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5G 發(fā)展日新月異。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 發(fā)展日新月異，目前已具備可實現(xiàn)目標和可實施標準。在這一過程中，5G 展現(xiàn)出與當前蜂窩網(wǎng)絡截然不同的特征。

它的用途是什么？

早先，人們經(jīng)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(xiàn)。許多應用領域的系統(tǒng)架構(gòu)師認為 5G 是一種極速、高度可用和可靠的網(wǎng)絡，將幫助他們擺脫困境。

希望不以任何光纖或銅線開拓固定寬帶接入市場？5G 可實現(xiàn)媲美光纖的速度，能夠助一臂之力。希望不使用 5 公斤的頭盔體驗移動增強現(xiàn)實？小菜一碟：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(lián)汽車？只需一個 5G 調(diào)制解調(diào)器，云端會帶來無與倫比的自動駕駛體驗（圖1）。希望將物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 系統(tǒng)的傳感器和制動器直接接入互聯(lián)網(wǎng)？如人們所愿。

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(xiàn)。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(lián)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(guī)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(xiàn) 5G 領域的諸多期望（圖 2）。

圖 2.三個用例滿足 5G 網(wǎng)絡的各種要求

在這三個用例中，增強型移動寬帶可能最接近多數(shù)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(tài)用戶可獲得高達 20 Gbps的數(shù)據(jù)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(xiàn)實等場景中與云應用密切互動。

大規(guī)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(lián)網(wǎng)設備。在這個場景中，原始數(shù)據(jù)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(shù)，要么在本地預處理處理，以大幅降低帶寬（就像智能監(jiān)控攝像頭一樣）。這里的關鍵不是數(shù)據(jù)速率，而是連接密度 —— 每平方千米多達一百萬個互聯(lián)設備 —— 和能效 —— 相當于 4G 網(wǎng)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(yè)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(shù)據(jù)速率 —— 例如汽車將其攝像頭和激光雷達的大量信息流發(fā)送至云端進行分析，而且需要與無線網(wǎng)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(xiàn)。例如，通過增加通道帶寬，幾乎可隨時提高數(shù)據(jù)速率。萬一失敗，可應用經(jīng)過當前 LTE-Advanced 網(wǎng)絡測試的技術，如多個發(fā)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(shù)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(chuàng)建私有無線電波束。在高密度區(qū)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(shù)據(jù)速率。

如需增加特定區(qū)域的客戶端數(shù)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(wǎng)絡協(xié)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(fā)揮作用。

當然，可使用多個高帶寬通道實現(xiàn)出色的數(shù)據(jù)速率。可將多個既窄又差的通道進行組合。可動態(tài)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(huán)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(shù)百萬個廉價低功耗物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率、毫秒級延遲和五個九的可靠性等需求并非易事。