為何需要5G網(wǎng)絡(luò)_5G將如何解決“帶寬/容量”危機？

什么是5G網(wǎng)絡(luò)？5G網(wǎng)絡(luò)（第5代移動網(wǎng)絡(luò)）指的是第五代行動通訊技術(shù)，5G研究的主要動力就是通過帶寬增加來提升網(wǎng)絡(luò)容量，避免容量不足。盡管目前的4G網(wǎng)絡(luò)搭載了最新的技術(shù)，并且可提供更迅速的資料存取效能，不過沒人 知道LTE和LTE-A之后會怎么樣。而5G的目標(biāo)就是針對每名使用者提供10 Gb / s（超過4G的1，000倍）范圍的尖峰資料速度。

一般來說，在良好的環(huán)境條件下， 使用者可以透過最高速的網(wǎng)路在40分鐘內(nèi)下載一部HD影片。有了5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，只需幾秒鐘即可完成下載。可以說，5G將會影響各行各業(yè)以及日常生活的各個 方面，本技術(shù)將會以問答形式一一為您解釋多個與5G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的概念。

什么是5G，我們?yōu)楹涡枰?G？

手機問世多年以來，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，比如高級移動電話服務(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，但無線數(shù)據(jù)傳輸容量非常有限。那時使用2G移動設(shè)備來瀏覽網(wǎng)頁仍非常受限。無線數(shù)據(jù)主要用來發(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。不過，與大多數(shù)消費者用作比較基準(zhǔn)的WiFi或無線局域網(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，使得無線數(shù)據(jù)消費者目前擁有了一項在用戶體驗方面可以匹敵WiFi的通信技術(shù)。

表面來看，隨著LTE的發(fā)展，未來無線數(shù)據(jù)傳輸容量似乎可以在用戶體驗方面與WiFi平起平坐，至少從表面上降低或減輕了對大幅提高帶寬的需求。然而，隨著智能手機、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。實際上，行業(yè)分析師預(yù)測2014年的無線數(shù)據(jù)需求量將會超過2009年的35倍以上（見圖1），并且這種增速會一直持續(xù)。容量實際上是帶寬的函數(shù)。單位時間傳輸?shù)谋忍卦蕉啵驮侥芨斓蒯尫蓬l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研究的主要動力就是通過帶寬增加來提升網(wǎng)絡(luò)容量，避免容量不足。

圖1 移動數(shù)據(jù)流量的行業(yè)預(yù)測（來源：《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者的需求？

考慮到無線用戶對數(shù)據(jù)的消費速率，一個讓整個行業(yè)真正擔(dān)心的問題是，如果沒有重大的技術(shù)升級，不久的將來網(wǎng)絡(luò)容量就會變得非常受限。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，在過去10到15年的時間里，全球移動運營商已將通信容量提升了20倍。而與此同時，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。實際上，無線基礎(chǔ)設(shè)施公司及3GPP標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的其他成員提出了一項挑戰(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？

首先，關(guān)于5G的討論已有很多——5G將會是什么，又將不會是什么。我們都知道5G將會比如今的4G以及最終的LTE-Advanced（有時又被稱為4.5G）速度都要快許多。真正的問題是，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)绾尾拍軐崿F(xiàn)更快的性能和更高的容量。3GPP標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)正在組建研究小組探討下一代無線問題，希望能在明年初有所解決。目前的共識是，沒有什么“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)來支持潛在5G標(biāo)準(zhǔn)？

當(dāng)今人們正在研究用來提高頻譜效率、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、中繼及多點協(xié)調(diào)等。這些研究的根本動機是通過增加密度降低每個基站負(fù)載，而這相應(yīng)地又會提升較小地理區(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，同時利用智能技術(shù)（如多點協(xié)調(diào)、波束成形等）進(jìn)一步提升利用率。歸根究底，通過基站級網(wǎng)絡(luò)信息共享，每個用戶的負(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是，LTE技術(shù)推出的同時也引入了新的頻譜。譬如，美國聯(lián)邦政府對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。

對于5G而言，答案并不那么簡單。除非行業(yè)、政府和相關(guān)頻譜規(guī)范機構(gòu)可以對何時及如何再分配頻譜達(dá)成一致，否則6GHz以下根本就沒有頻譜可用。再分配頻譜并不是一件容易的事，因為許多服務(wù)運營商為得到在用頻譜已經(jīng)支付了數(shù)十億美元，變革絕非那么廉價易成。

特別值得一提的是紐約大學(xué)無線研究中心的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——這是一個非常有挑戰(zhàn)性的測試環(huán)境。測量結(jié)果表明，這些頻率都有可能進(jìn)行無線戶外通信，但是讓通信變得切實可行還需要大量投資。

28 GHz對于mmWave E-Band而言會是一項挑戰(zhàn)性的設(shè)計任務(wù)嗎？

無論選擇哪種技術(shù)都不能簡單輕松地解決無線數(shù)據(jù)危機。通信行業(yè)必須打破傳統(tǒng)思維，包括設(shè)計流程在內(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，不過目前仍要做很多工作。從本質(zhì)上來說，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)計和天線技術(shù)、波束成形、物理層設(shè)計甚至新協(xié)議的研究創(chuàng)造機會。

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)仍然會受限于Shannon理論：通信信道會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)計方法，能詳細(xì)介紹一下嗎？

通常一個典型的“設(shè)計”方法是要先提出一個想法、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在設(shè)計和模擬階段反復(fù)進(jìn)行試驗。如果理論上存在根本性問題，就要返工重做。因此，在計劃原型開發(fā)之前通常就會有大量的仿真工作。與傳統(tǒng)方法一樣，從概念、仿真到原型需要耗費很長的時間和眾多的資源。換言之，整個過程耗資巨大。設(shè)計過程中最重要的目標(biāo)是盡早交付可工作原型，這樣才能在設(shè)計初期將真實狀況和系統(tǒng)問題考慮在內(nèi)。

目前大部分的仿真主要使用加性高斯白噪聲（AWGN）來建立信道模型。而網(wǎng)絡(luò)運營商將會告訴你，這并不是真實的情況——這或許是一個好的開始，但卻不太現(xiàn)實。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)實狀況。系統(tǒng)工程師和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員還必須考慮開發(fā)一個具有高性價比和低功耗（以延長電池壽命）的平臺上來部署新算法/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，NI一直與無線研究人員合作開展RF/Communications Lead User項目。通過該項目，NI已經(jīng)與紐約大學(xué)無線研究中心的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)計方法。

我們已經(jīng)探討過Rappaport博士對mmWave的研究，而Fettweis 博士對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博士僅花了數(shù)月時間就完成從仿真到原型等過程。

Lead User項目是由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)計思維。過去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、仿真到原型的研究工具卻并沒有得到真正的發(fā)展。NI致力于通過圖形系統(tǒng)設(shè)計方法來加快從設(shè)計到仿真再到原型的過程。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，而不需要花幾個月甚至幾年的時間來將不同的工具和技術(shù)整合到一個可工作原型中。

通過RF/Communications Lead User項目，我們還與一些商業(yè)公司的一流研究人員合作，但鑒于這些是機密信息，請恕我不能隨意披露。然而，我可以說在5G方面，NI的工具和技術(shù)將會帶來一些激動人心的成果，您可以拭目以待。

James Kimery 目前擔(dān)任NI射頻、通信和軟件無線電（SDR）市場總監(jiān)，主要負(fù)責(zé)公司的通信系統(tǒng)設(shè)計和SDR策略。他還負(fù)責(zé)管理NI RF/Communications Lead User項目中的高級研發(fā)工作。加入NI之前，Kimery曾任Silicon Laboratories無線通信部的市場主管（Silicon Laboratories被ST-Ericsson收購）。在Kimery任職主管期間，無線通信部門的收入從5 百萬美元躍至2.5億美元。該部門還開發(fā)了多種創(chuàng)新產(chǎn)品，如首個用于蜂窩通信的CMOS射頻集成合成器和收發(fā)器、首個數(shù)控晶體振蕩器以及首個單片機集成電話（AeroFONE）AeroFONE被IEEE評為最具創(chuàng)新性的40個集成電路產(chǎn)品之一。加入Silicon Labs之前，Kimery曾在NI工作過，成功地負(fù)責(zé)過多個項目，包括PXI平臺概念的提出及實現(xiàn)。Kimery還是VXIplug&play系統(tǒng)聯(lián)盟、虛擬儀器軟件體系架構(gòu)（VISA）工作組以及PXI系統(tǒng)聯(lián)盟的創(chuàng)始成員。他發(fā)表了超過26篇的技術(shù)論文和文章，覆蓋了無線、測試和測量方面的各種主題。他擁有德州農(nóng)工大學(xué)的電器工程學(xué)士學(xué)位以及奧斯丁德克薩斯大學(xué)的工商管理碩士學(xué)位。