姚剛　章池生

5G時(shí)代的變革暢想

21世紀(jì)1 0年代以后，隨著LTE-Advanced步入佳境，4G移動(dòng)通信在全球越來(lái)越普及。這個(gè)時(shí)候，無(wú)論是研發(fā)與生產(chǎn)廠商，還是普通用戶，都在呼喚傳輸流量更大、速度更快、穩(wěn)定性更佳的新技術(shù)。5G，呼之欲出。

新技術(shù)特性

為了從4G向5G進(jìn)軍，3GPP在原有移動(dòng)通信技術(shù)體系中，引入若干新特性。依靠這些新的技術(shù)特性，來(lái)滿足全社會(huì)日益提升的移動(dòng)通信需求：

毫米波（ mmWave）

傳統(tǒng)移動(dòng)通信工作頻段集中在3GHz以下，到了4G時(shí)代，無(wú)線通信的編碼技術(shù)效率已經(jīng)接近香農(nóng)極限，意味著同一頻率下的通信帶寬接近理論天花板。要繼續(xù)提升性能只能拓展更高頻段，所以技術(shù)人員開(kāi)始嘗試將無(wú)線通信載波波長(zhǎng)減小到毫米級(jí)。隨著波長(zhǎng)減小，載波頻率提高，無(wú)線通信的帶寬也就得以擴(kuò)大。毫米波技術(shù)在理論上可以讓無(wú)線通信帶寬達(dá)到300GHz。

雖然在實(shí)際應(yīng)用中，由于外界環(huán)境對(duì)某些頻段的干擾——（空氣中氧氣、水蒸氣與電磁波的共振），以及現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，無(wú)線通信無(wú)法覆蓋所有毫米波頻段。但即使這樣，5G可用頻段所帶來(lái)的帶寬，相比4G時(shí)代的100Mbps帶寬，依然可增長(zhǎng)10～100倍，達(dá)到1～10Gbps，都趕上光纖有線通信速度了。

大規(guī)模多進(jìn)多出（ Massive MIMO）

在傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)中，是一根傳輸天線對(duì)應(yīng)一條信息通路。隨著通信頻段升高，我們注意到早期智能手機(jī)的外置天線已經(jīng)消失。而毫米波技術(shù)出現(xiàn)，使得通信載波的波長(zhǎng)繼續(xù)變短，相應(yīng)的天線長(zhǎng)度也可以減小到10mm以下。這使一個(gè)移動(dòng)終端（如手機(jī)）里面可以安裝多天線，形成密集的天線陣列。在通信時(shí)，采用多天線發(fā)送，多天線接收模式，通過(guò)空間復(fù)用，在不增加傳輸功率與帶寬情況下，大幅提升無(wú)線通信的傳輸速率。

波束賦形

基于大規(guī)模多進(jìn)多出的天線陣列，讓波束賦形在無(wú)線移動(dòng)通信上得以實(shí)現(xiàn)。波束賦形技術(shù)源于軍事技術(shù)，運(yùn)用于軍艦、飛機(jī)等的雷達(dá)上面。大名鼎鼎的美國(guó)宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)，其核心技術(shù)之一相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)就運(yùn)用了這個(gè)技術(shù)。它主要是通過(guò)控制多天線陣列的射頻信號(hào)相位，使得多個(gè)疊加的通信電磁波能夠精準(zhǔn)指向移動(dòng)終端（如民用領(lǐng)域的手機(jī)），同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)波束追蹤，根據(jù)移動(dòng)終端的實(shí)時(shí)位置調(diào)整波束。這個(gè)技術(shù)可以提升信號(hào)傳輸?shù)木珳?zhǔn)指向性，增加傳輸距離，減少用戶間干擾，極大提高系統(tǒng)容量。

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按照準(zhǔn)確定義，毫米級(jí)電磁波的波長(zhǎng)為1～10mm，則其頻率范圍應(yīng)該是30～300GHz，但是實(shí)際上，毫米波只是約定俗成的名稱，業(yè)界末對(duì)其頻率范圍進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定。一般認(rèn)為，頻率范圍在20GHz（波長(zhǎng)15mm）～300GHz之間的電磁渡都可以算毫米波。

“萬(wàn)物互聯(lián)”改變社會(huì)

正因?yàn)樯鲜龊诵募夹g(shù)的應(yīng)用，讓5G時(shí)代的通信系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了—個(gè)前所未有的階段。這些提升概括起來(lái)就是高帶寬、低延遲、海量連接、容量巨大。正如前面所提到，5G技術(shù)通信帶寬提高到1～10Gbps，相比4G時(shí)代增長(zhǎng)10～100倍;而通信延遲從4G時(shí)·代的100ms下降到1ms;在每平方公里內(nèi)可同時(shí)支持以百萬(wàn)計(jì)的連接數(shù)。

這些性能上提升的意義，可不僅僅是我們一般人所理解的高清電影在線看;王者榮耀不掉線;雙11剁手秒下單……5G帶來(lái)的最大改變就是通過(guò)通信技術(shù)無(wú)限賦能，使得從人與人的通信走向人與機(jī)器，機(jī)器與機(jī)器（ M2M）通信，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。它可以改變各行各業(yè)的應(yīng)用和業(yè)務(wù)形態(tài)，催化出超乎想象力的發(fā)展，進(jìn)而改變著這個(gè)社會(huì)。

增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（ eMBB）

eMBB解決的，主要還是人們的通信需求。其實(shí)概括起來(lái)，現(xiàn)階段人們的通信需求，無(wú)非就是文字、語(yǔ)音、視頻三種形式信息的傳輸，其中視頻傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬與速率要求最高。而5G技術(shù)帶來(lái)的超大帶寬與傳輸速率，能夠輕松滿足所有這些需求——畢竟就算喜歡看高清視頻的帶寬消耗大戶，所需無(wú)線傳輸速率也不過(guò)30Mbps左右，這種傳輸速率需求完全不會(huì)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)造成任何負(fù)擔(dān)。

再考慮到不久的將來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)（ VR）或者增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)可能在無(wú)線通信應(yīng)用層面得到普及。因?yàn)檫@種沉浸式的體驗(yàn)對(duì)傳輸速率要求更高，預(yù)計(jì)所需的無(wú)線傳輸率大概會(huì)是高清視頻的30倍，需要達(dá)到1Gbps左右。而即使這樣巨大的數(shù)據(jù)量，帶寬能達(dá)到1～10Gbps的5G網(wǎng)絡(luò)在理論上仍然足以支持。所以說(shuō)eMBB應(yīng)用，幾乎已經(jīng)代表個(gè)人無(wú)線通信應(yīng)用場(chǎng)景需求瓶頸的終結(jié)。

海量物聯(lián)網(wǎng)（Massive IoT）

如果eMBB解決了人與人的通信需求，那么海量物聯(lián)網(wǎng)則是真正意義上的“萬(wàn)物互聯(lián)”，根據(jù)3GPP的定義，海量物聯(lián)網(wǎng)指的是每平方公里至少有1 00萬(wàn)臺(tái)設(shè)備無(wú)時(shí)無(wú)刻不在連接。

可以想象，智能家居把家里的每一個(gè)智能家電，連接到用戶手機(jī)。讓我們遠(yuǎn)程操縱家里掃地機(jī)器人做清潔，或者在回家前提前打開(kāi)空調(diào)調(diào)節(jié)溫度。而家里的水表、燃?xì)獗怼㈦姳磉B接到服務(wù)供應(yīng)商，則是免去了戶主交費(fèi)的麻煩。對(duì)于個(gè)人來(lái)說(shuō)，它帶來(lái)的是便捷省心的新生活模式。

再?gòu)闹悄芗揖訑U(kuò)大到智慧城市，海量互聯(lián)網(wǎng)讓市政管理單位可以知道每個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)，每天進(jìn)行精準(zhǔn)有效的管理。哪怕大街上某一盞路燈壞了;某一段水管漏了;某一個(gè)垃圾桶滿了，都能第一時(shí)間反饋給相關(guān)部門，并得到及時(shí)解決。

同樣，在物流行業(yè)，物流公司可以通過(guò)海量物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，網(wǎng)購(gòu)包裹、物流運(yùn)輸車輛以及快遞無(wú)人機(jī)，都能得到最準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)控。（詳見(jiàn)《科學(xué)Fans》2018年11期《開(kāi)門，機(jī)器人送快遞了！》）

關(guān)鍵任務(wù)型服務(wù)（ MCS）

在社會(huì)系統(tǒng)或組織架構(gòu)運(yùn)作過(guò)程中，總有某些至關(guān)重要的決定因素，這些因素的故障或缺失會(huì)導(dǎo)致難以估量的負(fù)面影響。這些因素被稱為關(guān)鍵任務(wù)（ Mission Critical），而針對(duì)這些因素提供的服務(wù)則是關(guān)鍵任務(wù)型服務(wù)。如工廠的自動(dòng)流水線;城市管理的電力系統(tǒng);關(guān)乎性命的醫(yī)療健康系統(tǒng);以及科幻感十足的自動(dòng)駕駛等。

這些服務(wù)對(duì)安全性要求極高，所以它們對(duì)通信的網(wǎng)絡(luò)延遲非常敏感。試想，一輛在公路上飛馳的無(wú)人駕駛汽車，如果因?yàn)槟呐?.01s的網(wǎng)絡(luò)延遲卡頓而導(dǎo)致失控，后果是極其嚴(yán)重的。特別某些服務(wù)背后更涉及到海量的云數(shù)據(jù)計(jì)算——如果一個(gè)城市里，每時(shí)每刻有成百上千的無(wú)人駕駛汽車在公路上行駛。每一輛車要隨時(shí)隨地，幾乎無(wú)延遲地了解周邊的路況與其他車輛信息，這只有在信號(hào)傳輸時(shí)延低于1 ms的5G網(wǎng)絡(luò)支持下，才有可能實(shí)現(xiàn)。

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區(qū)塊鏈業(yè)務(wù)是2018年以來(lái)才被主流技術(shù)界所關(guān)注的新應(yīng)用，它超出3GPP預(yù)測(cè)范圍，是海量物聯(lián)網(wǎng)和關(guān)鍵任務(wù)型服務(wù)交叉領(lǐng)域出現(xiàn)的新事物。筆者個(gè)人猜想，類似多細(xì)胞生物每個(gè)細(xì)胞都擁有和表達(dá)生物個(gè)體全套基因的能力，區(qū)塊鏈將在M2M機(jī)器通信普及過(guò)程中“吃掉”大量的冗余通信帶寬和計(jì)算能力，是真正意義上的5G剛需和殺手應(yīng)用。

所以，我們可以說(shuō)只有5G技術(shù)的普及應(yīng)用，才能保障這些關(guān)鍵任務(wù)型服務(wù)能夠智能化、自動(dòng)化安全運(yùn)作。

5G面臨的挑戰(zhàn)

暢想5G普及后的前景，理想是豐滿的。但我們也要意識(shí)到，從美好遠(yuǎn)景到最終實(shí)現(xiàn)，中間要走的路還是漫長(zhǎng)的，這涉及到互聯(lián)網(wǎng)以及通信行業(yè)、投資界以及政府的判斷以及博弈。具體而言，5G技術(shù)現(xiàn)階段面臨三大挑戰(zhàn)。

高成本5G技術(shù)VS.低成本可替代技術(shù)

5G技術(shù)的確能帶來(lái)無(wú)線通信質(zhì)量的大幅提升，但移動(dòng)通信基站的建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本會(huì)大幅提高。畢竟，5G的新技術(shù)特性，使得其基站覆蓋半徑大幅降低。傳統(tǒng)基站覆蓋半徑500m左右，而5G技術(shù)所需要的納基站覆蓋半徑僅100～200m，皮基站只有50～100m，飛基站更是20～50m。這意味著覆蓋同樣大小地區(qū)，5G需要基站數(shù)量將會(huì)遠(yuǎn)超4G，達(dá)到目前的3～9倍。

而在這個(gè)大前提下，部分相關(guān)業(yè)界人員傾向用基于傳統(tǒng)技術(shù)的解決方案，代替5G滿足各種應(yīng)用需求。簡(jiǎn)而言之相當(dāng)于“低配版”的5G。

例如4G時(shí)代的LTE-Advance，其實(shí)已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)有個(gè)人通信業(yè)務(wù)，包括直播、遠(yuǎn)程培訓(xùn)、多人線上會(huì)議等通信服務(wù)。而目前尚未普及的AR、VR技術(shù)，它們1Gbps的通信速率需求，其實(shí)已經(jīng)可以通過(guò)最后一公里的光纖接入得到滿足。

除此之外，物聯(lián)網(wǎng)因?yàn)閷?duì)傳輸帶寬要求不高，采用傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍廣的低頻帶寬無(wú)線通信技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)，甚至GPRS應(yīng)用就能滿足部分需求。而對(duì)于關(guān)鍵任務(wù)型服務(wù)，同樣有很多繞開(kāi)5G技術(shù)的解決方案，如工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，通用電氣、西門子等傳統(tǒng)工業(yè)巨頭傾向于使用專網(wǎng)技術(shù)來(lái)解決;自動(dòng)駕駛領(lǐng)域等則可以利用混合組網(wǎng)模式，由組網(wǎng)中的局域網(wǎng)解決低延時(shí)和高可靠性問(wèn)題。

運(yùn)營(yíng)商VS.互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)

早在4G時(shí)代，隨著智能手機(jī)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的興起，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)就開(kāi)始逐漸取代運(yùn)營(yíng)商，成為無(wú)線通信業(yè)務(wù)的主要紅利獲得者。而運(yùn)營(yíng)商們的傳統(tǒng)通信業(yè)務(wù)已經(jīng)被互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的OTT^①業(yè)務(wù)擠壓到了邊緣，原有三大王牌業(yè)務(wù)語(yǔ)音、漫游、短信已經(jīng)或者即將消亡，僅剩無(wú)線流量業(yè)務(wù)成為營(yíng)收主體。即使無(wú)線流量業(yè)務(wù)，其服務(wù)價(jià)格在政府提速降價(jià)的管制壓力下也在不斷下降。幾大運(yùn)營(yíng)商2018年以來(lái)發(fā)力的流量上網(wǎng)卡業(yè)務(wù)，叫好不叫座，增量不增利，主要收益同樣讓互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)獲得。

因此，5G時(shí)代的各種應(yīng)用，看似豐富，卻與電信運(yùn)營(yíng)商關(guān)系不大。即使這些應(yīng)用流行火爆起來(lái)，主要受益者依然是互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，一方面是巨大的5G基建投資費(fèi)用，另一方面卻是為他人作嫁衣的尷尬前景。這是一個(gè)神奇的悖論，讓運(yùn)營(yíng)商推動(dòng)5G技術(shù)的動(dòng)力不足。

所以我們能夠期待的，是通信運(yùn)營(yíng)商能夠借著5G契機(jī)，改造自身企業(yè)基因，改變行業(yè)游戲規(guī)則，找到贏利點(diǎn)，那么一切皆有可能。

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移動(dòng)通信基站是建設(shè)于固定區(qū)域，覆蓋周邊一定范圍的移動(dòng)信號(hào)交換結(jié)點(diǎn)。在4G肘代，基站的布局思路是“宏站覆蓋為主，小站定向補(bǔ)充”。在5G時(shí)代，基站建設(shè)趨勢(shì)是小型化，從大到小分別有微基站（MicroCell）、納基站（NanoCell）、皮墓站（ PicoCell），甚至飛基站（FemtoCell）。

①OTT

全稱Over The Top，指通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)。這種應(yīng)用僅利用運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)由運(yùn)營(yíng)商之外第三方提供。如互聯(lián)網(wǎng)電視、在線語(yǔ)音視頻等。

②CTI

CTI技術(shù)是從傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)電話集成（Computer Telephony Integration）技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，如今已經(jīng)發(fā)展成“計(jì)算機(jī)電信集成”技術(shù)（Computer Telecommunication Integration），即“T”已經(jīng)發(fā)展成“Telecommunication”，這表示目前的CTI技術(shù)不僅要處理傳統(tǒng)的電話語(yǔ)音，還要處理包括傳真、電子郵件等其他形式的信息媒體。

③NFV

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization），是一種對(duì)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（ network architecture）的概念，即利用虛擬化技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)階層的功能分割成幾個(gè)功能區(qū)塊，分別以軟件方式實(shí)作，而不再局限于硬件架構(gòu)。

運(yùn)營(yíng)商Vs.技術(shù)供應(yīng)商

5G面臨的前兩個(gè)挑戰(zhàn)，都涉及到建設(shè)成本過(guò)高。而其重要原因之一，在于技術(shù)供應(yīng)商方面。

一直以來(lái)，在無(wú)線通信領(lǐng)域，都是由技術(shù)供應(yīng)廠商為運(yùn)營(yíng)商提供整套網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)方案，方案主要由集成軟硬件設(shè)備構(gòu)成。這種“黑盒子”式的集成技術(shù)提供模式，讓技術(shù)供應(yīng)廠商處于市場(chǎng)壟斷地位，從而導(dǎo)致基站建設(shè)成本過(guò)高。不僅如此，每一次網(wǎng)絡(luò)升級(jí)換代或者新增應(yīng)用服務(wù)，大量的硬件設(shè)備，軟件系統(tǒng)會(huì)被淘汰或者全新采購(gòu)。從1 G演進(jìn)到2G、3G、4G，從短信到彩信，CTI^②到彩鈴，莫不如此。這和IT界計(jì)算機(jī)硬件、軟件操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件的劃分使用和升級(jí)模式形成鮮明對(duì)比。

為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的運(yùn)營(yíng)商以及相關(guān)企業(yè)計(jì)劃推進(jìn)無(wú)線接入方案的開(kāi)源化，服務(wù)應(yīng)用的虛擬化NFV^③，以此打破原有技術(shù)供應(yīng)商壟斷。2016年，F(xiàn)acebook、谷歌、諾基亞就共同發(fā)起了TIP（電信基礎(chǔ)設(shè)施）計(jì)劃，希望通過(guò)提供開(kāi)源的服務(wù)器和基站，讓IT企業(yè)具有提供移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的能力。2018年，中國(guó)移動(dòng)、美國(guó)AT&T、德國(guó)電信、日本DOCOMO等運(yùn)營(yíng)商均已加盟的開(kāi)放式無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（Open-Radio AccessNetwork，簡(jiǎn)稱O-RAN）聯(lián)盟，旨在通過(guò)推廣基于開(kāi)源架構(gòu)的白盒基站，打破原有通信技術(shù)供應(yīng)商的行業(yè)壟斷情況，降低運(yùn)營(yíng)成本。

根據(jù)移動(dòng)通信行業(yè)十年一代的歷史規(guī)律，1G與3G的過(guò)渡性質(zhì)較大，2G、4G則是商業(yè)模式應(yīng)用的成功。業(yè)界認(rèn)為5G移動(dòng)通信可能從2020年開(kāi)始登場(chǎng)，但是真正大范圍部署預(yù)計(jì)要等到2025年。本文所暢想的5G應(yīng)用場(chǎng)景，前途是光明的，但道路是曲折的。未來(lái)究竟會(huì)怎么樣，讓我們拭目以待。

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傳統(tǒng)基站的無(wú)線接入設(shè)備，由供應(yīng)商將網(wǎng)絡(luò)功能軟件直接集成在硬件上，被稱為“黑盒子”。而白盒基站的無(wú)線接入設(shè)備，采用開(kāi)源軟件加通用硬件，可打破原有供應(yīng)商依靠“黑盒子”形成的壟斷