由此到5G：充满挑战之路

2020年部署5G无线网络! 从研究实验室到服务提供商，这句话代表了他们共同的目标，几乎就是一首赞歌。作为一个目标，这句话解释了研发活动的所有行为方式。但是作为赞歌，却从根本上缺乏明确的定义。什么是5G? 我们必须要解决哪些问题才能部署实施它?

表面上，定义看起来很简单：5G是4G之后的下一代蜂窝小区技术。但是在背后，您会发现有一些不太光鲜的东西：大量的利益角逐，想尽办法来促销自己的产品，以便让网络支持他们的服务，或者仅仅是不让自己的产品过时。在他们的鼓噪中，您会听到有各种各样的诉求。

移动用户如果曾想象过5G，会认为它能够完美无缺的提供HD电影、游戏以及增强现实体验，而且这些都会随着他们在不同的环境和设备上一起移动。这类服务意味着：

• 一个端点需要10 Gbps以上的带宽

• 与4G相比，一个区域的带宽要高出数千倍

• 一个区域的设备数量增加10到100倍

• 可用性高达5个9，而且是无缝地理覆盖

这是从移动用户的角度看。而网络架构师则会关注并写下以下要求：

• 单位比特的网络能耗降低90%

• 任何频谱和接入网都能够实现带宽聚合

• 不同的射频接入网之间切换时间小于10 ms

• 动态频谱分配，点对点连接，自回传功能

他们会关注所有这些讨论，而一名物联网(IoT)开发人员还会加上一些他自己的需求：

• 往返延时小于1ms

• 网络上一个简单设备的电池使用寿命在10年以上

• 工业级功能安全和保密

如果要把这些过高的要求进行分类，可能最好的方法实际上是把5G工程师们至少分成三类。第一，把5G看成是扩展的工程师：4G服务已经很好了，给更多的用户提供更多的带宽。第二，把5G不仅仅看成是一个无线网络，而是把所有无线连接都统一起来的工程师，包括短距、微小区、WiFi和蜂窝小区。第三，还有IoT开发人员，他们希望这种统一的网络能够满足IoT系统的需求，包括节能、低延时、可靠性和安全。

所有这些工程师们都有他们自己的期望。对于每一种要求，我们可以从找到5G必须实现的特殊技术里程碑开始。

让我看电影

如果5G能够实现服务提供商在4G上所承诺的，很多用户都会非常高兴：在热点之间都具有类似Wi-Fi的带宽。这些家伙们就是希望观看足球决赛，或者在“冰雪奇缘”第2,314次开演之前把孩子们塞进车里去。某些应用供应商也同样垂涎于这么大的带宽，能够为贪婪的客户们提供基于位置的视频或者增强现实。服务提供商则憧憬着能够挽回在WiFi上损失的投入，甚至切断家里的电缆或者DSL连接。

但是要实现如此高的带宽，特别是在人口稠密的大都市市场上，就应该突破传统的无线技术。如果您希望为端点提供更连续的Mbps，那么您有两种选择——更宽的信道，或者更多的信道。所有这些选择都指向5G。

宽信道

为实现更宽的信道，您面临两种基本选择。您可以采用更智能、更强有力的编码方案，进一步压缩数据，或者给每一个通道提供更大的带宽。至少从原理上，您还可以让帧更长一些，降低开销，从而提高流数据的效率。这些选择都会对整个网络产生影响。

Altera®无线应用专家Richard Maiden建议说，可以实现功能更强大的波形和编码方案，但是可能无法应用于现有的频带内。他提醒说，“我们还没有弄清楚基带算法。现在，看起来直到2.5 GHz波段，波形都没有变化。在2.5和10 GHz之间，波形会有些变化以提高频谱效率。对于更宽的信道，由于采用了预分配频谱，因此，这在2.5 GHz以下不太可能实现。在2.5和6 GHz之间，没有严格的牌照，因此可以部署100-200 MHz量级的通道。在这一点，28和60GHz之间的新带宽仍然是一张白纸，可以在这里实现非常宽的通道。”

正如Maiden所建议的，这些新的高频带宽带来了更多的利好——每一通道的带宽更高(图1)。但这也是有成本的。新带宽需要更多的RF电路和天线。基带数据转换器要求更高的采样率，甚至更高的分辨率，特别是发送器需要采用数字预失真的情况。基带单元要求采用更宽的快速傅里叶变换，而且延时更低。

（图 1.6 GHz以上会有很多可用带宽，但是每一个都有自己的电路、天线和传播状态。）

还有物理限制。Maiden注意到，“随着频率的提高，RF传播特性会变差。”在60 GHz，RF甚至不能很好的穿透潮湿的空气，更不用说穿过墙壁了。Maiden总结到，“高频的宽信道将是短信道。为充分应用60 GHz，您需要大量的短信道。”

更多的信道

进一步提高端点带宽的一种其他可选方法是聚合多个通道，几个通道并行为用户提供数据包。实际上，LTE-A已经支持载波聚合了。而5G会进一步延伸这一概念，支持聚合来自不同带宽甚至不同类型设备的载波——例如，一个小区的几个通道与来自一个小区塔的一个通道以及一个WiFi连接相组合。所有这些概念都可以应用于目前的LTE-A，但是并没有得到广泛应用。

带宽聚合带来了两类挑战。首先也是最明显的，网络和端点都要求能够处理所涉及的数据速率。不论是基带还是应用处理器，目前的手持式体系结构还不能够处理10 Gbps。相应的，手持式设备提供商需要开发下一代设备才能满足网络需求。

对于基站，情形更具有挑战性。要通过大量的数据，分流到多个信道上，必须能够被手持设备接收到，同时还要保持数据包正确的顺序。还有大量的网络管理问题。手持式设备的数据流可能会被分流到一个或者多个宏小区塔和多个小区之间。小区会工作在毫米波段，连接至移动手持设备——更不用说车辆了，这可能非常不稳定，为应对快速漂移的通道特性，需要进行连接频率重构。

MIMO

由于情形越来越复杂，多个小区基站通过多个频段向一个设备输出信号，因此，高阶多输入/多输出(MIMO)天线越来越受关注了。基站可以使用大规模MIMO天线阵列，在每一个端点形成窄波束。端点设备可以使用更适中的阵列对波束聚束，提高自己的接收灵敏度和发送功率(图2)。采用MIMO聚束，能够降低发送功率，仍然得到较好的通道特性。但是聚束需要极大的提高基带处理容量，以便实现矩阵算法，用于计算天线单元之间的相差。

（图 2.大规模MIMO小区基站能够将窄波束聚焦于某一客户端，而手持式设备上更简单的MIMO阵列实现了一定的方向选择性。）

空间密度

聚合和MIMO不仅解决了带宽问题，而且还有另一个关键问题——能够为某一空间提供更多的Gbps，例如，郊区附近或者办公大楼的一层。但是随着密度的提高，也带来了另一问题。Maiden观察到，“看起来很容易在一个地方塞进去很多小区。但并不总是会有所改进。大部分网络受限于干扰。”随着小区密度的提高，使其相互之间不干扰，以及与宏网络之间不干扰成为关键的网络管理问题。通道分配和聚束是关键工具。

Maiden提醒说：“但是聚束需要跟踪。”网络不得不跟踪用户的物理位置以及小区的坐标。否则，会有太多的切换事件，新基站在聚焦并瞄准一条波速之前就有可能丢失其新客户。

明确的是，网络中会有很多跟踪、监视、分配和优化事件。但是在哪里?有人主张完全中心化(图3)——虚拟化所有基带处理，将其以及控制平面代码和应用程序迁移到大规模数据中心，在射频前端和数据中心之间通过专用光缆来回传送数字化波形。这称之为集中式射频接入网(C-RAN)。

（图 3.C-RAN把基站电子设备放到小区之外，将其集中放置到大规模数据中心，在数据中心和塔之间来回传送数字化基带波形）

而另一种极端的想法是把对等网络看成是靠近天线放置的智能基带直接彼此相互通信来管理网络，只使用中心设备进行后台服务处理，例如计费。这种概念可以一直扩展，支持端点进行点对点直接连接，实际上把每个人的手持式设备转换成一个微小区基站。当然，在这两个极端的想法之间还有很多其他选择。

确定选择某种拓扑的一个因素是前传网络——在基带和射频之间获得数据。理想情况下，这可以采用城域以太网来实现，使用了IEEE 1904等标准通过以太网对射频波形进行数字化处理。但是，数据速率会非常大。

Maiden说：“目前20 MHz基带的一个4×4 MIMO射频前端要求5 Gbps的通用公共射频接口(CPRI)。如果您有128个发送或者接收天线，那就跳到了160 Gbps。”随着大规模MIMO和当今城域网的发展，纯粹的C-RAN可能是不切实际的。

更小的小区会面临很简单的问题。随着基带硬件的集成，以及相对较低的吞吐量，可以通过任何介质来安排它们自己的传送，例如本地WiFi或者小区塔连接。在纯粹的对等网络中，这一问题并没有实际意义，因为每一个节点实际上通过其临近节点连回到网络中。

这类网络技术看起来似乎可行。在端点并没有什么新东西。对于军事雷达设计人员而言，即使是宏小区塔的大规模MIMO也习以为常。最大的未知在于怎样在严格的功率预算范围内完成所有的基带计算——要求基站网络能耗降低90%。仅仅提高半导体工艺还不够，即使是最仔细的ASIC设计。

网络管理

另一个最大的未知是网络管理。由于网络越来越复杂，宏小区塔、小区、用户自己安装的微小区、WiFi集线器，可能还有点对点连接等等交织在一起，管理成为非常有趣的问题。目标是所有用户都能够按需获得自己的全10 Gbps带宽，而且几乎感觉不到延时。现实是，网络基本上完全不同于目前的4G拓扑。在5G，几乎是随机而不是按照地理模式来安排节点。不同的节点会支持不同的频带组合，会有不同级别的聚束能力。一个通道内的传播特性会受到季节、天气、一天中的时间以及打开一扇门或者在天线前面走动等不可预测事件的影响。当然，很多用户都是在不断移动;而最关键的是，例如汽车，移动的非常快。成功的连接管理和优化算法仍然还在演示阶段，不论是集中式的还是分布式控制。

进入IoT

目前为止，我们假设了5G用户与4G用户非常相似——他们在自己的设备上运行应用程序，观看从可爱的猫咪剪辑到故事片等流视频，交换照片和文本，还可能会打一些电话等等。而还有非常不同的另一类充满期望的用户——IoT开发人员，他们对5G承诺的泛在性和带宽望眼欲穿。

在很多情况下，IoT的最后几条链路——在互联网连接和汇集集线器之间，在集线器和传感器或者致动器之间，其实际需求将是无线。因此，使用已有无线网络的动机非常明显。但是为满足他们的需求，IoT开发人员希望电信提供商的5G规划能够覆盖一些完全不同的需求。

首先，与带宽相比，IoT开发人员更关心延时。如果您设计的控制系统中，简单的传感器和致动器相结合来控制云端的算法，网络往返延时会非常重要——这是系统性能的一个参数。有人认为上限是1ms。还有延时也是某些重要的非IoT应用的关键所在，包括，互联车辆和增强现实显示等。

其次，IoT开发人员通常对能耗有很高的要求——不是网络，而是端点的。他们希望有低速、占空比极低的模式，支持设备使用5G网络，但是仍然有10年的电池使用寿命，或者通过能源收集来维持设备工作。

第三，在几次灾难后，IoT会要求一定的连接可靠性和数据安全性，这对于目前的蜂窝网络而言完全是陌生的。现在不会有人在意政府组织是否会偷窃您的猫咪的视频。大部分用户甚至不会评估他们的隐私是否值得安装加密应用程序，尽管他们有时候对自己的设备爱不释手。但是很多人会在意一次IoT攻击是否会切断纽约的电力。

所有这三类IoT特有的需求都具有挑战性，不是它们本身，而是由于这对于蜂窝网络而言是全新的。目前的4G最重视维持连接，以最小延时实现了某些令牌带宽。服务提供商会牺牲延时以提高利用率，即使是用户打算转换供应商。但是对于IoT用户，网络要管理多种多样的服务质量要求，要处理在更多、更小的异构小区之间切换的问题。

能耗同样也是问题。目前的网络基于小区基站和端点之间的连续侧边通道信号，监视状态，跟踪附近的位置，测量通道参数。对于突然出现的端点，要求以很小的开销发送短的突发数据，然后再次消失，从突发到响应的延时只有1ms，这种协议无法满足这些要求。对于可靠性和安全，这些需求会把蜂窝网络带入到完全不熟悉的领域中。

面临的挑战很清晰。电信企业、运营公司以及设备提供商急于确定问题所在，进行研究，开始产品开发。希望这些能够在分阶段实施过程中逐渐融合，首先从LTE-A中即将出现的功能实现开始，例如载波聚合。此后，业界会继续实现更多的特性。未来还非常不确定，充满了巨大的风险。但是您可以确信在2020年结束时空中会出现一些新东西——某些可以被称之为5G的服务。任务完成。