5G網(wǎng)絡(luò)—多樣化連接世界的新時(shí)代

作者 Emmanuel Gresset CEVA業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)

摘要：本文深入探討了將推出的5G標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的一些新的使用案例及未來面臨的挑戰(zhàn)。

引言

　　2015年，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)著手規(guī)劃5G的目標(biāo)和宗旨，以解決現(xiàn)今使用的3G標(biāo)準(zhǔn)和4G標(biāo)準(zhǔn)的不足。除了大大改善這些網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有蜂窩語音和移動(dòng)寬帶能力之外，ITU還列出了若干目標(biāo)，以滿足幾項(xiàng)新需求：

　　1.數(shù)據(jù)量的巨增(x1000);

　　2.連網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的大幅增加(x10～x100);

　　3.使用案例的擴(kuò)大的多樣性及其性能要求：

　　● x10~x100倍典型用戶數(shù)據(jù)速率;

　　● x10倍更長(zhǎng)的電池壽命用于機(jī)器到機(jī)器通信;

　　● x5倍減少端到端延遲。

1 使用案例

　　在目標(biāo)使用案例中，ITU列出以下三項(xiàng)應(yīng)用：

　　1.增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)，例如需要高清和超高清流媒體的視頻服務(wù);

　　2.無人駕駛汽車和某些工業(yè)控制系統(tǒng)所需的超可靠和低延遲實(shí)時(shí)通信(URLLC);

　　3.不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)所需的大規(guī)模機(jī)器型通信(mMTC)。

　　圖1顯示了各種使用案例的延遲和帶寬/數(shù)據(jù)速率要求。

2 時(shí)間線

　　與在3G和4G網(wǎng)絡(luò)中一樣，3GPP組織將定義5G規(guī)范。3GPP的架構(gòu)組在2016年第一季度啟動(dòng)了針對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)的專門研究作為版本14的一部分。3GPP將在兩個(gè)新增版本中定義5G，其中版本15構(gòu)成階段1，版本16構(gòu)成階段2，這兩個(gè)版本將在2020年第一季度之前提交給ITU(如圖2)。

3 新技術(shù)及其承諾

　　5G將結(jié)合一系列新技術(shù)，支持新的網(wǎng)絡(luò)模型和多種使用案例。其中可能包括使用以軟件為中心的網(wǎng)絡(luò)概念，例如網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)，以及使用毫米波范圍(>6GHz)的新頻段。

　　需要注意，5G網(wǎng)絡(luò)不會(huì)取代3G和4G網(wǎng)絡(luò)，但5G架構(gòu)將在它們及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之上。即使5G引入新的概念和更高的計(jì)算復(fù)雜性，它也是4G的演進(jìn)，是來自蜂窩社區(qū)的一項(xiàng)技術(shù)，而不是未授權(quán)的技術(shù)。

　　5G真正添加在4G之上的是獲得更高的數(shù)據(jù)速率(>1Gbps)和更低的端到端延遲(<1ms)的一種選擇，這兩個(gè)要求推動(dòng)了5G新無線電技術(shù)和新頻譜分配的發(fā)展。

　　哪些因素驅(qū)動(dòng)會(huì)對(duì)這種高數(shù)據(jù)速率有需求呢?例如，無人駕駛汽車每天將產(chǎn)生4000GB的數(shù)據(jù)，而連網(wǎng)的飛機(jī)每天將產(chǎn)生40000GB的數(shù)據(jù)。5G承諾提供：

　　? 每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)速率高達(dá)10Gbit/s，例如實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR);

　　? 即使在擁擠的環(huán)境(如體育場(chǎng)或商場(chǎng))，也會(huì)大范圍覆蓋;

　　? 完全移動(dòng)性(例如，連網(wǎng)汽車);

　　? 高可靠性和響應(yīng)性、實(shí)時(shí)連接(例如，交通安全);

　　? 連接大量必須利用單個(gè)電池保持運(yùn)行10年的小型低成本設(shè)備。

4 關(guān)鍵推動(dòng)因素

　　由于5G時(shí)代的使用案例和連網(wǎng)設(shè)備類型的多樣化，運(yùn)營(yíng)商將需要選擇正確的推動(dòng)因素來構(gòu)建和定制他們的服務(wù)范圍。這些關(guān)鍵推動(dòng)因素包括：

　　? 帶有靈活的工具的多頻段，包括尚未獲得許可的頻段，如圖3所示;

　　? 大規(guī)模MIMO、波束成形和多RAT;

　　? 新的接入方法，包括精益控制飛機(jī)、動(dòng)態(tài)RAN、本地化業(yè)務(wù)流、設(shè)備到設(shè)備(D2D)通信;

　　? 自組織網(wǎng)絡(luò)(SON);

　　? 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNets);

　　? 軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)。

5 面臨的挑戰(zhàn)

　　運(yùn)營(yíng)商面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是減少延遲要求(<1ms)，這對(duì)于VR場(chǎng)景、實(shí)時(shí)交通相關(guān)控制(如V2X)、連網(wǎng)汽車和無人駕駛汽車等非常重要。物理定律規(guī)定了控制信號(hào)通過空氣傳播(或光沿著纖維傳播)的速度。因此，需要小于1ms的延遲時(shí)間的服務(wù)必須從非常接近用戶設(shè)備的物理位置提供所有內(nèi)容，可能在每個(gè)小區(qū)的基站處，并且在運(yùn)營(yíng)商之間漫游對(duì)于這些服務(wù)不可靠。這將需要在內(nèi)容分發(fā)和服務(wù)器的基礎(chǔ)設(shè)施上大幅提高資本支出。

　　運(yùn)營(yíng)商的另一個(gè)挑戰(zhàn)是新的5G網(wǎng)絡(luò)頻譜的可用性。目前廣泛關(guān)注高于6GHz，據(jù)報(bào)道，高達(dá)80GHz的較高無線電頻譜，允許更大的帶寬和因此更高的數(shù)據(jù)速率，而不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的3G和4G網(wǎng)絡(luò)造成頻譜混亂。然而，該頻譜將需要全新的RAN，并且在相同頻帶的多個(gè)地理區(qū)域中進(jìn)行分配，以允許相同的無線電在基站和用戶設(shè)備之間重新使用。遺憾的是，較高的頻帶提供的小區(qū)半徑較小，所以使用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蛯?shí)現(xiàn)廣泛覆蓋將非常困難。因而，必須使用波束成形，其中，波束指向正連網(wǎng)的終端用戶設(shè)備以獲得更大距離的覆蓋。然而，波束成形需要仔細(xì)跟蹤裝有數(shù)百根天線的小區(qū)和小區(qū)塔內(nèi)的設(shè)備位置，以跟蹤穿過小區(qū)的所有移動(dòng)用戶。

　　為了降低資本支出和運(yùn)營(yíng)支出，運(yùn)營(yíng)商將更多地依賴SDN、NFV、SON和HetNets，以便根據(jù)每個(gè)用戶和每個(gè)服務(wù)動(dòng)態(tài)地平衡其網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載和QoS，同時(shí)也需要考慮不斷增加的IoT設(shè)備的數(shù)量。

　　對(duì)于將需要數(shù)據(jù)速率高達(dá)10Gbps、延遲低至1ms的手機(jī)和消費(fèi)設(shè)備的用戶，必須集成基于毫米波技術(shù)的調(diào)制解調(diào)器。語音和其他低數(shù)據(jù)速率服務(wù)將可能繼續(xù)使用現(xiàn)有(傳統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)，因此，這些設(shè)備將需要集成額外的調(diào)制解調(diào)器、RF前端和天線陣列以支持波束成形。

　　盡管5G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被看作是IoT設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，但它實(shí)際上是構(gòu)建SDN和NFV的IT基礎(chǔ)設(shè)施，將支持大規(guī)模的IoT部署。

　　這些挑戰(zhàn)要求計(jì)算平臺(tái)的處理能力、并行性水平和靈活性方面實(shí)現(xiàn)根本轉(zhuǎn)變，以處理5G連接。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第6期第76頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。