廣東理工學(xué)院 李欣雪 任 瑾 徐殿雙 唐東成

不久前，3G是最快的網(wǎng)絡(luò)。2009年12月，斯堪的納維亞電信供應(yīng)商Telia Sonera在奧斯陸和斯德哥爾摩發(fā)布了世界首個(gè)第三代伙伴合作計(jì)劃（3GPP）長期演進(jìn)（LTE，Long Term Evolution）標(biāo)準(zhǔn)。LTE是一個(gè)過渡的3.9G技術(shù)，是基于當(dāng)今CDMA的3.5G和3.75G移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，如HSPA（High-Speed Packet Access）和無線通信技術(shù)EV-DOrevB的演進(jìn)。該標(biāo)準(zhǔn)用于滿足蜂窩網(wǎng)絡(luò)更快的數(shù)據(jù)率，其物理層包含幾個(gè)高吞吐率的數(shù)字通信技術(shù)。與2G和3G采用單載波調(diào)制技術(shù)移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)不同，LTE使用頻譜效率更高的多載波調(diào)制技術(shù)。通過支持高達(dá)20MHz的帶寬，高階調(diào)制方案，和4x4多輸入多輸出（MIMO）通道，LTE的下行信道可以下載300M/s的速度。到2011年，高級(jí)3GPPLTE可能會(huì)成為真正的第一代4G移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。高級(jí)LTE通過采用8x8MIMO下行通道，提供更高的數(shù)據(jù)率。高級(jí)LTE能夠采用測(cè)向算法測(cè)量移動(dòng)站的角度，利用波束形成技術(shù)控制下行信號(hào)調(diào)整到最佳方向。通過通道聚合功能利用多個(gè)相鄰物理通道有效地改善吞吐量。隨著科技網(wǎng)絡(luò)的逐步發(fā)展以及通信4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣與應(yīng)用，后4G時(shí)代的通信技術(shù)被命名為5G。隨著科研人員對(duì)5G無線通信技術(shù)的研發(fā)，勢(shì)必給通信行業(yè)帶來新一代的革新。

無線消費(fèi)者對(duì)帶寬的巨大需求刺激了國家研究機(jī)構(gòu)以及各大公司前所未有的投資，以探索新的方法來提高網(wǎng)絡(luò)容量以及滿足不斷增長的需求。業(yè)內(nèi)分析師預(yù)測(cè)不斷增長的數(shù)據(jù)需求將會(huì)超過已有的容量，這只是時(shí)間的問題。無線研究人員不斷提出各種觀點(diǎn)來解決容量挑戰(zhàn)，并尋求一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可解決容量問題，也可提供以前認(rèn)為絕對(duì)不可能的特性和功能。概念的提出很大一部分是進(jìn)行軟件開發(fā)，從概念過渡到一個(gè)基于實(shí)際信號(hào)和波形的工作原型不僅需要大量的時(shí)間和金錢投資，而且也為集成新技術(shù)和功能的帶來重重障礙。將軟件可重配置性以及更快速原型開發(fā)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法將能夠以令人興奮的全新方式來設(shè)計(jì)、開發(fā)和部署這些技術(shù)。

手機(jī)問世多年以來，蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施幾經(jīng)變革。第一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)是以“模擬”技術(shù)為基礎(chǔ)的，比如高級(jí)移動(dòng)電話服務(wù)（AMPS）。第二代（2G）系統(tǒng)主要采用數(shù)字技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)，例如全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）。在功能上，2G在通話的基礎(chǔ)上增加了基本SMS（短信）功能，但無線數(shù)據(jù)傳輸容量非常有限。那時(shí)使用2G移動(dòng)設(shè)備來瀏覽網(wǎng)頁仍非常受限。無線數(shù)據(jù)主要用來發(fā)送短信、收發(fā)郵件和傳輸靜態(tài)圖片。而針對(duì)于3G技術(shù)，即第三代網(wǎng)絡(luò)，具有更高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，使用寬帶碼分多址（W-CDMA）已經(jīng)能夠傳輸一定大小的視頻。3G之后的演變有HSPA和HSPA+（相當(dāng)于3.5G），它們提供了更好的用戶體驗(yàn)。不過，與大多數(shù)消費(fèi)者用作比較基準(zhǔn)的WiFi或無線局域網(wǎng)的速度相比，在像視頻之類的大數(shù)據(jù)應(yīng)用傳輸速度方面仍然較慢。

現(xiàn)今，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商正在基于長期演進(jìn)（LTE）技術(shù)推出第四代（4G）網(wǎng)絡(luò)。LTE相比3G網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)流量方面有顯著的提升，峰值速率提高了5到6倍（見表1）。多數(shù)服務(wù)供應(yīng)商打算轉(zhuǎn)移至LTE-Advanced，也就是4.5G，該網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬預(yù)期將是LTE的兩倍。LTE和LTE-Advanced技術(shù)的到來，使得無線數(shù)據(jù)消費(fèi)者目前擁有了一項(xiàng)在用戶體驗(yàn)方面可以匹敵WiFi的通信技術(shù)。

表面來看，隨著LTE的發(fā)展，未來無線數(shù)據(jù)傳輸容量似乎可以在用戶體驗(yàn)方面與WiFi平起平坐，至少從表面上降低或減輕了對(duì)大幅提高帶寬的需求。然而，隨著智能手機(jī)、平板電腦等智能設(shè)備的迅速普及，網(wǎng)絡(luò)容量和帶寬消耗也在加速。實(shí)際上，行業(yè)分析師預(yù)測(cè)2014年的無線數(shù)據(jù)需求量將會(huì)超過2009年的35倍以上（見表1），并且這種增速會(huì)一直持續(xù)。容量實(shí)際上是帶寬的函數(shù)。單位時(shí)間傳輸?shù)谋忍卦蕉?，就越能更快地釋放頻譜滿足其他用戶及其數(shù)據(jù)需求。雙倍的數(shù)據(jù)傳輸率能夠有效地將數(shù)據(jù)容量提升2倍。因此，5G研究的主要?jiǎng)恿褪峭ㄟ^帶寬增加來提升網(wǎng)絡(luò)容量，避免容量不足。

表1 移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的行業(yè)數(shù)據(jù)圖

目前，現(xiàn)有的LTE和LTE-Advanced是否能完全滿足消費(fèi)者的客觀需求?

針對(duì)于這一問題，考慮到無線用戶對(duì)數(shù)據(jù)的消費(fèi)速率，一個(gè)讓整個(gè)行業(yè)真正擔(dān)心的問題是，如果沒有重大的技術(shù)升級(jí)，不久的將來網(wǎng)絡(luò)容量就會(huì)變得非常受限。以目前的LTE速率為例，其下行速率為300Mbps，上行速率為150Mbps。該速率比3G和3.5G技術(shù)要快4到5倍。LTE-Advanced則可將速率進(jìn)一步提升2到4倍。這樣，在過去10到15年的時(shí)間里，全球移動(dòng)運(yùn)營商已將通信容量提升了20倍。而與此同時(shí)，需求卻增加了100多倍。由此，LTE-Advanced的必要性和新五代網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性不言而喻。實(shí)際上，無線基礎(chǔ)設(shè)施公司及3GPP標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的其他成員提出了一項(xiàng)挑戰(zhàn)，即到2020年將數(shù)據(jù)容量提升1000倍。

面對(duì)挑戰(zhàn)，5G將如何解決“帶寬/容量”危機(jī)？

首先，關(guān)于5G的討論已有很多，5G將會(huì)是什么，又將不會(huì)是什么。眾所周知，5G將會(huì)比如今的4G以及最終的LTE-Advanced（有時(shí)又被稱為4.5G）速度都要快許多。真正的問題是，在現(xiàn)有設(shè)備和可用頻譜等基礎(chǔ)設(shè)施的狀況下，如何才能實(shí)現(xiàn)更快的性能和更高的容量。目前的共識(shí)是，沒有什么“靈丹妙藥”或者哪一種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)所需的帶寬擴(kuò)展，但是多種先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合則能夠做到，比如包含小型蜂窩和多點(diǎn)協(xié)調(diào)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、頻譜再分配，以及自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）等其他先進(jìn)技術(shù)。

正在研究哪些技術(shù)來支持潛在5G標(biāo)準(zhǔn)？

現(xiàn)如今人們正在研究用來提高頻譜效率、降低區(qū)間干擾的幾種技術(shù)，諸如異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、小型蜂窩、中繼及多點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)等。這些研究的根本動(dòng)機(jī)是通過增加密度降低每個(gè)基站負(fù)載，而這相應(yīng)地又會(huì)提升較小地理區(qū)域內(nèi)用戶的頻譜效率。所有可供選擇的技術(shù)都側(cè)重在部署更多的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，同時(shí)利用智能技術(shù)（如多點(diǎn)協(xié)調(diào)、波束成形等）進(jìn)一步提升利用率。歸根究底，通過基站級(jí)網(wǎng)絡(luò)信息共享，每個(gè)用戶的負(fù)載和覆蓋率就能夠得到優(yōu)化，從而更高效地利用現(xiàn)有頻譜。一個(gè)更為困難的挑戰(zhàn)是頻譜的可用性。為了提高數(shù)據(jù)的吞吐量和可靠度，3G到4G技術(shù)的轉(zhuǎn)變引入了新的技術(shù)，但往往被忽略的一點(diǎn)是，LTE技術(shù)推出的同時(shí)也引入了新的頻譜。譬如，美國聯(lián)邦政府對(duì)700MHz頻譜進(jìn)行拍賣，專門用于部署LTE。3GPP提供了新的編碼和調(diào)制技術(shù)，但是這些新技術(shù)大部分（即便不是完全）都是部署在專用的新頻譜上。

對(duì)于5G而言，答案并不那么簡單。除非行業(yè)、政府和相關(guān)頻譜規(guī)范機(jī)構(gòu)可以對(duì)何時(shí)及如何再分配頻譜達(dá)成一致，否則6GHz以下根本就沒有頻譜可用。再分配頻譜并不是一件容易的事，因?yàn)樵S多服務(wù)運(yùn)營商為得到在用頻譜已經(jīng)支付了數(shù)十億美元，變革絕非那么廉價(jià)易成。特別值得一提的是紐約大學(xué)無線研究中心的TedRappaport博士正在進(jìn)行的研究。Dr.Rappaport一直在研究28GHz、38GHz和60GHz的頻譜以及覆蓋紐約市71-76GHz頻率的E波段的特征——這是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的測(cè)試環(huán)境。測(cè)量結(jié)果表明，這些頻率都有可能進(jìn)行無線戶外通信，但是讓通信變得切實(shí)可行還需要大量投資。

根據(jù)目前現(xiàn)有的技術(shù)，今后能否達(dá)到高速度的傳輸這個(gè)目標(biāo)是一直在研究的問題。

無論選擇哪種技術(shù)都不能簡單輕松地解決無線數(shù)據(jù)危機(jī)。通信行業(yè)必須打破傳統(tǒng)思維，包括設(shè)計(jì)流程在內(nèi)。人們普遍認(rèn)為毫米波頻率不適合用于蜂窩數(shù)據(jù)傳輸，基于該頻譜的網(wǎng)絡(luò)也并不可行。Rappaport博士的研究從根本上挑戰(zhàn)了這種想法。他已經(jīng)證明利用這些頻率進(jìn)行可靠的傳輸和接收是有可能的，不過目前仍要做很多工作。從本質(zhì)上來說，所有低于6GHz通信相關(guān)的研究思路都必須要轉(zhuǎn)變，才能為RF前端設(shè)計(jì)和天線技術(shù)、波束成形、物理層設(shè)計(jì)甚至新協(xié)議的研究創(chuàng)造機(jī)會(huì)。

雖然許多技術(shù)剛出現(xiàn)且有待開發(fā)，但令人鼓舞的是在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上推出新數(shù)據(jù)容量并不是無前例可循。即使考慮到了物理層、小型蜂窩和RF前端（MIMO）等6GHz以下的所有研究，網(wǎng)絡(luò)仍然會(huì)受限于Shannon理論：通信信道會(huì)受到帶寬和噪聲的限制。雖然異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以提高容量，但是誰也不知道僅僅這樣是否能夠?qū)崿F(xiàn)2020年容量提升1000倍的目標(biāo)。如果沒有可用的帶寬，那么就必須要在別處找到新的頻譜。

通常一個(gè)典型的“設(shè)計(jì)”方法是要先提出一個(gè)想法、然后進(jìn)行仿真并建立原型。由于開發(fā)可工作原型耗資巨大，因此在原型之前通常會(huì)在設(shè)計(jì)和模擬階段反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)。如果理論上存在根本性問題，就要返工重做。因此，在計(jì)劃原型開發(fā)之前通常就會(huì)有大量的仿真工作。與傳統(tǒng)方法一樣，從概念、仿真到原型需要耗費(fèi)很長的時(shí)間和眾多的資源。換言之，整個(gè)過程耗資巨大。設(shè)計(jì)過程中最重要的目標(biāo)是盡早交付可工作原型，這樣才能在設(shè)計(jì)初期將真實(shí)狀況和系統(tǒng)問題考慮在內(nèi)。

目前大部分的仿真主要使用加性高斯白噪聲（AWGN）來建立信道模型。隨著5G新技術(shù)研究的展開，傳統(tǒng)的信道模型已經(jīng)不能很好地代表現(xiàn)實(shí)狀況。系統(tǒng)工程師和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員還必須考慮開發(fā)一個(gè)具有高性價(jià)比和低功耗（以延長電池壽命）的平臺(tái)上來部署新算法/協(xié)議的處理需求以及可行性。因此，盡可能早地開發(fā)出原型是非常重要的。

總之，針對(duì)于5G技術(shù)的革命，關(guān)于5G的整體思路是建立在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行推進(jìn)，新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等演進(jìn)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，輔以必要的新的無線通信接入技術(shù)，如大規(guī)模MIMO、超密集網(wǎng)絡(luò)、終端直連D2D通信、超可靠性的網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模天線陣列等。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)勁發(fā)展，推動(dòng)5G通信技術(shù)的不斷探索和發(fā)展，預(yù)計(jì)在2020年，新頻帶的開發(fā)將支持大幅增加在移動(dòng)數(shù)據(jù)量，并拓寬移動(dòng)通信的應(yīng)用領(lǐng)域，效地應(yīng)對(duì)未來移動(dòng)信息社會(huì)的發(fā)展。

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