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5G:能听到我的呼唤吗?

第一个 5G 芯片已经发布,5G 网络现场试验正在进行中。也许,下一代“一切无线化”技术已经准备就绪。

然而,好事多磨,现在标准团队仍在忙于解决一些重要的技术问题。网络开发工作中仍有一些重要问题尚未确定,比如采用小蜂窝还是大蜂窝,智能基站还是简化基站,集中式计算还是分布式计算等。第一个“真正”的 5G 网络可能到 2021 年才会上线。那么我们目前的进展如何呢?

这个问题不太好回答,因为关于 5G 的真正含义,有好几个合理但完全不同的理解(图 1)。对于大多数蜂窝服务用户来说,5G 一词的含义是显而易见的:就像 3G 或 4G 一样,5G 将是服务的进一步改进。手机将提供更加一致的服务和更引人入胜的媒体体验(如 4K UHD 视频),以及难以察觉的延迟。但是,如果你问网络运营商、汽车工程师或电力工程师什么是 5G,您可能会得到非常不同的答案。

1.5G 可能会分为几个相对独立的阶段进行部署。

其他 5G

更高质量的移动宽带是一个易于理解的简单概念。但对于一些依靠 5G 技术的其他应用而言,情况却并非如此。对于非技术用户来说,这些应用中的许多应用似乎与智能手机没有任何关系。

其中一款应用就是固定宽带:在基站和一组不移动的远程终端之间建立宽带无线链路。这可能看起来非常没有意义,因为电缆连接和电信公司数字用户线路已经起到了这个作用。但固定无线网络之所以至关重要,有两个原因。第一个显而易见的原因是有大量的潜在用户在发展中国家的城市或人口稀少的农村地区,这些地区仍不具备能够支持宽带的有线连接。当线缆或光纤行不通时,固定无线网络就有用武之地了。

第二个原因在于,固定无线网络让无线网络运营商能够与有线电视公司和电信公司直接竞争现有客户的接入业务。所以,首批固定无线 5G 试验之一将由美国蜂窝网络巨头 Verizon Wireless 进行,这并非巧合。

如果这是 5G,为何不让客户使用其智能手机作为本地无线网络中心?因为基站或中央数据中心知道每个客户在哪里,并且知道他们将保持在原地,移动服务的复杂性会大大降低。您不需要波束跟踪或动态蜂窝切换,或持续协商发射功率。这并不是说信道是静态的,变化的天气、路过的卡车、甚至摇动的树木都可以改变信道特征。但它更加简单。与将 5G 所需的所有计算能力置入手机相比,采用交流电源的盒子是一个更简单的电源管理挑战。英特尔® 5G 业务与技术总经理 Robert Topol 表示:“在早期部署方面,固定无线网络具有优势。

但简单并不意味着不重要。即使经过了简化,固定宽带也将是一个对定义 5G 的新技术进行现场测试的出色平台。这些技术包括新载波频率、载波聚合、新无线电收发机、新信道编码、间隔和前向纠错、大规模多输入多输出 (MIMO) 天线和低延迟帧(图 2)。

2.几个重大技术挑战共同决定了 5G 开发计划。

每项挑战都不可忽视,尽管潜在解决方案都已经准备好进行试验。以频带为例,5G 可以使用低于 6 GHz 的频带和 28 GHz 的频带。这些载波频率远高于除少数 4G LTE 频率之外的所有频率,并且具有支持更多信道的潜力。但随着频率的增加,传播质量将下降。频率为 28 GHz 时,由于光束不能穿透固体,连接几乎仅限于视线范围。并且自由空气衰减会极大地限制视线范围。因此,收发器必须依靠波束成形来选择天线到天线的特定路径,并且蜂窝之间的距离必须更近。

不同于将每个频带内的宽信道专用于处理客户端的最大数据速率,5G 使用的是载波聚合。它可以将数据包分散在几个不同的信道中,可能是具有不同传播特性和天线的不同频带中,以便获得所需的所有带宽。下载速度为 10 Gbps 的 5G 网络中心实际上更像一个以不同频率并行运行的多天线无线电设备集群。

MIMO 天线及其 RF 前端将是此图的重要组成部分。很多用于试验的设计在客户端使用 4×2 单元天线阵列。对于基站而言,天线可能是 64 或 128 单元阵列。这一规模的 MIMO 数学运算很好理解,和信号处理实现一样——只要有充足的计算功率。当然,算法总是有可能出现突破性改进。

同样,5G 信道编码和误差校正也是很好理解的算法。标准提案正在拟定中。Topol 表示,5G 空中接口 15 版预计已足够稳定可启动芯片开发,大概将于 2018 年末开始。

中心还是边缘?

令人惊讶的是,对比空中接口、收发器和基带技术的稳步发展,网络的计算架构这一主要问题却仍处于争论当中。有些人主张几乎完全的集中化,对来自基站收发器的波形进行数字化处理并发送回城市数据中心以进行基带处理和交换。这种集中式无线接入网络 (CRAN) 架构可实现基带处理和回程的虚拟化,它用服务提供商数据中心中的软件替换基站中的专门硬件。

反之,有些人主张将尽可能多的处理尽可能地推向网络边缘,不仅包括基带,还包括分组处理以及一些交换和管理任务。这些主张通常考虑到小型蜂窝在 5G 网络中的预期扩散以及物联网 (IoT) 和机器到机器连接的延迟受限需求。

讨论的结果可能是两种方案的折中。英特尔可编程解决方案事业部接入与无线技术总监 Mike Fitton 表示:“毫无疑问,对演进分组核心 (EPC) 进行虚拟化是有意义的。毕竟,每个数据包必须遍历 EPC 并获得其注意。除了一些推测服务以外,如基于机器学习的深度包检测,软件的现有数据中心中可以实现足够的数据包速度。

但并非每个 5G 任务都能这么迁就。”Fitton 提醒道:“很难在软件中进行所有的第 1 层处理,特别是开始要求更短延迟时。您可能需要在服务器上进行硬件加速。一些低延迟连接可能需要网络边缘处的处理或高速缓存。”

移动性

标准拟定和观点争论都可从固定宽带无线服务的早期部署中获益。在这一工作中积累的知识将可以帮助加速实现 5G 最可见的目标——移动宽带服务。

挑战有很多。移动性既意味着小巧的外形,也意味着积极的电源管理。如果移动设备是豪华轿车,则限制不那么严重。汽车厂商只好接受耗电数十瓦特的电子模块。但如果设备是笔记本电脑或平板电脑,管理调制解调器电源就需要系统芯片设计人员手中的工具了。如果设备是手机,那如今的技术发展水平干脆就达不到了。

手机还有一个问题。5G MIMO 天线将努力保持成型的波束指向其正在使用的基站的天线。如果天线之间的路径碰巧穿过用户的耳朵呢?这些频率对于人类大脑的穿透性很差,而且大多数用户也不希望它们穿透。因此,移动设备在其 MIMO 算法上有一个相当动态的限制:不穿透用户。

这属于一个更大的问题。移动设备是移动的。汽车在城市高速公路上达到 100 公里/小时,穿行在高层建筑物和公路标志之间。行人匆匆离开舒适的咖啡店,沿着树木线人行道进入地铁入口。在 5G 的较高频率上,基站将不得不连续地对每个活动的移动客户端进行波束跟踪,并且当另一个蜂窝具有更好的视线或更多的可用容量时,进行快速切换。这种动态处理必须与多个运营商同时进行。

小型蜂窝的激增加剧了这一挑战。29 GHz 糟糕的传播特征和密集市区对 MIMO 天线严格方向性的需求使得小型蜂窝成为城市和校园环境的必备。加上载波聚合,一个走在城市人行道上观看电影的女孩将被一组小型蜂窝 MIMO 天线指中,所有这些天线相互配合,以确保女孩的手机能够接收到足够的波束,防止转头或走到转角处时电影画面出现卡格。建筑物内部也会有类似的问题,可能需要室内小型蜂窝像如今的无线网络中心一样密集。

路上的情况会有所不同。更长的视线和距离使得传统宏蜂窝成为一款更好的解决方案。Fitton 推测:“我们将在建筑中看到混合使用宏蜂窝、小蜂窝和本地集群。”

物联网

到目前为止,我们已经描述了一种极为异构的网络。我们有微小的房间共享蜂窝、小型蜂窝和宏蜂窝。我们有常规基站、CRAN 和增强的边缘处理。这一切不仅能够共存,还可以无缝互操作。但物联网大幅增加了事物的复杂性。

几乎从一开始,一些物联网拥护者就声称,5G 将提供互联网和事物之间缺少的连接。不过,不同人的看法不一样。有些人只是看到了互联网接入点和物联网中心之间的 5G 宽带链接。有些人认为 5G 直接连接到事物。还有些人提倡通过 5G 网络实现机器对机器链接。

所有这些想法带来了新的要求。任何涉及通过渠道进行交互的物联网连接都需要低延迟。5G 的帧比 LTE 短,因此传输时间间隔 (tti) 更短。这意味着对一些连接的往返延迟有保证。

但后一点与我们讨论的趋势相矛盾,如虚拟化、集中化以及保持移动设备连接所需的敏捷性。针对这一矛盾,我们的答案是网络切片,即在一个物理介质上提供几个完全不同的虚拟网络。大多数专家认为,切片需要软件定义网络以及许多功能的虚拟化。

因此,现在我们可能在同一个空中接口和设备上运行宽带网络、限制数据速率网络和有限延迟虚拟网络。但未来会更好。许多物联网端点(如远程传感器)具有非常低的连接占空比以及极其严格的功率或能量预算。它们设置连接、传输数据块和断开连接的成本是非常高的。因此,我们可能会看到专门的物联网网络,如分层到 5G 网络的 Sigfox——作为一个带网关的单独网络或一个实际切片。

路线图?

这一切什么时候可以实现呢?Fitton 表示:“现在几乎所有人都有试验台。”英特尔和高通宣布今年推出调制解调器芯片组。Verizon 也在今年初开始进行 28 GHz 频段的固定无线现场试验。AT&T、爱立信和英特尔正在进行一项现场试验,使用 15 GHz 和 28 GHz 频段为英特尔办公楼提供一系列宽带服务。如果这些试验进行顺利,在明年推出 Release 15 规范之后的某个时候或至少到 2020 年可能会有大规模的固定无线部署。

全面的移动服务已经越走越远,还有更多的难题等待解答。Fitton 表示:“我们可能在 2021 年看到移动服务。与此同时,许多 5G 技术(载波聚合、大规模 MIMO 以及可能的 5 GHz ISM 频段利用,如今 WiFi就使用该频段)将被利用到 4G LTE 网络上。这将帮助用户在真正的 5G 移动服务问世之前体验 5G 性能和覆盖。它还可为未来的 5G 设备提供备用网络,就像当前的 LTE 设备在需要时可以退回到 3G 网络一样。

所以,我们取得了很大进步,在 2020 年部署 5G 设备的既定目标仍有可能实现,但距离您真正使用 5G 网络还要再等一段时间。

 


CATEGORIES : IoT, 无线电/ AUTHOR : Ron Wilson

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