5G候选技术的发展和挑战

前言

当前，供应商和移动运营商热烈讨论的一个热门话题之一就是下一代移动网络5G的发展情况。本文旨在简单介绍5G的这几个候选技术，并分析各项技术面临的机遇和挑战。

本文的主旨并非讨论5G技术需要具备哪些要求，而是辨识业界已出现的几个候选技术及相关的架构，以及5G标准可能会向什么方向发展。行业对5G网络的需求是已经确定的，这些已经由5G-PPP（欧洲5G公私合作联盟）列出。

设置场景

5G目前是一个热门话题，但对于5G的未来，行业面临的困惑主要涉及技术、商业机会、在垂直行业的应用以及部署时间表等各个方面。再加上大多数移动运营商还没有找到通过LTE网络创收的成功方法，所以5G的未来就变得有些迷茫。

如果回顾过去，我们是否能够确定迈向5G技术的下一步？

新一代移动网络通常意味着全新的架构，当然传统上还认为架构得是无线接入的：模拟到TDMA（GSM），然后到CDMA（UMTS），最后到OFDM（LTE）。显然，5G也需要一个全新的技术和标准来解决当前的用户需求，这些需求用之前的技术是无法解决的。然而，考虑到流量增长的趋势，5G势必要在网络上进行彻底的变革，这种变革通过有机的方式是无法实现的。软件驱动的架构、极高密度的流体网络、更高频段以及更广泛的频谱范围，满足数十亿的终端设备接入需求，GB量级的容量等，这些都是无法由目前的LTE和LTE-A网络提供的。

候选技术

结合现有的网络技术发展以及用户需求，只能推测未来5G技术的大概样貌。现在成本问题还没有上升到5G技术话题的讨论范围内，所以5G候选技术的可讨论范围就大很多。本文同样如此，先撇开成本考虑，简单介绍几个对现有网络有彻底变革的技术。

显然，5G需要一个全新的空中接口，对于这一点，中兴通讯走得更远一点——他们提出5G网络将容许多个空中接口共存于同一个网络，从理论角度看，这确实是理想的（OFDM技术不适用于Small Cell和异构网络，但其他的接口可以）。但是从运营和经济角度考虑，这就意味着会耗费大量部署工作和开发成本。

下文列出了一些5G候选技术。

极致增密

网络增密不是新技术，在3G网络刚一开始遇到拥堵问题时，移动运营商就意识到需要在系统或多个扇区引入新的蜂窝（Cell），这带动了Small Cell等多种类似产品的兴起，这一技术本质上是把接入点移到离用户更近的地方。简单来说，基本上是没有其他方式来大幅增加整个系统或整个移动网络的容量。5G网络很可能是由多层连接组成，也就是说不同大小、类型小区构成的异构网络：对数据连接速率要求低的区域用宏站层覆盖，对传输速率要求高的区域用颗粒层覆盖，中间再穿插其他的网络层。网络部署和协调是需要解决的主要挑战，因为运营商需要以指数级增长网络层。

多网协同

目前，多张网络一起为最终用户终端提供连接：移动蜂窝、Wi-Fi、毫米波、终端对终端连接等。5G系统应该能紧密协调这些网络，为用户提供不中断的顺畅体验。目前，协同多张网络仍然是一个相当大的挑战。Hotspot 2.0与下一代Hotspot的案例可能是蜂窝与Wi-Fi集成的第一个参考。5G能否让终端设备在几张网络间顺利切换，还有待观察；而最大的挑战在于从一张网络成功切换到另一张网络的能力。

全双工

所有现有的移动通信网络都依赖双工模式来管理上传和下载——有频分双工，比如说LTE FDD，其上行和下行需要两个单独的信道；也有时分双工，比如TD-LTE，无论上行还是下行都采用同一个信道，只是时隙不同。要想协调好上下行，双工模式肯定是必不可少的，但全双工技术现在仍在讨论中。如果采用这个技术方案，终端设备可同时发送和接收信息，这就有可能使现有的FDD和TDD系统容量翻番。

当然这项技术也存在巨大的挑战：需要从根本消除自干扰，网络和终端都需要巨大变化。然而，如果克服这些挑战，整个网络容量将大幅提高。

毫米波

现在，450 MHz 2.6 GHz的低频段频谱几乎已全部用于移动通信了，好在仍然有很多高频段频谱可用，这部分频谱有的高达300 GHz。自然，相比运营商熟悉的低频段频谱，如何应用好这些高频段频谱所面临的技术挑战也复杂很多，比如说频段越高，建筑物穿透就越困难——只是一面简单的墙就能成为毫米波信号的穿透障碍。不过，有一些高频段的GHz频谱已有占用：短距离、点对点、可视范围连接等，它们用来为无线连接提供更高的速率。

毫米波可以用于室内Small Cell（这也符合以上提到的网络增密），为一些密集区域提供高速连接。毫米波的高频段特性意味着天线会非常的小，因此对终端影响的范围也相当小。然而，OVUM认为，毫米波是一项超前的技术，可能需要多年的研发才能使其具备成本效益来投向大众市场。

需要注意的是，毫米波技术的发展也不是最新的，2009年成立的WiGig联盟现在的关注重点是60 GHz频段；2014年6月，谷歌收购了由两位Clearwire前工程师创办的企业Alpental，这家初创公司致力于开发针对60 GHz频段的技术。

大规模阵列天线

LTE-A网络已经采用了MIMO技术——基站和最终用户终端使用不止一根天线来提高链路效率。大规模阵列天线MIMO技术的基本特征是在基站侧配置在每个连接终端创建本地化光束的大规模天线阵列。这一技术为网络容量提升带来的益处是非常大的，当然也存在巨大挑战。不过市场普遍对这一技术很感兴趣；比如，一家名为Artemis的初创公司就在开发基于这项技术的产品，称为pCells。

虚拟化、软件控制以及云架构

向5G演进的并行趋势还有软件和云，届时网络是由分布式数据中心驱动的，由后者提供敏捷性、集中控制以及软件升级。像SDN、NFV、云以及开放生态系统等都有可能是5G的基础，当然行业也在继续讨论如何利用这些架构的优势。尽管这些也不是新技术，但仍有可能在5G时代得到大规模应用，因为在为数以亿计的终端提供连接时，网络需要利用这些技术来提升性能。

接下来会发生什么?

与现有网络技术相比，以上提到的所有技术都有很大的潜力应用在5G网络中。最后选定实施哪些技术可能需要一个相当长的比较过程，哪些技术能胜出将取决于性能、实施、成本、政策等多项因素。不过做这样一个假设应当是合理的：成本最低的技术最有可能胜出，这和LTE-A的发展情况是类似的。