研究有助于引領(lǐng)4G到5G轉(zhuǎn)變的五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域

5G相比當(dāng)今LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)將會產(chǎn)生巨大突破。因此，我們有必要研究一下有助于引領(lǐng)4G到5G轉(zhuǎn)變的五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。這五個(gè)領(lǐng)域中有四個(gè)將促使這一轉(zhuǎn)變通過被稱為LTE-Advanced Pro(4.5G)的中間階段過渡，這使得這場革命更具漸進(jìn)色彩。

業(yè)界廣泛認(rèn)為，5G移動通信直到2020或2021年才會提供，甚至即便到那時(shí)也不會廣泛提供。但是，隨著移動數(shù)據(jù)流量持續(xù)增長（過去5年翻了18倍），可以預(yù)計(jì)5G將比以往更快地到來。思科（Cisco）預(yù)測，到2021年，5G連接將比一般的4G連接產(chǎn)生多4.7倍的流量。圖1顯示了這種增長。

圖1：移動數(shù)據(jù)流量持續(xù)增長。（來源：思科）

5G相比當(dāng)今LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)將會產(chǎn)生巨大突破。因此，我們有必要研究一下有助于引領(lǐng)4G到5G轉(zhuǎn)變的五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。這五個(gè)領(lǐng)域中有四個(gè)將促使這一轉(zhuǎn)變通過被稱為LTE-Advanced Pro（4.5G）的中間階段過渡，這使得這場革命更具漸進(jìn)色彩。

速度和饋送

在這個(gè)領(lǐng)域，接入技術(shù)將從LTE-Advanced的1Gbps增加到5G的每個(gè)小區(qū)20Gbps吞吐率/下行鏈路速率。達(dá)到這個(gè)速度需要從LTE-Advanced Pro開始經(jīng)歷多個(gè)階段。LTE-Advanced Pro已在目前的規(guī)范中有所定義，它使用載波聚合（多達(dá)32個(gè)載波）、高達(dá)16根天線的大規(guī)模MIMO（多入多出）和更高階的調(diào)制方案（如圖2所示的256 QAM）等多種技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)3Gbps速率。

圖2：256 QAM是5G將會采用的、用于提高數(shù)據(jù)速率的一種技術(shù)。

3Gbps的數(shù)據(jù)速率無需大改無線電技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。這是每家運(yùn)營商利用其當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施并提前布局5G所必須采取的中間階段。

未授權(quán)頻譜使用

目前，包括T-Mobile和Verizon在內(nèi)的幾家主要運(yùn)營商都在未授權(quán)頻譜部署LTE（LTE-U），而AT＆T正在針對該事宜積極推行虛擬機(jī)方案。

為實(shí)現(xiàn)更高的吞吐率要求，授權(quán)載波頻譜不夠用。Wi-Fi（蜂窩通信的遠(yuǎn)親）多年來一直在使用未授權(quán)頻譜。

我之所以將Wi-Fi稱為蜂窩通信的“遠(yuǎn)親”，是因?yàn)樗瞬皇芄苤疲€與授權(quán)運(yùn)營商頻譜非常相似。Wi-Fi是免費(fèi)的，因此直到最近，質(zhì)量基本上不是問題。運(yùn)營商已經(jīng)開始推出熱點(diǎn)，盡可能將蜂窩流量卸載到Wi-Fi，因此給網(wǎng)絡(luò)帶來額外壓力。但是，Wi-Fi有很多非授權(quán)頻譜可以被LTE利用。

因?yàn)榻K端客戶和運(yùn)營商并不會過分擔(dān)心這種“免費(fèi)服務(wù)”的質(zhì)量，所以過去在住宅環(huán)境通?？梢越邮?。但在過去幾年，由于Wi-Fi技術(shù)為獲得更好質(zhì)量和規(guī)范化接入進(jìn)行的技術(shù)改進(jìn)，這種心態(tài)已經(jīng)發(fā)生改變：

? 使用LDPC（低密度極性校驗(yàn)碼）等極性碼進(jìn)行糾錯(cuò)。

? 更高階的QAM，即Wi-Fi目前可以實(shí)現(xiàn)256 QAM，且即將達(dá)到1024 QAM。

? 4×4 MIMO和多用戶MIMO，可增加吞吐率并與更多用戶同時(shí)工作。

將載波聚合的概念擴(kuò)展到未授權(quán)載波（與Wi-Fi中使用的頻譜相同），將能為運(yùn)營商提供更多選擇來增加小區(qū)帶寬。

對于當(dāng)今未授權(quán)頻譜中的巨大頻譜資源，以及將要發(fā)布的新資源，除了要尋找方法來卸載數(shù)十億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，5G網(wǎng)絡(luò)還將要利用這一空間來實(shí)現(xiàn)超高速接入需求。

IoT設(shè)備

IoT設(shè)備提出了各種各樣的要求和挑戰(zhàn)。

? 毫無疑問，海量設(shè)備將對5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。

? IoT設(shè)備與傳統(tǒng)的蜂窩設(shè)備不同，其本質(zhì)上是非常零散的。許多IoT設(shè)備在發(fā)送少量字節(jié)數(shù)據(jù)之前長時(shí)間處于“睡眠”狀態(tài)。5G網(wǎng)絡(luò)需要對這些設(shè)備不頻繁卻重要的通信進(jìn)行規(guī)劃。

? IoT設(shè)備還為各種安全威脅提供了可乘之機(jī)。許多這些設(shè)備可被用于傳播惡意軟件或?qū)W(wǎng)絡(luò)實(shí)施安全攻擊。

在處理智能手機(jī)等常規(guī)蜂窩設(shè)備的同時(shí)處理IoT設(shè)備，對于接入網(wǎng)和核心網(wǎng)來說是項(xiàng)艱巨任務(wù)。現(xiàn)在，從LTE網(wǎng)絡(luò)開始著手這項(xiàng)任務(wù)，將能夠在5G網(wǎng)絡(luò)到來時(shí)更平滑地實(shí)現(xiàn)過渡。例如，諾基亞、Sprint和Verizon只是今年開始測試5G的大牌公司中的幾個(gè)，而許多運(yùn)營商聲稱它們“不久”也將開始測試5G網(wǎng)絡(luò)。

虛擬化：NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）和SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）

虛擬化在節(jié)省運(yùn)營商成本、處理網(wǎng)絡(luò)靈活需求以及增加運(yùn)營商選擇方面，好處非常明顯。5G網(wǎng)絡(luò)由于所涉范圍兩端的極端需求（包括偶爾發(fā)送幾個(gè)字節(jié)，以及不同用例數(shù)據(jù)量大幅增加），創(chuàng)造了與虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能相結(jié)合的強(qiáng)大需求（NFV見圖3）。

圖3：NFV基于其將傳輸?shù)念愋突驍?shù)據(jù)切分核心網(wǎng)。

許多運(yùn)營商即將對其網(wǎng)絡(luò)——特別是分組核心網(wǎng)——采用虛擬化技術(shù)。分組核心網(wǎng)側(cè)全部是基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）。這意味著與數(shù)據(jù)中心虛擬化方式很類似，無線分組核心網(wǎng)側(cè)（從3NodeB到互聯(lián)網(wǎng)）也都可以虛擬化。

即使在接入側(cè)，關(guān)于哪些留在邊緣和哪些移入中心核心的底層協(xié)議間的分割，目前正由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商（NEM）領(lǐng)域的行業(yè)決策者討論和決定。

為滿足不同用戶設(shè)備需求，業(yè)界現(xiàn)在已開始向虛擬化和網(wǎng)絡(luò)切分邁進(jìn)，并將在部署5G網(wǎng)絡(luò)同時(shí)獲得助力。

NR：新空口

5G新空口尚未標(biāo)準(zhǔn)化，并將需要一種新的無線接入技術(shù)，而將速度提高到20Gbps。它需要使用新的毫米波（mmWave）頻段，即能夠以非常高的速度通過空氣收發(fā)數(shù)據(jù)的30GHz到300GHz之間的頻段。每個(gè)小區(qū)帶寬預(yù)計(jì)能到10-20Gbps之間，每個(gè)用戶有可能獲得1Gbps。像高端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)這樣的應(yīng)用就需要這種帶寬。

5G新空口是屬于真5G的一個(gè)領(lǐng)域。另外四個(gè)領(lǐng)域在LTE-Advanced Pro規(guī)范中都有確鑿起點(diǎn)，因此更具演進(jìn)性。

在2017年移動世界大會之后，在克羅地亞杜布羅夫尼克舉行的第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）大會上，業(yè)界一致推動5G規(guī)范的發(fā)布，并將部分規(guī)范的發(fā)布日期從2018年6月提前到2017年底。

5G新空口方面所討論的兩件大事是：支持靈活的底層OFDM技術(shù)；支持大規(guī)模MIMO，從而實(shí)現(xiàn)毫米波頻譜使用。

這種靈活的底層OFDM技術(shù)可以在同一小區(qū)內(nèi)同時(shí)向不同用戶提供高寬帶視頻應(yīng)用和低延遲關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用等多種服務(wù)。3GPP討論了諸如基于可擴(kuò)展參數(shù)集（numerology）的OFDM和可擴(kuò)展傳輸時(shí)間間隔（TTI）——用戶獲得數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。

雖然向5G的大規(guī)模轉(zhuǎn)移仍處于早期階段，但上述領(lǐng)域?qū)⑹且I(lǐng)我們邁向這一轉(zhuǎn)移的主要階段。