地基站接收信号提高下载速度，而不仅仅是从附近信号最强的基站接收信号。这些不同的波段聚到一起之后所能传输的数据量大大提高。在LTE-A技术中，可以让五个高达20MHz的带宽载波单元聚集成100MHz单载波。

频段是全球性短缺资源，大部分移动电信公司都已经把能够利用的频率都利用了。其结果是，它们的频段很少是连续的。幸运的是，载波聚合不但让移动运营商提高了其数据传输速率，而且可以让它们把不同的频段拼接到一起。在五年以后5G服务进入更拥挤的无线世界的时候，载波聚合甚至会变得更重要。

MIMO(多输入/多输出)也是使用了同样的方式。MIMO通过两个或多个天线传输两个或多个的数据流，让

接收天线处理所有的传入信号，而不只是最强的信号。这就好像用高速公路代替单车道的乡间公路。目前的MIMO应用方式通常是在发送端和接收端都使用三四个天线。如果两端都使用几十甚至上百个天线，又会怎样呢?这将大大提高下载速率，更有效地利用可用频段。

然而，5G到底会使用哪些频道仍然没有确定下来。如今的无线设备使用的是拥挤的700MHz到2.6GHz频道范围。这并不是说，5G推出之后，今天的4G，甚至3G网络所使用的频道就会突然被空出来。移动运营商将会继续数为以百万计没有立即升级到最新的设备用户继续提供他们的传统业务，这些用户可能会好几年都不会升级设备。

最有可能的情况是，5G将从今天的UHF(特高频)频段转移到3Ghz和30GHz之间的SHF(超高频)频段，甚至是30GHz和300GHz之间的EHF(极高频)频段。目前这些频段(因其波长被称为“毫米波”)被用于卫星电视、微波 中继链路、空中交通雷达、射电天文学和业余无线电。

在世界大多数地区，60GHz周围的频段被指定为民用波段。WiFi研究者正计划通过新的802.11ad标准利用未被划作专用的60GHz波段在家庭中无线传输超高清视频。在典型配置中，802.11ad能在适度的距离内达到6Gbps的传输速率。

这个频段同样存在缺陷。其中一个就是，这种极端的频率很容易被墙，甚至走动中的人阻挡。这些频率会使空气中的氧分子产生共振而被吸收，虽然只有在超过100米距离的时候才会产生显著的吸收效果。然而，将频率提高到70GHz或者以上时，空气吸收的情况完全不存在。据称芬兰网络基础设施公司诺基亚在实验室测试中利用70GHz频率取得了115Gbps的传输速率。

所有这些意味着5G技术将需要比目前的手机信号发射塔更靠近用户的基站。这已经是一个正在发生的趋势了。到目前为止，微蜂窝已被主要用于建筑物内解决手机信号差的问题。为了处理5G数据，现有手机基站之间的空白地带需要部署数百个微蜂窝接入点。这些小天线盒会被安装在路灯柱子上或者建筑物内，几乎没有人会注意到它们，更不会有人反对安装了，而架设新的手机信号发射塔往往就不一样了。

人们禁不住会想，即使是在数十亿数字设备通过电波互相联络的“物联网”时代，5G技术所提供的带宽也足够使用了，开发下一代的移动网络技术会变得没有必要。网络架构师希望5G技术成为移动网络技术的终点，他们认为此后的工作仅仅是一些演进式的改善。这是一个不错的想法。然而，过去的经验告诉我们，即使是最聪明的预言也会在将来被突破。