5G網絡—多樣化連接世界的新時代

作者 Emmanuel Gresset CEVA業務發展總監

摘要：本文深入探討了將推出的5G標準設計的一些新的使用案例及未來面臨的挑戰。

引言

　　2015年，國際電信聯盟(ITU)著手規劃5G的目標和宗旨，以解決現今使用的3G標準和4G標準的不足。除了大大改善這些網絡標準的現有蜂窩語音和移動寬帶能力之外，ITU還列出了若干目標，以滿足幾項新需求：

　　1.數據量的巨增(x1000);

　　2.連網設備數量的大幅增加(x10～x100);

　　3.使用案例的擴大的多樣性及其性能要求：

　　● x10~x100倍典型用戶數據速率;

　　● x10倍更長的電池壽命用于機器到機器通信;

　　● x5倍減少端到端延遲。

1 使用案例

　　在目標使用案例中，ITU列出以下三項應用：

　　1.增強型移動寬帶(eMBB)，例如需要高清和超高清流媒體的視頻服務;

　　2.無人駕駛汽車和某些工業控制系統所需的超可靠和低延遲實時通信(URLLC);

　　3.不斷發展的物聯網(IoT)所需的大規模機器型通信(mMTC)。

　　圖1顯示了各種使用案例的延遲和帶寬/數據速率要求。

2 時間線

　　與在3G和4G網絡中一樣，3GPP組織將定義5G規范。3GPP的架構組在2016年第一季度啟動了針對下一代網絡的專門研究作為版本14的一部分。3GPP將在兩個新增版本中定義5G，其中版本15構成階段1，版本16構成階段2，這兩個版本將在2020年第一季度之前提交給ITU(如圖2)。

3 新技術及其承諾

　　5G將結合一系列新技術，支持新的網絡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絡概念，例如網絡功能虛擬化(NFV)和軟件定義網絡(SDN)，以及使用毫米波范圍(>6GHz)的新頻段。

　　需要注意，5G網絡不會取代3G和4G網絡，但5G架構將在它們及Wi-Fi網絡之上。即使5G引入新的概念和更高的計算復雜性，它也是4G的演進，是來自蜂窩社區的一項技術，而不是未授權的技術。

　　5G真正添加在4G之上的是獲得更高的數據速率(>1Gbps)和更低的端到端延遲(<1ms)的一種選擇，這兩個要求推動了5G新無線電技術和新頻譜分配的發展。

　　哪些因素驅動會對這種高數據速率有需求呢?例如，無人駕駛汽車每天將產生4000GB的數據，而連網的飛機每天將產生40000GB的數據。5G承諾提供：

　　? 每個用戶的數據速率高達10Gbit/s，例如實現虛擬現實(VR);

　　? 即使在擁擠的環境(如體育場或商場)，也會大范圍覆蓋;

　　? 完全移動性(例如，連網汽車);

　　? 高可靠性和響應性、實時連接(例如，交通安全);

　　? 連接大量必須利用單個電池保持運行10年的小型低成本設備。

4 關鍵推動因素

　　由于5G時代的使用案例和連網設備類型的多樣化，運營商將需要選擇正確的推動因素來構建和定制他們的服務范圍。這些關鍵推動因素包括：

　　? 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;

　　? 大規模MIMO、波束成形和多RAT;

　　? 新的接入方法，包括精益控制飛機、動態RAN、本地化業務流、設備到設備(D2D)通信;

　　? 自組織網絡(SON);

　　? 異構網絡(HetNets);

　　? 軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)。

5 面臨的挑戰

　　運營商面臨的一個關鍵挑戰是減少延遲要求(<1ms)，這對于VR場景、實時交通相關控制(如V2X)、連網汽車和無人駕駛汽車等非常重要。物理定律規定了控制信號通過空氣傳播(或光沿著纖維傳播)的速度。因此，需要小于1ms的延遲時間的服務必須從非常接近用戶設備的物理位置提供所有內容，可能在每個小區的基站處，并且在運營商之間漫游對于這些服務不可靠。這將需要在內容分發和服務器的基礎設施上大幅提高資本支出。

　　運營商的另一個挑戰是新的5G網絡頻譜的可用性。目前廣泛關注高于6GHz，據報道，高達80GHz的較高無線電頻譜，允許更大的帶寬和因此更高的數據速率，而不會對現有的3G和4G網絡造成頻譜混亂。然而，該頻譜將需要全新的RAN，并且在相同頻帶的多個地理區域中進行分配，以允許相同的無線電在基站和用戶設備之間重新使用。遺憾的是，較高的頻帶提供的小區半徑較小，所以使用傳統的網絡拓撲模型實現廣泛覆蓋將非常困難。因而，必須使用波束成形，其中，波束指向正連網的終端用戶設備以獲得更大距離的覆蓋。然而，波束成形需要仔細跟蹤裝有數百根天線的小區和小區塔內的設備位置，以跟蹤穿過小區的所有移動用戶。

　　為了降低資本支出和運營支出，運營商將更多地依賴SDN、NFV、SON和HetNets，以便根據每個用戶和每個服務動態地平衡其網絡中的負載和QoS，同時也需要考慮不斷增加的IoT設備的數量。

　　對于將需要數據速率高達10Gbps、延遲低至1ms的手機和消費設備的用戶，必須集成基于毫米波技術的調制解調器。語音和其他低數據速率服務將可能繼續使用現有(傳統)網絡，因此，這些設備將需要集成額外的調制解調器、RF前端和天線陣列以支持波束成形。

　　盡管5G網絡經常被看作是IoT設備的網絡，但它實際上是構建SDN和NFV的IT基礎設施，將支持大規模的IoT部署。

　　這些挑戰要求計算平臺的處理能力、并行性水平和靈活性方面實現根本轉變，以處理5G連接。

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