探讨构建5G的五项关键技术

　　业界广泛认为，5G移动通讯网络直到2020或2021年才会提供，甚至即使到那时也不会是广泛提供。但是，随着移动数据流量持续增长(过去5年成长了18倍)，因此可以预计5G将比以往更快地到来。

　　业界广泛认为，5G移动通讯网络直到2020或2021年才会提供，甚至即使到那时也不会是广泛提供。但是，随着移动数据流量持续增长(过去5年成长了18倍)，因此可以预计5G将比以往更快地到来。思科(Cisco)预测，2021年，5G连接将比一般的4G连接产生多4.7倍的流量，图1显示了这种增长。

　　图1 移动数据流量持续增长。 (数据源：思科)

　　5G与当今LTE-Advanced网络相比将会产生巨大突破，因此，有必要研究有助于引领4G到5G转变的五个关键领域。这五个领域中有四个将促使这一转变透过被称为LTE-Advanced Pro()的中间阶段过渡，使得这场革命更具渐进色彩。

　　速度和馈送

　　在这个领域，接入技术将从LTE-Advanced的1Gbps增加到5G每个区域20Gbps吞吐率/下行链路速率。达到这个速度需要从LTE-Advanced Pro开始经历多个阶段。LTE-Advanced Pro已在目前的规范中有所定义，它使用载波聚合(多达32个载波)、高达16根天线的大规模多重输入多重输出(MIMO)和更高阶的调变方案(如图2所示的256QAM)等多种技术，可以实现3Gbps速率。

　　3Gbps的数据速率无需大改无线电技术即可实现。这是每家营运商利用其当前基础设施并提前布局5G所必须采取的中间阶段。

　　未授权频谱使用

　　目前，包括T-Mobile和Verizon在内的几家主要营运商都在未授权频谱部署LTE(LTE-U)，而AT&T正在针对该事宜积极推行虚拟机方案。

　　为实现更高的吞吐率要求，授权载波频谱不够用，因此Wi-Fi多年来一直在使用未授权频谱。之所以将Wi-Fi作为蜂巢通讯的“远亲”，是因为它除了不受管制，还与需授权的营运商频谱非常相似，且Wi-Fi是免费的，因此直到最近，基本上质量不是问题。营运商已经开始推出热点，尽可能将蜂巢流量卸除到Wi-Fi，因此给网络带来额外压力。但是，Wi-Fi有很多非授权频谱可以被LTE利用。

　　因为终端客户和营运商并不会过分担心这种“免费服务”的质量，所以过去在住宅环境通常可以接受。但在过去几年，由于Wi-Fi技术为获得更好质量和规范化接入进行的技术改进，这种心态已经发生改变：

　　˙使用低密度极性校验码(LDPC)等极性码进行纠错;

　　˙更高阶的QAM，即Wi-Fi目前可以实现256QAM，且即将达到1,024QAM;

　　˙4×4 MIMO和多用户MIMO，可增加吞吐率并与更多用户同时工作。

　　图2 256QAM是5G将用于提高数据速率的一种技术。

　　将载波聚合的概念扩展到未授权载波(与Wi-Fi中使用的频谱相同)，将能为营运商提供更多选择来增加小区带宽。

　　对于当今未授权频谱中的巨大频谱资源，以及将要发布的新资源，除了要寻找方法来卸除数十亿物联网(IoT)设备，5G网络还将要利用这一空间来实现超高速接入需求。

　　物联网设备

　　物联网设备提出了各种各样的要求和挑战：

　　˙毫无疑问，海量设备将对5G网络构成巨大挑战;

　　˙IoT设备与传统的蜂巢设备不同，其本质上非常零散。许多IoT设备在发送少量字节数据之前长时间处于「休眠」状态，5G网络需要对这些设备不频繁却重要的通讯进行规划;

　　˙ IoT设备还为各种安全威胁提供了可乘之机。许多这些设备可被用于传播恶意软件或对网络实施安全攻击。

　　在处理智能手机等常规蜂巢设备的同时处理IoT物联网设备，对于接入网和核心网来说是项艰巨任务。现在，从LTE网络开始着手这项任务，将能够在5G网络到来时实现更平滑地过渡。例如，诺基亚(Nokia)、Sprint和Verizon只是今年开始测试5G的大公司中的几家，而许多营运商声称它们“不久”开始测试5G网络。

　　虚拟化：网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络(SDN)

　　虚拟化在节省营运商成本、处理网络灵活需求，以及增加营运商选择方面，好处非常明显。5G网络由于所涉范围两端的极端需求(包括偶尔发送几个字节，以及不同用例数据量大幅增加)，创造了与虚拟化网络功能相结合的强大需求(图3)。

　　图3 NFV基于其将传输的类型或数据切分核心网。

　　许多营运商即将对其网络——特别是分组核心网——采用虚拟化技术。分组核心网侧全部是基于互联网协定(IP)。这意味着与数据中心虚拟化方式很类似，无线分组核心网侧(从3NodeB到互联网)也都可以虚拟化。

　　即使在接入侧，关于哪些留在边缘和哪些移入中心核心底层协议间的分割，目前正由网络设备商(NEM)领域的产业决策者讨论和决定。为满足不同使用者设备需求，业界现在已开始向虚拟化和网络切分迈进，并将在部署5G网络同时获得助力。

　　新空中界面(NR)

　　5G新空中接口尚未标准化，并将需要一种新的无线接入技术，而将速度提高到20Gbps。它需要使用新的毫米波(mmWave)频段，即能够以非常高的速度通过空气收发数据的30G~300GHz之间的频段。每个小区带宽预计能到10~20Gbps之间，每个用户有可能获得1Gbps，如高阶增强现实(AR)/虚拟现实(VR)这样的应用就需要这种带宽。

　　5G新空中界面是属于真5G的一个领域。另外四个领域在LTE-Advanced Pro规范中都有确凿起点，因此更具演进性。

　　在2017年世界移动通讯大会(MWC)之后，在克罗埃西亚(Croatia)杜布罗夫尼克(Dubrovnik)举行的第三代合作伙伴计划(3GPP)大会上，业界一致推动5G规范的发布，并将部分规范的发布日期从2018年6月提前到2017年底。

　　5G新空中接口所讨论的两件大事是：支持灵活的底层OFDM技术，以及支持大规模MIMO，从而实现毫米波频谱使用。

　　这种灵活的底层OFDM技术可以在同一小区内同时向不同用户提供高宽带视讯应用和低延迟关键任务应用等多种服务。3GPP讨论了诸如基于可扩展参数集(numerology)的OFDM和可扩展传输时间间隔(TTI)——用户获得数据的时间间隔。

　　虽然向5G的大规模转移仍处于早期阶段，但上述领域将是引领我们迈向这一转变的主要关键。