5G将连接智慧城市

5G正在成为现实。从下一代革命性无线技术的模糊概念，到一些可望不可即的目标，再到日趋成熟的用例和技术标准，5G目前已具备可实现目标和可实施标准。5G 发展日新月异。在这一过程中，5G展现出与当前蜂窝网络截然不同的特征。不久的将来，智慧城市中的建筑、移动通讯设备以及自动驾驶车辆等等，都将依赖5G物联网的连接。

5G的用途是什么？

早先，人们经常讨论5G将带来的量变：Gbps级带宽、竞争激烈的城市市场中巨大的面密度、出色的能效等。LTE 仍然有其局限性。而5G愿景被认为难以实现。许多应用领域的系统架构师认为5G是一种极速、高度可用和可靠的网络，将帮助他们摆脱困境。

通过5G技术，不需以任何光纤或铜线开拓固定宽带接入市场。5G可实现媲美光纤的速度。不想使用5公斤的头盔体验移动增强现实？这很容易：通过无缝、始终可用的高带宽连接，5G 将帮助在云中完成所有繁重的计算任务。想要一辆后备箱没有超级计算机的自动驾驶互联汽车？只需一个5G调制解调器，云端会带来无与伦比的自动驾驶体验（图1）。人们将看到物联网 (IoT)系统的传感器和制动器直接接入互联网。

▲图1 自动驾驶汽车只是一个依赖 5G 技术的应用

这些目标涉及不同领域，在时间和资源充裕的情况下，并非不可实现。毋庸置疑，如需取得进展，标准制定者需要将期望限定在合理范畴。

三个用例

国际电信联盟的国际移动电信 (IMT) 2020 愿景声明将希望清单缩减至三个代表性用例：增强型移动宽带、大规模机器类通信和超可靠低延迟通信。这三个用例将帮助实现 5G 领域的诸多期望（图 2）。

在这三个用例中，增强型移动宽带可能最接近多数人对下一代手机的设想。在这个用例中，配备先进技术的场所中的静态用户可获得高达 20 Gbps的数据速率，移动用户可获得充足的实际带宽（从80 到 200 Mbps，具体取决于场所），流畅播放 3D或超高清视频，在游戏或增强现实等场景中与云应用密切互动。

▲图2 三个用例满足 5G 网络的各种要求

大规模机器类通信提供了一个完全不同的场景。这里的客户端不是服务器或人员，而是智能城市、工厂、建筑或家庭中的物联网设备。在这个场景中，原始数据速率没那么重要；机器要么提供相对较少的信息 —— 每秒只有几条传感器读数，要么在本地预处理处理，以大幅降低带宽（就像智能监控摄像头一样）。这里的关键不是数据速率，而是连接密度 —— 每平方千米多达一百万个互联设备 —— 和能效 —— 相当于 4G 网络的一百倍。

第三个场景超可靠低延迟通信是一个令人难以置信的全新用例，支持工业自动化、关键任务连接和自动驾驶汽车，可避免驾车途中通话中断的情况。这些应用不仅需要相对较高的数据速率 ——例如汽车将其摄像头和激光雷达的大量信息流发送至云端进行分析，而且需要与无线网络没什么关系的两个属性：毫秒级延迟和功能安全级可靠性。

解决之道

单个而论，这三个场景中即使最苛刻的要求似乎也可以实现。例如，通过增加通道带宽，几乎可随时提高数据速率。万一失败，可应用经过当前LTE-Advanced 网络测试的技术，如多个发送和接收天线 (MIMO)、载波聚合等。随着高级半导体制程中晶体管数量的增加，频谱效率仍有进一步改进的空间。可在塔式设备上使用大量 MIMO 天线阵列以实施波束成形，同时为各客户端创建私有无线电波束。在高密度区域，可在微单元上叠加一系列较小的单元。所有这些措施均可提高数据速率。

如需增加特定区域的客户端数量，可利用较小的单元和波束成形。还可对高带宽通道进行多路复用，在多个客户端之间分配带宽。网络协议的变化可改进能效和降低延迟。

如果同时开展所有这些工作，问题就会成倍增加。例如，如果将现有低于 2 Ghz的 4G 频段中的子载波间距加宽，每个连接就会具有更多带宽。但连接数更少。可采用更高的新频率，如 24.25-29.5 Ghz或 37-43.5 Ghz频段，这些频段支持超过 500 Mhz的间隔。但在从 3 Ghz过渡至毫米波的过程中，传播成为一个问题。当频率达到 28 Ghz，现实世界的许多因素会减弱或阻碍载波。

例如，雨水会对频率造成数十 dB/千米的衰减，春天绿意盎然的叶子可完全吞噬信号。即使是板墙和玻璃等建筑材料也会吸收数十 dB 的信号。尽管毫米波可提供大量带宽，但这些带宽也只在天气干燥且连接未受阻碍、处于较短的可视距离的情况下发挥作用。

当然，可使用多个高带宽通道实现出色的数据速率。可将多个既窄又差的通道进行组合。可动态聚合单个链路的多个通道，或者通过不同天线和不同光束路径及 MIMO 聚合多个链路。借助波束成形和跟踪功能，甚至可以在客户端在高密度城市环境中移动时确保这些链路完整无缺。

遗憾的是，这些技术会妨碍数百万个廉价低功耗物联网设备的需求。毫米波频段中的 MIMO 不可能保持较低成本，尤其在接收器从受损通道中提取高速数据时。复杂的聚合与链路管理不仅会增加处理开销，而且会增加能耗和延迟。

复杂情况难以让人对自动驾驶汽车以每小时100 千米的速度在林荫大道上行驶的愿景保持乐观。满足极高数据速率、毫秒级延迟和五个九的可靠性等需求并非易事。

多层解决方案

应对这些挑战的解决方案是利用三层单独的频段，每个频段旨在满足特定的技术需求。不过，三层频段与这些场景并非一一对应。通过组合使用三层频段，5G 网络可满足、至少接近满足全部三个场景的 IMT-2020 目标。

三层频段构成了一种“婚礼蛋糕 (wedding cake)”（图 3）。在底部，现有低于 2 Ghz的 LTE 频段可覆盖最广泛的范围。在这些频段中，现有的蜂窝基础设施可覆盖地球上的多数人口。这些频率在传播过程中不会受到建筑、叶子和天气的影响。因此，5G 将使用这些低频段覆盖更多偏远地区（立即部署新基站在经济上缺乏可行性），以及支持不利条件下的低效运行连接、在更多复杂 5G 连接提供下行链路的情况下增强上行链路以及支持要求不高的机器类链路。需要指出的是，低于 2Ghz 的频段层将支持更高频段，提供高度可靠的低延迟连接。自动驾驶出租车在树下或建筑后面不会处于无线电静寂状态，只会跳转至一个新频道并临时忍受较低的速率。

▲图3 开发人员将他们需要的频谱分组为一个频段蛋糕层

其中层为 2-6 Ghz的中频段，即 C 频段。这些频率是 5G 的主流频率，利用所有强大技术保持高数据速率连接。这里介绍了在特定的大规模 MIMO中，波束成形、跟踪和频谱效率的大幅提升将发挥重要作用。目标是通过动态聚合任何可用于连接的资源，在几乎最差的条件下为移动用户提供 100 Mbps 的可用速率。这些频段还可传输许多更高速的机器类流量和高可靠性/低延迟流量。

即使是头两层进行组合也不足以满足最苛刻客户端（需要 20 Gb/秒的速率）对极致数据速率的要求。蛋糕的顶层可满足他们的要求，即 6 Ghz以上的频段，包括难以实现的毫米波频段。人们希望政府为 5G 用途分配连续的 800 Mhz块，使用 5G 替代光纤，向移动用户提供实时的超高清视频，这要求地理、天线布置和通道质量等因素均满足相关要求。

在IMT-2020 中，与其说 5G 是一种无线网络，不如说是一种包括三层无线网络的技术，可通过虚拟基站和控制层紧密连接在 metro 数据中心内，从而向用户提供类似于无缝网络的体验。

定义新无线电

开发人员没有被纷繁多样的要求和频率所迷惑，坚持认为需要一种全新的无线电设计取代定义狭隘的 4G 无线电。他们将这些设计创造性地称为新无线电 (NR)。

新无线电的实施将满足各种需求。这一全新技术必须提供单个可在所有三层频率（从 700 MHz到 40 GHs、甚至更高频率）之间扩展的架构；必须支持大量 MIMO 阵列及实施动态波束成形与跟踪；必须充分利用每个可用通道实现最佳数据速率，支持在多个用户和消息类型之间分享可用的数据速率，确保每平方千米的大量设备高效运行；而且必须支持各种实施成本（其半导体制程将于 2020 年问世）。为实现这些目标，新无线电架构师对空中接口的调制、纠错、帧定义和协议进行了修改。

他们首先选择了可在不同频段间扩展且可多路复用的高密度正交分频调制方案。该调整方案可生成简单波形（射频前端已经非常复杂了，我们应化繁为简），这些简单波形对于多用户访问十分有用，且可在10纳米或7纳米等具有较高晶体管预算的制程中高效实施。

为此，架构师加入了多终端低密度奇偶校验通道编码 (ME-LDPC)，该方法可提升编码效率，在并行电路中易于实施，且支持较短的传输时间间隔 (TTI) —— 对于保持低延迟至关重要。

不过，降低延迟需要进一步工作。NR 可重新定义数据帧结构，支持将调度数据和确认信息整合在初始数据帧中，从而缩短周转时间和 LTE延迟。这些决策对于缩短机器到机器通信延迟和快速对发射机进行波束成形训练至关重要，有望支持跟踪快速移动的客户端。这一全新帧结构支持分频双工，对于分时双工尤其有益。

变革将带来什么

新无线电 (NR) 是 LTE 无线电之后的重大技术进步，不仅引入了新的科学理念，而且融合了许多现有的创意，将催生 2020 制程技术的非凡功能。但是，相比于世人厌恶的官僚政治，构建 NR的挑战简直不值一提。

IMT-2020 蛋糕的三层不是相互隔离、而是相互依赖的。尽管可使用中层的某个频谱分阶段实施有限的城市市场 5G 服务，提供顶层的少数点到点固定宽带链路，但要满足多数人对 5G 的期望，您需要所有三层。

这意味着单个国家和地区需要重新分配现有用户的大型连续频谱块，从 700 Mhz频段的20 Mhz数据块到大量 6 Ghz以上的 800 Mhz条带(swath)。全球各国需要通力配合确保单个 NR 能够在各国通行。

到目前为止，相关工作进展顺利。根据公开数据，华为估计中级 C 频段中超过一半的适用频谱要么可供使用，要么已进入监管部门的考虑范围。在美国、韩国和欧洲，大型数据块仍拥有巨大的发展潜力。而高频层的不确定性更高。

有一点似乎可以确定，随着 2020 年即将到来，新无线电的实施规模正在扩大，本地服务提供商明确了所需的频率和能够负担的频率，未落实频谱块的经济和政治价值将会急剧攀升。这一技术只是成为奥运会等全球重大活动的支持平台，或大型高科技公司及其富有客户的平庸工具，还是将引发一场重塑人与事物交互模式的社会变革？这是一个值得深思的问题。技术能够带来这种变革，但现实条件和人类的意志才是决定性因素，时间会证明一切。