5G的非凡潛力以及面臨的艱巨挑戰(zhàn)

即使您并不熟悉無線技術(shù)，想必也一定聽說過5G。在早些時(shí)候舉辦的世界移動(dòng)通信大會(huì)上，5G順理成章地成為了最重要議題之一，各大電視廣播公司以及不計(jì)其數(shù)的主流網(wǎng)絡(luò)和紙媒也紛紛報(bào)道了有關(guān)5G的話題，盛況宛若當(dāng)年4G (LTE) 行將到來之際。然而，5G至少還需要五年才能普及，為何它現(xiàn)在就能如此博人眼球？

LTE-A地位幾何？

在5G的耀眼光芒下，增強(qiáng)型長期演進(jìn)技術(shù)（LTE-Advanced，簡(jiǎn)稱LTE-A或4G+）雖然依舊在部署，卻已經(jīng)遠(yuǎn)不如業(yè)內(nèi)典型技術(shù)那樣叫好又叫座。在3G向4G轉(zhuǎn)變期間，3.5G實(shí)現(xiàn)了可接受的數(shù)據(jù)速率，彌合了兩代技術(shù)之間的差距。與之類似，LTE-A也可以視為介于LTE和5G之間的4.5G技術(shù)，它可以提高理論數(shù)據(jù)速率和頻譜效率、處理更高的并發(fā)用戶流量、在蜂窩站點(diǎn)覆蓋區(qū)域的邊緣實(shí)現(xiàn)更高的性能，并在其他各方面鋪平通往5G的道路。它還引入了載波聚合、多輸入多輸出 (MIMO) 和中繼節(jié)點(diǎn)技術(shù)，其中載波聚合是指將多個(gè)載波（信道）組合到一起實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，這些載波可位于相鄰乃至完全不同的頻率上。

至于MIMO，如果您有一臺(tái)帶多根天線的IEEE 802.n或IEEE 802.11ac Wi-Fi路由器，很可能就已經(jīng)對(duì)它略知一二。這類產(chǎn)品通過多根天線來發(fā)送和接收兩個(gè)或更多個(gè)數(shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)速率，這就是被稱為“空間復(fù)用”的技術(shù)。載波聚合和MIMO在LTE階段就已經(jīng)起步，但在LTE-A中得到了增強(qiáng)，因而后者能夠更充分地利用所謂的“小蜂窩”，這是一種遍布網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)各個(gè)角落的小型基站。2015年8月，SK Telecom在韓國啟用了第一個(gè)LTE-A網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)該技術(shù)也在美國得到了部署。蘋果最新一代的iPhone手機(jī)、大多數(shù)三星智能手機(jī)，以及多款來自于LG、微軟/諾基亞、摩托羅拉（已被聯(lián)想收購）、華為和黑莓的智能手機(jī)產(chǎn)品都搭載了LTE-A。日后，我們要逐漸習(xí)慣5G被稱為“IMT-2020”，因?yàn)檫@是國際電信聯(lián)盟 (ITU) 確定的正式名稱，該國際組織是聯(lián)合國負(fù)責(zé)監(jiān)督和協(xié)調(diào)全球通信的機(jī)構(gòu)。不過，大多數(shù)人依然稱之為5G。

前途無量，更需淡定

如今，全球5G營銷開展得如火如荼，在技術(shù)進(jìn)步的加持下，“萬物互聯(lián)”似乎指日可待。但話說回來，我們真的能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的承諾嗎？當(dāng)今媒體炒作之下的整個(gè)5G夢(mèng)，其實(shí)是值得懷疑的，畢竟最終成果不可能逃脫物理定律的限制，況且5G試圖達(dá)成的大多數(shù)目標(biāo)都必須建立在更大范圍科學(xué)研究的基礎(chǔ)上，這才是某些目標(biāo)真正的成敗關(guān)鍵。

當(dāng)然，5G絕不僅僅是上傳和下載速度的“又一次”提升 - 按照英特爾的說法，5G是“一個(gè)端到端的生態(tài)系統(tǒng)，能夠讓完全移動(dòng)和互聯(lián)的社會(huì)成為現(xiàn)實(shí)”。它依賴于許可頻譜和免許可頻譜、模塊化設(shè)計(jì)、基于云的軟件定義網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)分配的資源，這將促使人們?cè)诤艽蟪潭壬细淖儫o線網(wǎng)絡(luò)的搭建編排方式和運(yùn)行頻率，顯著降低延遲（數(shù)據(jù)在用戶與其通信對(duì)象之間的往返時(shí)間），并且讓更多類型的設(shè)備可以連接到這些網(wǎng)絡(luò)。

除此以外，最低理論數(shù)據(jù)速率提高到10 Gb/秒（圖2）、每單位面積帶寬提高1000倍、同時(shí)連接的設(shè)備數(shù)量增加10到100倍、網(wǎng)絡(luò)年耗電量降低90%以及讓微型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以連續(xù)10年正常運(yùn)作而無需充電或更換電池，這些也都是5G需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。雖然理論數(shù)據(jù)速率可達(dá)10 Gb/秒，但實(shí)際應(yīng)用中會(huì)顯著低于這一水平，可就算“只能”實(shí)現(xiàn)500 Mb/秒的數(shù)據(jù)速率，也已經(jīng)達(dá)到了至少十倍于當(dāng)今絕大多數(shù)用戶體驗(yàn)需求的水平，也比常規(guī)的家庭寬帶更快。

圖2：從3.5G到5G的理論數(shù)據(jù)速率（資料來源： GSMA Intelligence）

5G如此誘人的前景，預(yù)示著它能夠在娛樂內(nèi)容、寬帶交付以及諸如完全基于云的企業(yè)計(jì)算環(huán)境等各類應(yīng)用上與電纜和光纖網(wǎng)絡(luò)展開競(jìng)爭(zhēng)。在5G生態(tài)內(nèi)部，這樣的前景意味著需要為數(shù)十億的機(jī)器對(duì)機(jī)器（即物聯(lián)網(wǎng)）設(shè)備提供電力和通信，分析師認(rèn)為這些設(shè)備將在2020年投入運(yùn)行，這恰巧與5G可能開始部署的時(shí)間吻合。

實(shí)際上，5G的大部分所謂獨(dú)特之處都可以通過現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，排除掉它們之后，余下的兩種才是真正的5G獨(dú)有特性，分別是極低延遲和超過1 Gb/秒的數(shù)據(jù)速率，而極低延遲無疑是其中最困難的技術(shù)挑戰(zhàn)：如果無法將延遲降到1毫秒之內(nèi)，便意味著某些功能無法實(shí)現(xiàn)，這些功能最終將會(huì)從標(biāo)準(zhǔn)中排除。

瞬時(shí)響應(yīng)是王道

對(duì)于大多數(shù)人而言，延遲并不那么重要，因?yàn)樗粫?huì)影響我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上的日?；顒?dòng)，比如瀏覽網(wǎng)頁、觀看視頻、收發(fā)電子郵件和“偶爾”打打游戲等。但對(duì)于“電競(jìng)”級(jí)別的游戲玩家而言，延遲就是一個(gè)重要問題。圖3是一份來自GSMA的圖表，清晰標(biāo)示了各種應(yīng)用與數(shù)據(jù)速率和延遲的關(guān)系。LTE的最低延遲只能達(dá)到約10毫秒的水平，（理論上）只能涵蓋圖中白色區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用。許多新興應(yīng)用如自動(dòng)駕駛汽車、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及觸覺互聯(lián)網(wǎng)（Tactile Internet）都不在這個(gè)范圍內(nèi)。

圖3：至少從理論上而言，圖中所有位于白色區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用都可以通過現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)來承載。唯一的例外可能是多人視頻會(huì)話和基于云的無線辦公。要在5G中實(shí)現(xiàn)灰色區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用，除了要有足夠快的網(wǎng)絡(luò)之外，最重要的決定性因素就是要實(shí)現(xiàn)不大于1毫秒的端到端延遲。（資料來源：GSMA）

如果您從沒聽說過“觸覺互聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)概念，也沒什么，因?yàn)榫湍壳翱蓪?shí)現(xiàn)的1毫秒內(nèi)超低延遲水平而言，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)延遲的要求極為苛刻，從實(shí)用角度來看依然是無法實(shí)現(xiàn)的。如果要在工業(yè)、機(jī)器人與遙現(xiàn)（telepresence）、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療保健、交通安全和電競(jìng)等領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)精確的人機(jī)交互和機(jī)器對(duì)機(jī)器交互，就需要采用觸覺互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

將往返延遲降到1毫秒以內(nèi)是5G最重要的基本原則之一，對(duì)于某些應(yīng)用領(lǐng)域而言是決定性的問題，因?yàn)閺乃鼈兊男枨髞砜?，近乎瞬時(shí)的響應(yīng)絕非錦上添花，而是不可或缺。例如，任何將安全視為頭等大事的應(yīng)用都需要這樣的能力，最顯著的例子莫過于汽車自動(dòng)駕駛，但在醫(yī)療、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及某些機(jī)器對(duì)機(jī)器交互的領(lǐng)域中也存在具有這種需求的應(yīng)用。

各種應(yīng)用對(duì)延遲的要求取決于人們的反應(yīng)能力。也就是說，這些應(yīng)用的延遲必須達(dá)到或超過人類的反應(yīng)速度。例如，當(dāng)一個(gè)人對(duì)無法預(yù)料的突發(fā)事件作出反應(yīng)時(shí)，從感覺到這個(gè)事件直至作出反應(yīng)，其時(shí)間差大約是1秒。要在瀏覽網(wǎng)頁時(shí)做到即時(shí)響應(yīng)的體驗(yàn)，單擊鏈接后的加載時(shí)間就要是幾百毫秒的水平。如果我們對(duì)一件事已預(yù)先有準(zhǔn)備，反應(yīng)時(shí)間更會(huì)快至約100毫秒?，F(xiàn)代語音通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上旨在確保能夠在用戶反應(yīng)時(shí)間內(nèi)傳輸語音數(shù)據(jù)，如果無法達(dá)到這一要求，那會(huì)是一件十分惱人的事情。人類的視覺反應(yīng)時(shí)間大約是10毫秒，根據(jù)這個(gè)時(shí)間設(shè)置畫面刷新率可以獲得良好的視頻體驗(yàn)，而現(xiàn)代電視機(jī)的圖像刷新率至少能達(dá)到100 Hz，正相當(dāng)于最大延遲10毫秒的水平。

然而，在我們期待獲得快速響應(yīng)的情況下，比如在電競(jìng)過程中控制一個(gè)視覺場(chǎng)景，我們預(yù)期發(fā)出的命令能夠迅速得到響應(yīng)，甚至戴著虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡時(shí)，我們都想顯示器的反應(yīng)時(shí)間低過1毫秒以獲得最好的體驗(yàn)。無論信號(hào)處理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在2020年之前做出多大的進(jìn)步，低于1毫秒的延遲都是極難實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)單來說就是，信號(hào)在各種介質(zhì)中的傳輸速度是由物理定律決定的，但網(wǎng)絡(luò)中還存在各種各樣的瓶頸問題。從實(shí)踐角度而言，這恐怕意味著近似1毫秒的延遲基準(zhǔn)只有在輸出和顯示裝置之間距離“非常短”的情況下才可能實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)相關(guān)研究，這個(gè)“非常短”的距離不到一英里，就現(xiàn)在的無線基礎(chǔ)設(shè)施而言很難實(shí)現(xiàn)，這需要設(shè)立數(shù)量巨大的小型基站?；蛟S規(guī)定各家運(yùn)營商共同使用同一套網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，讓所有用戶都可以通過相同的無線電系統(tǒng)來訪問需提供的內(nèi)容源可以實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，但這種做法顯然要解決互相競(jìng)爭(zhēng)的運(yùn)營商之間的利益問題。如果無法實(shí)現(xiàn)1毫秒以內(nèi)的延遲，那么諸如汽車自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)和其他所有需要瞬時(shí)響應(yīng)的應(yīng)用都從何談起呢？就目前而言，這仍是一個(gè)無解的問題，除非可以在非常短的傳輸距離上實(shí)現(xiàn)出色的傳輸效果。請(qǐng)記住，無線傳輸?shù)乃俾士梢员裙饫w快。所以在要求“瞬時(shí)”響應(yīng)的證券行業(yè)中，廣泛部署點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波鏈路并以此來傳輸數(shù)據(jù)是有實(shí)際理由的。所以希望還在，不要放棄。

上下求索為帶寬

無線運(yùn)營商迫切需要成長的空間，而5G帶來的重大進(jìn)步無疑為他們打開了一扇門，畢竟從700 MHz到大約2.6 GHz之間的頻譜資源極為有限，各類網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)瓜分殆盡。但是，令人頭疼的問題總出現(xiàn)在細(xì)節(jié)中，雖然5G開放的高頻資源鮮有他人占據(jù)，也因此帶來了更強(qiáng)的擴(kuò)展能力，但受限于這些頻率自身的特性，它們并不太適用于諸如蜂窩系統(tǒng)之類的廣域網(wǎng)絡(luò)，主要原因在于這些頻率的信號(hào)傳播特性與低頻率存在顯著區(qū)別。實(shí)際應(yīng)用中，在較高頻率上運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)需要投入更高的成本，因?yàn)樾盘?hào)傳輸距離短，需要安裝更多基礎(chǔ)設(shè)施，而這些設(shè)備的構(gòu)建費(fèi)用是非常昂貴的。有鑒于此，5G系統(tǒng)很可能會(huì)率先在6 GHz左右的頻率上部署，并在該頻率兩側(cè)的頻譜飽和后逐漸向更高頻率進(jìn)軍，最終進(jìn)入到毫米波范圍內(nèi)。然而在這樣的頻率下實(shí)現(xiàn)合理距離的可靠通信將會(huì)是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，至少一定會(huì)用上新的收發(fā)器、天線和其他各種昂貴的硬件設(shè)備，并部署諸如大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出Multi-input Multi-output ）和波束成形等技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量服務(wù)，并確保在任何操作場(chǎng)景下都具備99.999%的可靠性。

針對(duì)在毫米波頻率范圍內(nèi)進(jìn)行通信所面臨的挑戰(zhàn)，三星的工程師開展了一系列的研究，并在該公司提交給美國聯(lián)邦通信委員會(huì)的一份報(bào)告中發(fā)布了相關(guān)成果，證實(shí)了采用這些頻率進(jìn)行通信的可行性。然而這些成果是在視距傳輸路徑下測(cè)得的，況且即便在如此理想的條件下，建筑內(nèi)部的障礙和穿透依然會(huì)帶來難以解決的問題。不過，這些測(cè)試的目的在于建立起概念驗(yàn)證，并證明這些頻率用于通信的可行性。當(dāng)真的需要用到它們時(shí)，也許很多困難都已經(jīng)克服了。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開新篇

設(shè)計(jì)開放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是5G的一項(xiàng)關(guān)鍵要求，因?yàn)楝F(xiàn)有的這些架構(gòu)不是使用5 G專用硬件構(gòu)建的。此類硬件無法在需要擴(kuò)展時(shí)主動(dòng)適應(yīng)，而且有維護(hù)困難和價(jià)格昂貴兩大缺點(diǎn)。新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NFV) 和軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN) 等技術(shù)進(jìn)行部署。NFV可以有效地將功能轉(zhuǎn)移到云中，這些功能以前由本地硬件執(zhí)行，而SDN通過將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高度可編程。SDN可以動(dòng)態(tài)優(yōu)化服務(wù)交付方式，這是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無法充分實(shí)現(xiàn)的。

與許多其他行業(yè)一樣，廣泛使用開源方法是成功的關(guān)鍵，它讓所有開發(fā)人員和解決方案供應(yīng)商都能夠以統(tǒng)一的方式實(shí)施自己的方案，并且成本更低。僅從這一點(diǎn)而言，這種做法就已經(jīng)顯著不同于當(dāng)今的實(shí)踐。我們希望5G能在未來十年內(nèi)盡快投用，為此顯然還有大量工作需要完成。但是，從長遠(yuǎn)來看，這種做法會(huì)帶來巨大的正面影響，它將會(huì)終結(jié)無線行業(yè)所謂的“煙囪系統(tǒng)”（系統(tǒng)內(nèi)的信息孤島）做法。

九層之臺(tái)，起于累土

對(duì)于5G事業(yè)而言，本文提到的這些挑戰(zhàn)僅僅只是冰山一角。在5G得以實(shí)現(xiàn)之前，所有必須完成的研究和開發(fā)工作都絕非易事，但這些工作成果意義非凡，它們將為未來的進(jìn)步鋪平道路，而這些進(jìn)步將催生出更多我們未曾想象過的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷