5G的非凡潜力以及面临的艰巨挑战

即使您并不熟悉无线技术，想必也一定听说过5G。在早些时候举办的世界移动通信大会上，5G顺理成章地成为了最重要议题之一，各大电视广播公司以及不计其数的主流网络和纸媒也纷纷报道了有关5G的话题，盛况宛若当年4G (LTE) 行将到来之际。然而，5G至少还需要五年才能普及，为何它现在就能如此博人眼球？

LTE-A地位几何？

在5G的耀眼光芒下，增强型长期演进技术（LTE-Advanced，简称LTE-A或4G+）虽然依旧在部署，却已经远不如业内典型技术那样叫好又叫座。在3G向4G转变期间，3.5G实现了可接受的数据速率，弥合了两代技术之间的差距。与之类似，LTE-A也可以视为介于LTE和5G之间的4.5G技术，它可以提高理论数据速率和频谱效率、处理更高的并发用户流量、在蜂窝站点覆盖区域的边缘实现更高的性能，并在其他各方面铺平通往5G的道路。它还引入了载波聚合、多输入多输出 (MIMO) 和中继节点技术，其中载波聚合是指将多个载波（信道）组合到一起实现更大的带宽，这些载波可位于相邻乃至完全不同的频率上。

至于MIMO，如果您有一台带多根天线的IEEE 802.n或IEEE 802.11ac Wi-Fi路由器，很可能就已经对它略知一二。这类产品通过多根天线来发送和接收两个或更多个数据流，从而提高数据速率，这就是被称为“空间复用”的技术。载波聚合和MIMO在LTE阶段就已经起步，但在LTE-A中得到了增强，因而后者能够更充分地利用所谓的“小蜂窝”，这是一种遍布网络覆盖范围内各个角落的小型基站。2015年8月，SK Telecom在韩国启用了第一个LTE-A网络，同时该技术也在美国得到了部署。苹果最新一代的iPhone手机、大多数三星智能手机，以及多款来自于LG、微软/诺基亚、摩托罗拉（已被联想收购）、华为和黑莓的智能手机产品都搭载了LTE-A。日后，我们要逐渐习惯5G被称为“IMT-2020”，因为这是国际电信联盟 (ITU) 确定的正式名称，该国际组织是联合国负责监督和协调全球通信的机构。不过，大多数人依然称之为5G。

前途无量，更需淡定

如今，全球5G营销开展得如火如荼，在技术进步的加持下，“万物互联”似乎指日可待。但话说回来，我们真的能够实现这样的承诺吗？当今媒体炒作之下的整个5G梦，其实是值得怀疑的，毕竟最终成果不可能逃脱物理定律的限制，况且5G试图达成的大多数目标都必须建立在更大范围科学研究的基础上，这才是某些目标真正的成败关键。

当然，5G绝不仅仅是上传和下载速度的“又一次”提升 - 按照英特尔的说法，5G是“一个端到端的生态系统，能够让完全移动和互联的社会成为现实”。它依赖于许可频谱和免许可频谱、模块化设计、基于云的软件定义网络和动态分配的资源，这将促使人们在很大程度上改变无线网络的搭建编排方式和运行频率，显著降低延迟（数据在用户与其通信对象之间的往返时间），并且让更多类型的设备可以连接到这些网络。

除此以外，最低理论数据速率提高到10 Gb/秒（图2）、每单位面积带宽提高1000倍、同时连接的设备数量增加10到100倍、网络年耗电量降低90%以及让微型物联网设备可以连续10年正常运作而无需充电或更换电池，这些也都是5G需要实现的目标。虽然理论数据速率可达10 Gb/秒，但实际应用中会显著低于这一水平，可就算“只能”实现500 Mb/秒的数据速率，也已经达到了至少十倍于当今绝大多数用户体验需求的水平，也比常规的家庭宽带更快。

图2：从3.5G到5G的理论数据速率（资料来源： GSMA Intelligence）

5G如此诱人的前景，预示着它能够在娱乐内容、宽带交付以及诸如完全基于云的企业计算环境等各类应用上与电缆和光纤网络展开竞争。在5G生态内部，这样的前景意味着需要为数十亿的机器对机器（即物联网）设备提供电力和通信，分析师认为这些设备将在2020年投入运行，这恰巧与5G可能开始部署的时间吻合。

实际上，5G的大部分所谓独特之处都可以通过现有技术实现，排除掉它们之后，余下的两种才是真正的5G独有特性，分别是极低延迟和超过1 Gb/秒的数据速率，而极低延迟无疑是其中最困难的技术挑战：如果无法将延迟降到1毫秒之内，便意味着某些功能无法实现，这些功能最终将会从标准中排除。

瞬时响应是王道

对于大多数人而言，延迟并不那么重要，因为它不会影响我们在网络上的日常活动，比如浏览网页、观看视频、收发电子邮件和“偶尔”打打游戏等。但对于“电竞”级别的游戏玩家而言，延迟就是一个重要问题。图3是一份来自GSMA的图表，清晰标示了各种应用与数据速率和延迟的关系。LTE的最低延迟只能达到约10毫秒的水平，（理论上）只能涵盖图中白色区域内的应用。许多新兴应用如自动驾驶汽车、虚拟现实和增强现实以及触觉互联网（Tactile Internet）都不在这个范围内。

图3：至少从理论上而言，图中所有位于白色区域内的应用都可以通过现有无线网络来承载。唯一的例外可能是多人视频会话和基于云的无线办公。要在5G中实现灰色区域内的应用，除了要有足够快的网络之外，最重要的决定性因素就是要实现不大于1毫秒的端到端延迟。（资料来源：GSMA）

如果您从没听说过“触觉互联网”这个概念，也没什么，因为就目前可实现的1毫秒内超低延迟水平而言，这项技术对延迟的要求极为苛刻，从实用角度来看依然是无法实现的。如果要在工业、机器人与遥现（telepresence）、虚拟现实、增强现实、医疗保健、交通安全和电竞等领域中实现精确的人机交互和机器对机器交互，就需要采用触觉互联网技术。

将往返延迟降到1毫秒以内是5G最重要的基本原则之一，对于某些应用领域而言是决定性的问题，因为从它们的需求来看，近乎瞬时的响应绝非锦上添花，而是不可或缺。例如，任何将安全视为头等大事的应用都需要这样的能力，最显著的例子莫过于汽车自动驾驶，但在医疗、机器人、虚拟现实和增强现实以及某些机器对机器交互的领域中也存在具有这种需求的应用。

各种应用对延迟的要求取决于人们的反应能力。也就是说，这些应用的延迟必须达到或超过人类的反应速度。例如，当一个人对无法预料的突发事件作出反应时，从感觉到这个事件直至作出反应，其时间差大约是1秒。要在浏览网页时做到即时响应的体验，单击链接后的加载时间就要是几百毫秒的水平。如果我们对一件事已预先有准备，反应时间更会快至约100毫秒。现代语音通信系统在设计上旨在确保能够在用户反应时间内传输语音数据，如果无法达到这一要求，那会是一件十分恼人的事情。人类的视觉反应时间大约是10毫秒，根据这个时间设置画面刷新率可以获得良好的视频体验，而现代电视机的图像刷新率至少能达到100 Hz，正相当于最大延迟10毫秒的水平。

然而，在我们期待获得快速响应的情况下，比如在电竞过程中控制一个视觉场景，我们预期发出的命令能够迅速得到响应，甚至戴着虚拟现实眼镜时，我们都想显示器的反应时间低过1毫秒以获得最好的体验。无论信号处理和网络设计在2020年之前做出多大的进步，低于1毫秒的延迟都是极难实现的。简单来说就是，信号在各种介质中的传输速度是由物理定律决定的，但网络中还存在各种各样的瓶颈问题。从实践角度而言，这恐怕意味着近似1毫秒的延迟基准只有在输出和显示装置之间距离“非常短”的情况下才可能实现。

根据相关研究，这个“非常短”的距离不到一英里，就现在的无线基础设施而言很难实现，这需要设立数量巨大的小型基站。或许规定各家运营商共同使用同一套网络基础设施，让所有用户都可以通过相同的无线电系统来访问需提供的内容源可以实现这点，但这种做法显然要解决互相竞争的运营商之间的利益问题。如果无法实现1毫秒以内的延迟，那么诸如汽车自动驾驶、虚拟现实和其他所有需要瞬时响应的应用都从何谈起呢？就目前而言，这仍是一个无解的问题，除非可以在非常短的传输距离上实现出色的传输效果。请记住，无线传输的速率可以比光纤快。所以在要求“瞬时”响应的证券行业中，广泛部署点对点微波链路并以此来传输数据是有实际理由的。所以希望还在，不要放弃。

上下求索为带宽

无线运营商迫切需要成长的空间，而5G带来的重大进步无疑为他们打开了一扇门，毕竟从700 MHz到大约2.6 GHz之间的频谱资源极为有限，各类网络已经瓜分殆尽。但是，令人头疼的问题总出现在细节中，虽然5G开放的高频资源鲜有他人占据，也因此带来了更强的扩展能力，但受限于这些频率自身的特性，它们并不太适用于诸如蜂窝系统之类的广域网络，主要原因在于这些频率的信号传播特性与低频率存在显著区别。实际应用中，在较高频率上运行的网络需要投入更高的成本，因为信号传输距离短，需要安装更多基础设施，而这些设备的构建费用是非常昂贵的。有鉴于此，5G系统很可能会率先在6 GHz左右的频率上部署，并在该频率两侧的频谱饱和后逐渐向更高频率进军，最终进入到毫米波范围内。然而在这样的频率下实现合理距离的可靠通信将会是一项巨大挑战，至少一定会用上新的收发器、天线和其他各种昂贵的硬件设备，并部署诸如大规模MIMO（多输入多输出Multi-input Multi-output ）和波束成形等技术，以期实现高质量服务，并确保在任何操作场景下都具备99.999%的可靠性。

针对在毫米波频率范围内进行通信所面临的挑战，三星的工程师开展了一系列的研究，并在该公司提交给美国联邦通信委员会的一份报告中发布了相关成果，证实了采用这些频率进行通信的可行性。然而这些成果是在视距传输路径下测得的，况且即便在如此理想的条件下，建筑内部的障碍和穿透依然会带来难以解决的问题。不过，这些测试的目的在于建立起概念验证，并证明这些频率用于通信的可行性。当真的需要用到它们时，也许很多困难都已经克服了。

网络架构开新篇

设计开放式网络架构是5G的一项关键要求，因为现有的这些架构不是使用5 G专用硬件构建的。此类硬件无法在需要扩展时主动适应，而且有维护困难和价格昂贵两大缺点。新的网络架构将通过网络功能虚拟化 (NFV) 和软件定义网络 (SDN) 等技术进行部署。NFV可以有效地将功能转移到云中，这些功能以前由本地硬件执行，而SDN通过将控制平面与数据平面分离，使网络实现高度可编程。SDN可以动态优化服务交付方式，这是当前网络架构无法充分实现的。

与许多其他行业一样，广泛使用开源方法是成功的关键，它让所有开发人员和解决方案供应商都能够以统一的方式实施自己的方案，并且成本更低。仅从这一点而言，这种做法就已经显著不同于当今的实践。我们希望5G能在未来十年内尽快投用，为此显然还有大量工作需要完成。但是，从长远来看，这种做法会带来巨大的正面影响，它将会终结无线行业所谓的“烟囱系统”（系统内的信息孤岛）做法。

九层之台，起于累土

对于5G事业而言，本文提到的这些挑战仅仅只是冰山一角。在5G得以实现之前，所有必须完成的研究和开发工作都绝非易事，但这些工作成果意义非凡，它们将为未来的进步铺平道路，而这些进步将催生出更多我们未曾想象过的应用。

审核编辑：郭婷