5G時代：無線網(wǎng)絡(luò)將比光纖更快

　　每隔十年左右，手機(jī)網(wǎng)絡(luò)就要更新?lián)Q代。從大約1980年開始，第一代手機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用的是模擬技術(shù)。自從1991年第二代手機(jī)網(wǎng)絡(luò)到來之后，手機(jī)網(wǎng)絡(luò)開始數(shù)字化。至2011年，第三代手機(jī)網(wǎng)絡(luò)從舊式電路交換轉(zhuǎn)到高效的分組交換。在2010年左右，第四代網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模地采用了IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）技術(shù)，讓移動設(shè)備以寬帶速度接入到互聯(lián)網(wǎng)。每一代新網(wǎng)絡(luò)都采用了新的頻段，速度更快，更加注重?cái)?shù)據(jù)流，而不是簡單地傳送語音。

　　最近，無線運(yùn)營商開始考慮第五代（5G）網(wǎng)絡(luò)采用哪些技術(shù)。谷歌和Facebook等業(yè)外巨頭最近都表示要進(jìn)軍移動無線網(wǎng)絡(luò)，移動運(yùn)營商感到了一種緊迫感。如果移動運(yùn)營商能達(dá)成一致，他們希望在2020年之前能推出第五代移動網(wǎng)絡(luò)。

　　這可能有點(diǎn)過于雄心勃勃。前面還將有多年的扯皮還價，決策者和標(biāo)準(zhǔn)持有者還會試圖說服本國的運(yùn)營商和電信公司使用自己的技術(shù)，因?yàn)檫@對它們的發(fā)展至關(guān)重要。然而，跟前面幾代移動技術(shù)不一樣，5G有希望成為真正的全球標(biāo)準(zhǔn)，人們無論走到哪里都可以使用自己的手機(jī)，出國的時候不用再麻煩把自己的SIM卡換成當(dāng)?shù)乜ā?/p>

　　5G技術(shù)會給我們帶來哪些期待？在目前，我們可以肯定的一點(diǎn)是，5G網(wǎng)絡(luò)的延遲時間（即響應(yīng)時間）只有大概一毫秒。利用現(xiàn)在的4G網(wǎng)絡(luò)讓兩部手機(jī)互相連接的時間為50毫秒，而廣泛使用的3G網(wǎng)絡(luò)則需要500毫秒。

　　即使是4G網(wǎng)絡(luò)，對用于向無人駕駛汽車發(fā)送緊急指令的云系統(tǒng)來說，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠快。這速度也不足以向參與電話會議的各方提供無縫語言翻譯，更不用說遠(yuǎn)程指導(dǎo)外科醫(yī)生實(shí)施拯救生命的手術(shù)。許多即時無線應(yīng)用需要不超過一毫秒的時間延遲。

　　另外一個基本要求是不少于每秒一千兆（1Gbps）的數(shù)據(jù)速率，以后還會需要每秒幾千兆的數(shù)據(jù)速率。用戶如果要在手機(jī)或者平板上在線觀看超高清視頻（比如，4k視頻，很快就會推出8k視頻），這樣的速度是必不可少的。

　　目前基于LTE技術(shù)的4G網(wǎng)絡(luò)可以每秒傳輸10到100兆的數(shù)據(jù)。大多數(shù)移動運(yùn)營商仍在推出其LTE服務(wù)，一些運(yùn)營商已經(jīng)開始安裝最新的LTE-Advanced的設(shè)備（即真正的4G，以前的是運(yùn)營商們欺騙消費(fèi)者說是4G的不成熟版本）。LTE-A的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率據(jù)稱是1Gbps。然而實(shí)際上用起來只有250Mbps。

　　那么，5G技術(shù)相比4G，有哪些改進(jìn)呢？這很難說。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)看，每一代新技術(shù)都比上一代技術(shù)速度快十倍，5G網(wǎng)絡(luò)的平均下載速度最有可能達(dá)到1Gbps，隨著技術(shù)的成熟，有可能上升到10Gbps。這樣的無線傳輸速率甚至比目前用于向家庭提供互聯(lián)網(wǎng)接入和高清電視的光纖還要快得多。

　　讓LET-A比以往幾代技術(shù)速度大大提升的是兩種新技術(shù)：載波聚合和MIMO天線。這兩者都不屬于新技術(shù)，但都可能在實(shí)現(xiàn)5G的潛力中起到非常大的作用。

　　就其本身而言，載波聚合通過從多個本地基站接收信號提高下載速度，而不僅僅是從附近信號最強(qiáng)的基站接收信號。這些不同的波段聚到一起之后所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大大提高。在LTE-A技術(shù)中，可以讓五個高達(dá)20MHz的帶寬載波單元聚集成100MHz單載波。

　　頻段是全球性短缺資源，大部分移動電信公司都已經(jīng)把能夠利用的頻率都利用了。其結(jié)果是，它們的頻段很少是連續(xù)的。幸運(yùn)的是，載波聚合不但讓移動運(yùn)營商提高了其數(shù)據(jù)傳輸速率，而且可以讓它們把不同的頻段拼接到一起。在五年以后5G服務(wù)進(jìn)入更擁擠的無線世界的時候，載波聚合甚至?xí)兊酶匾?/p>

　　MIMO（多輸入/多輸出）也是使用了同樣的方式。MIMO通過兩個或多個天線傳輸兩個或多個的數(shù)據(jù)流，讓接收天線處理所有的傳入信號，而不只是最強(qiáng)的信號。這就好像用高速公路代替單車道的鄉(xiāng)間公路。目前的MIMO應(yīng)用方式通常是在發(fā)送端和接收端都使用三四個天線。如果兩端都使用幾十甚至上百個天線，又會怎樣呢？這將大大提高下載速率，更有效地利用可用頻段。

　　然而，5G到底會使用哪些頻道仍然沒有確定下來。如今的無線設(shè)備使用的是擁擠的700MHz到2.6GHz頻道范圍。這并不是說，5G推出之后，今天的4G，甚至3G網(wǎng)絡(luò)所使用的頻道就會突然被空出來。移動運(yùn)營商將會繼續(xù)數(shù)為以百萬計(jì)沒有立即升級到最新的設(shè)備用戶繼續(xù)提供他們的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，這些用戶可能會好幾年都不會升級設(shè)備。

　　最有可能的情況是，5G將從今天的UHF（特高頻）頻段轉(zhuǎn)移到3Ghz和30GHz之間的SHF（超高頻）頻段，甚至是30GHz和300GHz之間的EHF（極高頻）頻段。目前這些頻段（因其波長被稱為“毫米波”）被用于衛(wèi)星電視、微波？？中繼鏈路、空中交通雷達(dá)、射電天文學(xué)和業(yè)余無線電。

　　在世界大多數(shù)地區(qū)，60GHz周圍的頻段被指定為民用波段。WiFi研究者正計(jì)劃通過新的802.11ad標(biāo)準(zhǔn)利用未被劃作專用的60GHz波段在家庭中無線傳輸超高清視頻。在典型配置中，802.11ad能在適度的距離內(nèi)達(dá)到6Gbps的傳輸速率。

　　這個頻段同樣存在缺陷。其中一個就是，這種極端的頻率很容易被墻，甚至走動中的人阻擋。這些頻率會使空氣中的氧分子產(chǎn)生共振而被吸收，雖然只有在超過100米距離的時候才會產(chǎn)生顯著的吸收效果。然而，將頻率提高到70GHz或者以上時，空氣吸收的情況完全不存在。據(jù)稱芬蘭網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施公司諾基亞在實(shí)驗(yàn)室測試中利用70GHz頻率取得了115Gbps的傳輸速率。

　　所有這些意味著5G技術(shù)將需要比目前的手機(jī)信號發(fā)射塔更靠近用戶的基站。這已經(jīng)是一個正在發(fā)生的趨勢了。到目前為止，微蜂窩已被主要用于建筑物內(nèi)解決手機(jī)信號差的問題。為了處理5G數(shù)據(jù)，現(xiàn)有手機(jī)基站之間的空白地帶需要部署數(shù)百個微蜂窩接入點(diǎn)。這些小天線盒會被安裝在路燈柱子上或者建筑物內(nèi)，幾乎沒有人會注意到它們，更不會有人反對安裝了，而架設(shè)新的手機(jī)信號發(fā)射塔往往就不一樣了。

　　人們禁不住會想，即使是在數(shù)十億數(shù)字設(shè)備通過電波互相聯(lián)絡(luò)的“物聯(lián)網(wǎng)”時代，5G技術(shù)所提供的帶寬也足夠使用了，開發(fā)下一代的移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)會變得沒有必要。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師希望5G技術(shù)成為移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的終點(diǎn)，他們認(rèn)為此后的工作僅僅是一些演進(jìn)式的改善。這是一個不錯的想法。然而，過去的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，即使是最聰明的預(yù)言也會在將來被突破。

來源：騰訊科技

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