業界廣泛認為,5G行動通訊網路直到2020或2021年才會提供,甚至即使到那時也不會是廣泛提供。但是,隨著行動資料流程量持續增長(過去5年成長了18倍),因此可以預計5G將比以往更快地到來。思科(Cisco)預測,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。

20171212NT01P1 圖1 行動資料流程量持續增長。 (資料來源:思科)

5G與當今LTE-Advanced網路相比將會產生巨大突破,因此,有必要研究有助於引領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透過被稱為LTE-Advanced Pro(4.5G)的中間階段過渡,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每個區域20Gbps吞吐率/下行鏈路速率。達到這個速度需要從LTE-Advanced Pro開始經歷多個階段。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根天線的大規模多重輸入多重輸出(MIMO)和更高階的調變方案(如圖2所示的256QAM)等多種技術,可以實現3Gbps速率。

3Gbps的資料速率無需大改無線電技術即可實現。這是每家營運商利用其當前基礎設施並提前佈局5G所必須採取的中間階段。

未授權頻譜使用

目前,包括T-Mobile和Verizon在內的幾家主要營運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器方案。

為實現更高的吞吐率要求,授權載波頻譜不夠用,因此Wi-Fi多年來一直在使用未授權頻譜。之所以將Wi-Fi作為蜂巢通訊的「遠親」,是因為它除了不受管制,還與需授權的營運商頻譜非常相似,且Wi-Fi是免費的,因此直到最近,基本上品質不是問題。營運商已經開始推出熱點,盡可能將蜂巢流量卸載到Wi-Fi,因此給網路帶來額外壓力。但是,Wi-Fi有很多非授權頻譜可以被LTE利用。

因為終端客戶和營運商並不會過分擔心這種「免費服務」的品質,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技術為獲得更好品質和規範化接入進行的技術改進,這種心態已經發生改變:

˙使用低密度極性校驗碼(LDPC)等極性碼進行糾錯; ˙更高階的QAM,即Wi-Fi目前可以實現256QAM,且即將達到1,024QAM; ˙4×4 MIMO和多用戶MIMO,可增加吞吐率並與更多用戶同時工作。

20171212NT01P2 圖2 256QAM是5G將用於提高資料速率的一種技術。

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),將能為營運商提供更多選擇來增加社區頻寬。

對於當今未授權頻譜中的巨大頻譜資源,以及將要發佈的新資源,除了要尋找方法來卸載數十億物聯網(IoT)設備,5G網路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網路構成巨大挑戰; ˙IoT設備與傳統的蜂巢設備不同,其本質上非常零散。許多IoT設備在發送少量位元組資料之前長時間處於「休眠」狀態,5G網路需要對這些設備不頻繁卻重要的通訊進行規劃; ˙ 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體或對網路實施安全攻擊。

在處理智慧型手機等常規蜂巢設備的同時處理IoT設備,對於接入網和核心網來說是項艱巨任務。現在,從LTE網路開始著手這項任務,將能夠在5G網路到來時實現更平滑地過渡。例如,諾基亞(Nokia)、Sprint和Verizon只是今年開始測試5G的大公司中的幾家,而許多營運商聲稱它們「不久」也將開始測試5G網路。

虛擬化:網路功能虛擬化(NFV)和軟體定義網路(SDN)

虛擬化在節省營運商成本、處理網路靈活需求,以及增加營運商選擇方面,好處非常明顯。5G網路由於所涉範圍兩端的極端需求(包括偶爾發送幾個位元組,以及不同用例資料量大幅增加),創造了與虛擬化網路功能相結合的強大需求(圖3)。

20171212NT01P3 圖3 NFV基於其將傳輸的類型或資料切分核心網。

許多營運商即將對其網路——特別是分組核心網——採用虛擬化技術。分組核心網側全部是基於網際網路協定(IP)。這意味著與資料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底層協定間的分割,目前正由網路設備商(NEM)領域的產業決策者討論和決定。為滿足不同使用者設備需求,業界現在已開始向虛擬化和網路切分邁進,並將在部署5G網路同時獲得助力。

新空中介面(NR)

5G新空中介面尚未標準化,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資料的30G~300GHz之間的頻段。每個社區頻寬預計能到10~20Gbps之間,每個用戶有可能獲得1Gbps,如高階擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)這樣的應用就需要這種頻寬。

5G新空中介面是屬於真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年世界行動通訊大會(MWC)之後,在克羅埃西亞(Croatia)杜布羅夫尼克(Dubrovnik)舉行的第三代合作夥伴計畫(3GPP)大會上,業界一致推動5G規範的發佈,並將部分規範的發佈日期從2018年6月提前到2017年底。

5G新空中介面所討論的兩件大事是:支援靈活的底層OFDM技術,以及支持大規模MIMO,從而實現毫米波頻譜使用。

這種靈活的底層OFDM技術可以在同一社區內同時向不同使用者提供高寬頻視訊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)——使用者獲得資料的時間間隔。

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變的主要關鍵。