5G將連接智慧城市

5G正在成為現實。從下一代革命性無線技術的模糊概念，到一些可望不可即的目標，再到日趨成熟的用例和技術標準，5G目前已具備可實現目標和可實施標準。5G 發展日新月異。在這一過程中，5G展現出與當前蜂窩網絡截然不同的特征。不久的將來，智慧城市中的建筑、移動通訊設備以及自動駕駛車輛等等，都將依賴5G物聯網的連接。

5G的用途是什么？

早先，人們經常討論5G將帶來的量變：Gbps級帶寬、競爭激烈的城市市場中巨大的面密度、出色的能效等。LTE 仍然有其局限性。而5G愿景被認為難以實現。許多應用領域的系統架構師認為5G是一種極速、高度可用和可靠的網絡，將幫助他們擺脫困境。

通過5G技術，不需以任何光纖或銅線開拓固定寬帶接入市場。5G可實現媲美光纖的速度。不想使用5公斤的頭盔體驗移動增強現實？這很容易：通過無縫、始終可用的高帶寬連接，5G 將幫助在云中完成所有繁重的計算任務。想要一輛后備箱沒有超級計算機的自動駕駛互聯汽車？只需一個5G調制解調器，云端會帶來無與倫比的自動駕駛體驗（圖1）。人們將看到物聯網 (IoT)系統的傳感器和制動器直接接入互聯網。

▲圖1 自動駕駛汽車只是一個依賴 5G 技術的應用

這些目標涉及不同領域，在時間和資源充裕的情況下，并非不可實現。毋庸置疑，如需取得進展，標準制定者需要將期望限定在合理范疇。

三個用例

國際電信聯盟的國際移動電信 (IMT) 2020 愿景聲明將希望清單縮減至三個代表性用例：增強型移動寬帶、大規模機器類通信和超可靠低延遲通信。這三個用例將幫助實現 5G 領域的諸多期望（圖 2）。

在這三個用例中，增強型移動寬帶可能最接近多數人對下一代手機的設想。在這個用例中，配備先進技術的場所中的靜態用戶可獲得高達 20 Gbps的數據速率，移動用戶可獲得充足的實際帶寬（從80 到 200 Mbps，具體取決于場所），流暢播放 3D或超高清視頻，在游戲或增強現實等場景中與云應用密切互動。

▲圖2 三個用例滿足 5G 網絡的各種要求

大規模機器類通信提供了一個完全不同的場景。這里的客戶端不是服務器或人員，而是智能城市、工廠、建筑或家庭中的物聯網設備。在這個場景中，原始數據速率沒那么重要；機器要么提供相對較少的信息 —— 每秒只有幾條傳感器讀數，要么在本地預處理處理，以大幅降低帶寬（就像智能監控攝像頭一樣）。這里的關鍵不是數據速率，而是連接密度 —— 每平方千米多達一百萬個互聯設備 —— 和能效 —— 相當于 4G 網絡的一百倍。

第三個場景超可靠低延遲通信是一個令人難以置信的全新用例，支持工業自動化、關鍵任務連接和自動駕駛汽車，可避免駕車途中通話中斷的情況。這些應用不僅需要相對較高的數據速率 ——例如汽車將其攝像頭和激光雷達的大量信息流發送至云端進行分析，而且需要與無線網絡沒什么關系的兩個屬性：毫秒級延遲和功能安全級可靠性。

解決之道

單個而論，這三個場景中即使最苛刻的要求似乎也可以實現。例如，通過增加通道帶寬，幾乎可隨時提高數據速率。萬一失敗，可應用經過當前LTE-Advanced 網絡測試的技術，如多個發送和接收天線 (MIMO)、載波聚合等。隨著高級半導體制程中晶體管數量的增加，頻譜效率仍有進一步改進的空間。可在塔式設備上使用大量 MIMO 天線陣列以實施波束成形，同時為各客戶端創建私有無線電波束。在高密度區域，可在微單元上疊加一系列較小的單元。所有這些措施均可提高數據速率。

如需增加特定區域的客戶端數量，可利用較小的單元和波束成形。還可對高帶寬通道進行多路復用，在多個客戶端之間分配帶寬。網絡協議的變化可改進能效和降低延遲。

如果同時開展所有這些工作，問題就會成倍增加。例如，如果將現有低于 2 Ghz的 4G 頻段中的子載波間距加寬，每個連接就會具有更多帶寬。但連接數更少。可采用更高的新頻率，如 24.25-29.5 Ghz或 37-43.5 Ghz頻段，這些頻段支持超過 500 Mhz的間隔。但在從 3 Ghz過渡至毫米波的過程中，傳播成為一個問題。當頻率達到 28 Ghz，現實世界的許多因素會減弱或阻礙載波。

例如，雨水會對頻率造成數十 dB/千米的衰減，春天綠意盎然的葉子可完全吞噬信號。即使是板墻和玻璃等建筑材料也會吸收數十 dB 的信號。盡管毫米波可提供大量帶寬，但這些帶寬也只在天氣干燥且連接未受阻礙、處于較短的可視距離的情況下發揮作用。

當然，可使用多個高帶寬通道實現出色的數據速率。可將多個既窄又差的通道進行組合。可動態聚合單個鏈路的多個通道，或者通過不同天線和不同光束路徑及 MIMO 聚合多個鏈路。借助波束成形和跟蹤功能，甚至可以在客戶端在高密度城市環境中移動時確保這些鏈路完整無缺。

遺憾的是，這些技術會妨礙數百萬個廉價低功耗物聯網設備的需求。毫米波頻段中的 MIMO 不可能保持較低成本，尤其在接收器從受損通道中提取高速數據時。復雜的聚合與鏈路管理不僅會增加處理開銷，而且會增加能耗和延遲。

復雜情況難以讓人對自動駕駛汽車以每小時100 千米的速度在林蔭大道上行駛的愿景保持樂觀。滿足極高數據速率、毫秒級延遲和五個九的可靠性等需求并非易事。

多層解決方案

應對這些挑戰的解決方案是利用三層單獨的頻段，每個頻段旨在滿足特定的技術需求。不過，三層頻段與這些場景并非一一對應。通過組合使用三層頻段，5G 網絡可滿足、至少接近滿足全部三個場景的 IMT-2020 目標。

三層頻段構成了一種“婚禮蛋糕 (wedding cake)”（圖 3）。在底部，現有低于 2 Ghz的 LTE 頻段可覆蓋最廣泛的范圍。在這些頻段中，現有的蜂窩基礎設施可覆蓋地球上的多數人口。這些頻率在傳播過程中不會受到建筑、葉子和天氣的影響。因此，5G 將使用這些低頻段覆蓋更多偏遠地區（立即部署新基站在經濟上缺乏可行性），以及支持不利條件下的低效運行連接、在更多復雜 5G 連接提供下行鏈路的情況下增強上行鏈路以及支持要求不高的機器類鏈路。需要指出的是，低于 2Ghz 的頻段層將支持更高頻段，提供高度可靠的低延遲連接。自動駕駛出租車在樹下或建筑后面不會處于無線電靜寂狀態，只會跳轉至一個新頻道并臨時忍受較低的速率。

▲圖3 開發人員將他們需要的頻譜分組為一個頻段蛋糕層

其中層為 2-6 Ghz的中頻段，即 C 頻段。這些頻率是 5G 的主流頻率，利用所有強大技術保持高數據速率連接。這里介紹了在特定的大規模 MIMO中，波束成形、跟蹤和頻譜效率的大幅提升將發揮重要作用。目標是通過動態聚合任何可用于連接的資源，在幾乎最差的條件下為移動用戶提供 100 Mbps 的可用速率。這些頻段還可傳輸許多更高速的機器類流量和高可靠性/低延遲流量。

即使是頭兩層進行組合也不足以滿足最苛刻客戶端（需要 20 Gb/秒的速率）對極致數據速率的要求。蛋糕的頂層可滿足他們的要求，即 6 Ghz以上的頻段，包括難以實現的毫米波頻段。人們希望政府為 5G 用途分配連續的 800 Mhz塊，使用 5G 替代光纖，向移動用戶提供實時的超高清視頻，這要求地理、天線布置和通道質量等因素均滿足相關要求。

在IMT-2020 中，與其說 5G 是一種無線網絡，不如說是一種包括三層無線網絡的技術，可通過虛擬基站和控制層緊密連接在 metro 數據中心內，從而向用戶提供類似于無縫網絡的體驗。

定義新無線電

開發人員沒有被紛繁多樣的要求和頻率所迷惑，堅持認為需要一種全新的無線電設計取代定義狹隘的 4G 無線電。他們將這些設計創造性地稱為新無線電 (NR)。

新無線電的實施將滿足各種需求。這一全新技術必須提供單個可在所有三層頻率（從 700 MHz到 40 GHs、甚至更高頻率）之間擴展的架構；必須支持大量 MIMO 陣列及實施動態波束成形與跟蹤；必須充分利用每個可用通道實現最佳數據速率，支持在多個用戶和消息類型之間分享可用的數據速率，確保每平方千米的大量設備高效運行；而且必須支持各種實施成本（其半導體制程將于 2020 年問世）。為實現這些目標，新無線電架構師對空中接口的調制、糾錯、幀定義和協議進行了修改。

他們首先選擇了可在不同頻段間擴展且可多路復用的高密度正交分頻調制方案。該調整方案可生成簡單波形（射頻前端已經非常復雜了，我們應化繁為簡），這些簡單波形對于多用戶訪問十分有用，且可在10納米或7納米等具有較高晶體管預算的制程中高效實施。

為此，架構師加入了多終端低密度奇偶校驗通道編碼 (ME-LDPC)，該方法可提升編碼效率，在并行電路中易于實施，且支持較短的傳輸時間間隔 (TTI) —— 對于保持低延遲至關重要。

不過，降低延遲需要進一步工作。NR 可重新定義數據幀結構，支持將調度數據和確認信息整合在初始數據幀中，從而縮短周轉時間和 LTE延遲。這些決策對于縮短機器到機器通信延遲和快速對發射機進行波束成形訓練至關重要，有望支持跟蹤快速移動的客戶端。這一全新幀結構支持分頻雙工，對于分時雙工尤其有益。

變革將帶來什么

新無線電 (NR) 是 LTE 無線電之后的重大技術進步，不僅引入了新的科學理念，而且融合了許多現有的創意，將催生 2020 制程技術的非凡功能。但是，相比于世人厭惡的官僚政治，構建 NR的挑戰簡直不值一提。

IMT-2020 蛋糕的三層不是相互隔離、而是相互依賴的。盡管可使用中層的某個頻譜分階段實施有限的城市市場 5G 服務，提供頂層的少數點到點固定寬帶鏈路，但要滿足多數人對 5G 的期望，您需要所有三層。

這意味著單個國家和地區需要重新分配現有用戶的大型連續頻譜塊，從 700 Mhz頻段的20 Mhz數據塊到大量 6 Ghz以上的 800 Mhz條帶(swath)。全球各國需要通力配合確保單個 NR 能夠在各國通行。

到目前為止，相關工作進展順利。根據公開數據，華為估計中級 C 頻段中超過一半的適用頻譜要么可供使用，要么已進入監管部門的考慮范圍。在美國、韓國和歐洲，大型數據塊仍擁有巨大的發展潛力。而高頻層的不確定性更高。

有一點似乎可以確定，隨著 2020 年即將到來，新無線電的實施規模正在擴大，本地服務提供商明確了所需的頻率和能夠負擔的頻率，未落實頻譜塊的經濟和政治價值將會急劇攀升。這一技術只是成為奧運會等全球重大活動的支持平臺，或大型高科技公司及其富有客戶的平庸工具，還是將引發一場重塑人與事物交互模式的社會變革？這是一個值得深思的問題。技術能夠帶來這種變革，但現實條件和人類的意志才是決定性因素，時間會證明一切。