原創(chuàng)深度：5G的非凡潛力以及實現(xiàn)5G面臨的艱巨挑戰(zhàn)（二）

上一篇文章“5G的非凡潛力以及實現(xiàn)5G面臨的艱巨挑戰(zhàn)（一）”中，我們介紹了有關(guān)LTE-A和5G的內(nèi)容。在本文中，我們將對5G獨有的兩種特性，分別是超低延遲和超過1 Gb/秒的數(shù)據(jù)速率來進(jìn)行詳細(xì)講解。

對于大多數(shù)人而言，延遲并不那么重要，因為它不會影響到我們在網(wǎng)絡(luò)上的日常活動，諸如瀏覽網(wǎng)頁、觀看視頻、收發(fā)電子郵件和“偶爾”打打游戲等。但對于“電競”級別的游戲玩家而言，延遲就是一個重要問題。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)用如自動駕駛汽車、虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實以及觸覺互聯(lián)網(wǎng)（Tactile Internet）都不在這個范圍內(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。要在5G中實現(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現(xiàn)不大于1毫秒的端到端延遲。（來源：GSMA）

如果您從沒聽說過“觸覺互聯(lián)網(wǎng)”這個概念，那也不能怪你，因為就目前可實現(xiàn)的1毫秒內(nèi)超低延遲水平而言，這項技術(shù)對延遲的要求極為苛刻，從實用角度來看依然是無法實現(xiàn)的。如果要在工業(yè)、機(jī)器人與現(xiàn)場遙現(xiàn)（telepresence）、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實、醫(yī)療保健、交通安全和電競等領(lǐng)域中實現(xiàn)精確的人機(jī)交互和機(jī)器對機(jī)器交互，就需要采用觸覺互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

將往返延遲降低到1毫秒以內(nèi)是5G最重要的基本原則之一，對于某些應(yīng)用領(lǐng)域而言是決定性的問題，因為從它們的需求來看，近乎瞬時的響應(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駕駛，但在醫(yī)療、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實以及某些機(jī)器對機(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。當(dāng)一個人對無法預(yù)料的突發(fā)事件作出反應(yīng)時，從感覺到這個事件直至作出反應(yīng)，其時間差大約是1秒。要在瀏覽網(wǎng)頁時做到即時響應(yīng)的體驗，單擊鏈接后的加載時間就要是幾百毫秒的水平。如果我們對一件事已預(yù)先有準(zhǔn)備，反應(yīng)時間更會快至約100毫秒?，F(xiàn)代語音通信系統(tǒng)在設(shè)計上旨在確保能夠在用戶反應(yīng)時間內(nèi)傳輸語音數(shù)據(jù)，如果無法達(dá)到這一要求，那會是一件十分惱人的事情。人類的視覺反應(yīng)時間大約是10毫秒，根據(jù)這個時間設(shè)置畫面刷新率可以獲得良好的視頻體驗，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，比如在電競過程中控制一個視覺場景，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)實時，我們都想顯示器的反應(yīng)時間低過1毫秒以獲得最好的體驗。雖然信號處理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在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現(xiàn)的。簡而言之，信號在各種介質(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”的情況下才可能實現(xiàn)。

根據(jù)相關(guān)研究，這個“非常短”的距離不到一英里，就現(xiàn)在的無線基礎(chǔ)設(shè)施而言很難實現(xiàn)，這需要設(shè)立數(shù)量巨大的小型基站。或許規(guī)定各家運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)容源可以實現(xiàn)這點，但這種做法顯然要解決互相競爭的運營商之間的利益問題。

如果無法實現(xiàn)1毫秒以內(nèi)的延遲，那么諸如汽車自動駕駛、虛擬現(xiàn)實和其他所有需要瞬時響應(yīng)的應(yīng)用都從何談起呢？目前而言，這就是一個無解的問題，除非可以在非常短的傳輸距離上實現(xiàn)出色的傳輸效果。請記住，無線傳輸?shù)乃俾士梢员裙饫w快。所以在要求“瞬時”響應(yīng)的證券行業(yè)中，廣泛部署點對點微波鏈路并以此來傳輸數(shù)據(jù)是實際理由的。

無線運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傳播特性與較低頻率存在顯著區(qū)別。實際應(yīng)用中，在較高頻率上運行的網(wǎng)絡(luò)需要投入更高的成本，因為信號傳輸距離短，需要安裝更多基礎(chǔ)設(shè)施，而這些設(shè)備的構(gòu)建費用是非常昂貴的。有鑒于此，5G系統(tǒng)很可能會率先在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)。然而在這樣的頻率中實現(xiàn)合理距離的可靠通信將會是一項巨大挑戰(zhàn)，至少一定會用上新的收發(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)，以期實現(xiàn)高質(zhì)量服務(wù)，并確保在任何操作場景下都具備99.999%的可靠性。

針對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)邦通信委員會的一份報告中發(fā)布了相關(guān)成果，證實了采用這些頻率進(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帶來難以解決的問題。不過，這些測試的目的在于建立起概念驗證，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，也許很多困難都已經(jīng)克服了。

設(shè)計開放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是5G的一項關(guān)鍵要求，因為現(xiàn)用這些架構(gòu)不是使用5 G專有硬件來構(gòu)建的。此類硬件無法在需要擴(kuò)展時進(jìn)行調(diào)置，而且有維護(hù)困難和價格昂貴兩大缺點。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)平面分離來使網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高度可編程。SDN可以動態(tài)優(yōu)化服務(wù)交付方式，這是現(xiàn)時網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無法充分實現(xiàn)的。

如同在許多其他行業(yè)中一樣，廣泛使用開源方法是成功的關(guān)鍵，它讓所有開發(fā)人員和供應(yīng)商都能夠以統(tǒng)一的方式實施自己的方案，并且成本更低。僅從這一點而言，這種做法就已經(jīng)顯著不同于當(dāng)今的實踐。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，這種做法會帶來巨大的正面影響，它將會終結(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。

對于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)用領(lǐng)域。