5G将是移动通信技术进化的终点? - 全文

　　大约每隔十年左右，就会出现新一代的移动网络。第一代移动电话始于1980年左右，当时还是依靠模拟技术来实现。而当1991年第二代出现的时候，整个移动网络开始走上数字化轨道。到2001年，第三代技术用高效的分组交换替代了过时又笨重的线路交换。大约在2010年，第四代移动网络大规模地采取IP技术，使移动设备能够通过宽带接入互联网。每一代技术的革新都为我们带来了新的频带，使网络的速度更快。人类不满足于仅仅传递声音，也越来越关注流动数据。

　　近来，无线运营商们已经开始思考5G网里应该包含些什么。随着外界重量级企业（如谷歌和脸谱网）威胁到他们美好的生意，一种紧迫感也随之袭来。如果移动运营商内部能够达成一致，则5G网有望在2020年准备就绪。

　　这样想可能有点太过狂妄，毕竟未来几年5G还有待争论。国家运营商和电信公司认为5G与他们自身的幸福息息相关，而政策制定者和倡导者则要为这一技术进行游说。然而，人们还是看到了希望的火光。5G与之前的几代移动技术不同，它是真正的全球标准——旅行者在世界任何地方都可以使用自己的手机，免去了到达之后购买本地SIM卡换在手机里的麻烦。

　　我们期望从5G得到什么？现阶段，关于5G我们能够肯定的几点之一就是——如果它要迎合社会需求，实现无处不在的即时连接。那么，5G网络的延迟期（即反应时间）必须达到大约1毫秒。今天，两个设备通过4G网络开启交流的速度大约为50毫秒，而在仍然普遍应用的3G网中，这一速度为500毫秒。

　　即使4G也远远不够快。例如，4G网络下，云端系统无法传输紧急指示指挥无人驾驶汽车穿过交通流。4G也达不到在远程会议中提供即时语言翻译的速度，更不用说在救死扶伤的手术中遥控指挥手术刀。很多即时无线应用的最大延迟期不得超过1毫秒。

　　另一个关键要求是数据速率，它要求初始速率至少是1Gbps（一千兆比特/秒），随后则是几Gbps。只有在这样的速度下，移动用户才能够将超高分辨率（即4k和8k）的视频传输到手机和平板电脑上。

　　今天，以LTE技术为基础的4G网，按照配置和通信量的不同，速度能达到10~100Mbps（兆位/秒）不等。大多数移动运营商仍然在推行他们的LTE服务，只有几家已经开始安装最先进的LTE-Advanced设备，（即真正的4G，与运营商假装成品的不成熟版本相对应）。据称，LTE-A的最高比特率达到了1Gbps。但是，在现实中，其速率更有可能是250Mbps。

　　那么5G网与最理想的4G网相比，又有多大改善呢？这很难说。然而，考虑到我们目睹的以往几代的十倍进展，5G的平均下载速度达到1Gbps还是比较现实的。如果技术随着时间逐渐成熟，其速度达到10Gbps也有可能。这样的无线速度甚至超出了目前互联网和家庭高清电视所用光纤的极限。

　　载波聚合和MIMO天线，这两项技术对于LTE-A的大幅增速功不可没。虽然不属于新技术，但两者在5G的实现中都有望发挥重要作用。

　　对于载波聚合来说，它一反仅仅收集附近最强信号的做法，可以从许多当地基站收集信号增加下载速度。这些不同的频道通常位于频谱上不同的波段，频率也不同，却可以组合成一根粗管。与其他的可能设备相比较而言，它能够更快地传输数据。在LTE-A中，多达5个20MHZ带宽的分量载波能够会合成一个100MHZ宽的载波。

　　考虑到频谱的全球稀缺性，大多数移动电信公司已经在尽可能的地方抢断了频率。结果，这些频谱区域相邻的概率少之又少。幸运的是，有了载波聚合，移动运营商不仅能够提升数据速率，还能够将不相邻的频谱段连在一起。当5G 5年多后在更拥挤的无线世界开始服务时，这一点会更加重要。

　　MIMO（多输入多输出）技术几乎一样。它的工作原理是通过两个或更多的天线传输两个以上数据流，同时，接收天线处理的并非最强的信号，而是所有输入信号。有人已经将它比作用多条小巷的公路代替只有一条小巷的乡村土路。今天在MIMO应用中，发送和接收方都会使用3或4条天线。但是如果将两端天线数增加到几十条，几百条呢？这会极大地提升下载速度，并且能够更高效地利用可用频谱。

　　然而，那一条频谱到底是哪一条却有待决定。今天的无线设备在拥挤的700MHZ~2.6GHZ无线电频率运行。但也不是说，5G一旦闪亮登场，今天4G甚至3G网用到的大块频谱就会立即闲置起来。还会有几百万没有立即升级到最新设备的用户（至少未来几年之内可能不会），移动运营商将不得不继续为他们提供遗留服务。

　　对于5G而言，显而易见的解决办法就是从今天的特高频转移到3GHZ和30GHZ之间的超高频波段，或者30GHZ到300GHZ之间的极高频波段。目前包括卫星电视，微波中继连接，航空雷达，射电天文学和业余无线电都在使用这些稀薄频段（也因波长被称为毫米波）。在世界上大多数地区， 60GHZ左右的一段频谱都被划归公共使用。随着最新802.11ad标准的出现，WIFI一族计划开发免执照的60GHZ波段，用于家庭内部特高清视频的传输。在典型配置中，802.11ad在适度距离内发送速度超过了6Gbps。

　　然而，凡事总有弊端。它的一个弊端就是，如此极端的频率容易被墙甚至周围移动的人阻挡，同时还导致空气中氧分子产生共振，从而易被氧气吸收。（尽管只有在100米之外的地方，吸收才会比较严重。）但是，如果在70GHZ及以上频率，空气吸收问题就完全消失了。据说，芬兰的一家网络基础设施公司——诺基亚在实验室短距离的70GHZ实验中，达到了115Gbps的速度。 所有的一切都表明，5G需要的是离用户较近而不是离蜂窝塔较近的基站。恰好，这样的基站已经成为一种趋势。目前，比WIFI调制解调器还要小的微细胞蜂窝，已经主要被用在建筑物内来解决移动接收能力差的问题。为了满足5G的需要，需要在现有的蜂窝基站之间建立数百个蜂窝接入点来填补空白。很少有人注意到附在灯杆和建筑物四边的小天线盒子，更不要说对它们的出现表示反感了。在建立新的蜂窝塔时，这是常有的事儿。

　　想想真是诱人，哪怕“物联网”添加几十亿个在电波中交流的数码设备，5G的技术基础都能够提供如此之多的潜在带宽，以至于使未来几代的移动网络成为多余。确实，一些网络建筑师希望5G就是这一发展历程的终点。他们表示，此后的一切，都只不过是一些进化性改进。想的挺美！但是，过去用别的方法教会我们，哪怕最富智慧的预言家都将败在未来的手里。

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