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探討：構建5G的五項關鍵技術

發布時間：2018-01-05 來源：Kalyan Sundhar，Ixia Solutions Group移動、虛擬化和應用產品副總裁責任編輯：wenwei

【導讀】5G相比當今LTE-Advanced網絡將會產生巨大突破。因此，我們有必要研究一下有助於引領4G到5G轉變的五個關鍵領域。這五個領域中有四個將促使這一轉變通過被稱為LTE-Advanced Pro(4.5G)的中間階段過渡，這使得這場革命更具漸進色彩。

業界廣泛認為，5G移動通信直到2020或2021年才會提供，甚至即便到那時也不會廣泛提供。但是，隨著移動數據流量持續增長（過去5年翻了18倍），可以預計5G將比以往更快地到來。思科（Cisco）預測，到2021年，5G連接將比一般的4G連接產生多4.7倍的流量。圖1顯示了這種增長。

圖1：移動數據流量持續增長。（來源：思科）

5G相比當今LTE-Advanced網絡將會產生巨大突破。因此，我們有必要研究一下有助於引領4G到5G轉變的五個關鍵領域。這五個領域中有四個將促使這一轉變通過被稱為LTE-Advanced Pro（4.5G）的中間階段過渡，這使得這場革命更具漸進色彩。

速度和饋送

在這個領域，接入技術將從LTE-Advanced的1Gbps增加到5G的每個小區20Gbps吞吐率/下行鏈路速率。達到這個速度需要從LTE-Advanced Pro開始經曆多個階段。LTE-Advanced Pro已在目前的規範中有所定義，它使用載波聚合（多達32個載波）、高達16根天線的大規模MIMO（多入多出）和更高階的調製方案（如圖2所示的256 QAM）等多種技術，可以實現3Gbps速率。

圖2：256 QAM是5G將會采用的、用於提高數據速率的一種技術。

3Gbps的數據速率無需大改無線電技術即可實現。這是每家運營商利用其當前基礎設施並提前布局5G所必須采取的中間階段。

未授權頻譜使用

目前，包括T-Mobile和Verizon在內的幾家主要運營商都在未授權頻譜部署LTE（LTE-U），而AT＆T正在針對該事宜積極推行虛擬機方案。

為實現更高的吞吐率要求，授權載波頻譜不夠用。Wi-Fi（蜂窩通信的遠親）多年來一直在使用未授權頻譜。

我之所以將Wi-Fi稱為蜂窩通信的“遠親”，是因為它除了不受管製，還與授權運營商頻譜非常相似。Wi-Fi是免費的，因此直到最近，質量基本上不是問題。運營商已經開始推出熱點，盡可能將蜂窩流量卸載到Wi-Fi，因此給網絡帶來額外壓力。但是，Wi-Fi有很多非授權頻譜可以被LTE利用。

因為終端客戶和運營商並不會過分擔心這種“免費服務”的質量，所以過去在住宅環境通常可以接受。但在過去幾年，由於Wi-Fi技術為獲得更好質量和規範化接入進行的技術改進，這種心態已經發生改變：

使用LDPC（低密度極性校驗碼）等極性碼進行糾錯。
更高階的QAM，即Wi-Fi目前可以實現256 QAM，且即將達到1024 QAM。
4×4 MIMO和多用戶MIMO，可增加吞吐率並與更多用戶同時工作。

將載波聚合的概念擴展到未授權載波（與Wi-Fi中使用的頻譜相同），將能為運營商提供更多選擇來增加小區帶寬。

對於當今未授權頻譜中的巨大頻譜資源，以及將要發布的新資源，除了要尋找方法來卸載數十億物聯網設備，5G網絡還將要利用這一空間來實現超高速接入需求。

IoT設備

IoT設備提出了各種各樣的要求和挑戰。

毫無疑問，海量設備將對5G網絡構成巨大挑戰。
IoT設備與傳統的蜂窩設備不同，其本質上是非常零散的。許多IoT設備在發送少量字節數據之前長時間處於“睡眠”狀態。5G網絡需要對這些設備不頻繁卻重要的通信進行規劃。
IoT設備還為各種安全威脅提供了可乘之機。許多這些設備可被用於傳播惡意軟件或對網絡實施安全攻擊。

在處理智能手機等常規蜂窩設備的同時處理IoT設備，對於接入網和核心網來說是項艱巨任務。現在，從LTE網絡開始著手這項任務，將能夠在5G網絡到來時更平滑地實現過渡。例如，諾基亞、Sprint和Verizon隻是今年開始測試5G的大牌公司中的幾個，而許多運營商聲稱它們“不久”也將開始測試5G網絡。

虛擬化：NFV（網絡功能虛擬化）和SDN（軟件定義網絡）

虛擬化在節省運營商成本、處理網絡靈活需求以及增加運營商選擇方麵，好處非常明顯。5G網絡由於所涉範圍兩端的極端需求（包括偶爾發送幾個字節，以及不同用例數據量大幅增加），創造了與虛擬化網絡功能相結合的強大需求（NFV見圖3）。

圖3：NFV基於其將傳輸的類型或數據切分核心網。

許多運營商即將對其網絡——特別是分組核心網——采用虛擬化技術。分組核心網側全部是基於互聯網協議（IP）。這意味著與數據中心虛擬化方式很類似，無線分組核心網側（從3NodeB到互聯網）也都可以虛擬化。

即使在接入側，關於哪些留在邊緣和哪些移入中心核心的底層協議間的分割，目前正由網絡設備製造商（NEM）領域的行業決策者討論和決定。

為滿足不同用戶設備需求，業界現在已開始向虛擬化和網絡切分邁進，並將在部署5G網絡同時獲得助力。

NR：新空口

5G新空口尚未標準化，並將需要一種新的無線接入技術，而將速度提高到20Gbps。它需要使用新的毫米波（mmWave）頻段，即能夠以非常高的速度通過空氣收發數據的30GHz到300GHz之間的頻段。每個小區帶寬預計能到10-20Gbps之間，每個用戶有可能獲得1Gbps。像高端增強現實/虛擬現實這樣的應用就需要這種帶寬。

5G新空口是屬於真5G的一個領域。另外四個領域在LTE-Advanced Pro規範中都有確鑿起點，因此更具演進性。

在2017年移動世界大會之後，在克羅地亞杜布羅夫尼克舉行的第三代合作夥伴計劃（3GPP）大會上，業界一致推動5G規範的發布，並將部分規範的發布日期從2018年6月提前到2017年底。

5G新空口方麵所討論的兩件大事是：支持靈活的底層OFDM技術；支持大規模MIMO，從而實現毫米波頻譜使用。

這種靈活的底層OFDM技術可以在同一小區內同時向不同用戶提供高寬帶視頻應用和低延遲關鍵任務應用等多種服務。3GPP討論了諸如基於可擴展參數集（numerology）的OFDM和可擴展傳輸時間間隔（TTI）——用戶獲得數據的時間間隔。

雖然向5G的大規模轉移仍處於早期階段，但上述領域將是引領我們邁向這一轉移的主要階段。

本文轉載自EDN電子技術設計。

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