新通訊 2016 年 10 月號(hào) 188 期《 技術(shù)前瞻 》
文．愛(ài)立信

5G無(wú)線接取技術(shù)(RAT)的能力必須遠(yuǎn)超前幾代行動(dòng)通訊技術(shù)。這些性能包括極高的數(shù)據(jù)傳輸速率、極低的時(shí)延、超高的可靠性及效能，以及極高的裝置密度，而且將藉由長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)劃(LTE)的演進(jìn)和其他無(wú)線接取的新技術(shù)才得以實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵的技術(shù)組件包括：往更高頻段擴(kuò)展、接取/回傳整合、裝置間的通訊、靈活雙工、彈性的頻譜(Spectrum)使用、多天線傳輸、極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)、用戶層與控制層分離等。

5G新應(yīng)用紛出籠　機(jī)器類型通訊崛起
基本上，移動(dòng)電話、行動(dòng)寬帶和媒體傳送等應(yīng)用是人類與信息間的交流。然而，許多驅(qū)動(dòng)5G需求和性能的應(yīng)用及案例都是機(jī)器與機(jī)器間的通訊。為了將它們與 那些以人為中心的無(wú)線通信區(qū)別開(kāi)來(lái)，后者這些應(yīng)用通常被稱為機(jī)器類型通訊(MTC)。

雖然MTC包含一系列廣泛的應(yīng)用，但根據(jù)它們的特點(diǎn)和要求，MTC應(yīng)用可分為巨量型MTC和關(guān)鍵型MTC兩大類(圖1)。

圖1　巨量型MTC與關(guān)鍵型MTC

巨量型MTC一般來(lái)說(shuō)涉及大量的裝置--通常是傳感器和致動(dòng)器。傳感器的成本極低，而且為了維持較長(zhǎng)的電池壽命，消耗的能源也極少。顯而易見(jiàn)的是，每個(gè)傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量通常很少，因此極低的時(shí)延并非關(guān)鍵需求。致動(dòng)器的成本也不高，它們的能耗程度從極低到中等不等。

行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有時(shí)被用于透過(guò)毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)(Capillary Network)建立裝置間的鏈接。這種情況下，本地連結(jié)由Wi-Fi、藍(lán)牙(Bluetooth)或802.15.4/6LoWPAN等短程無(wú)線接取技術(shù)提供。本地區(qū)以外的無(wú)線連接由行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)提供。

關(guān)鍵型MTC指的是流量傳輸安全/基礎(chǔ)設(shè)施控制、工業(yè)用無(wú)線連接等應(yīng)用。這些應(yīng)用要求無(wú)線連結(jié)具備極高的可靠性、可用性和極低的時(shí)延。另一方面，巨量型MTC所需要的低裝置成本、低能耗的條件，對(duì)于關(guān)鍵型MTC應(yīng)用并不那么重要。雖然設(shè)備間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可能并不大，但瞬時(shí)間的高帶寬有助于滿足容量和時(shí)延要求。

網(wǎng)絡(luò)能夠處理越多不同類型的應(yīng)用越好，其中包括在同一個(gè)頻譜中使用同一種無(wú)線接取基礎(chǔ)技術(shù)處理行動(dòng)寬帶、媒體傳送以及其他一系列廣泛的MTC應(yīng)用。這可避免頻譜過(guò)于零碎，并能讓營(yíng)運(yùn)商在毋須部署一個(gè)單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)或?yàn)檫@些應(yīng)用重新分配頻譜的情況下，支持商業(yè)潛能尚不明確的新型態(tài)MTC服務(wù)。

行動(dòng)通訊行業(yè)力爭(zhēng)　5G頻譜大戰(zhàn)開(kāi)打
為乘載日益增加的流量，并實(shí)現(xiàn)支持極高速率所需的傳輸帶寬，5G將拓展行動(dòng)通訊所使用的頻率范圍，其中包括6GHz以下的新頻譜和更高頻段的頻譜。

更高頻段中的行動(dòng)通訊用候選頻段還有待國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信組(ITU-R)或各國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)確認(rèn)。從傳播特性的角度，業(yè)界傾向于這個(gè)頻率范圍的低于30GHz以下的部分。同時(shí)，大量的頻譜以及更高的傳輸帶寬容易出現(xiàn)在1GHz或更有可能在30GHz以上的部分出現(xiàn)。因此，適用于5G無(wú)線接取技術(shù)的頻段從1GHz之下開(kāi)始一直到約100GHz(圖2)。

圖2　適用于5G無(wú)線接取技術(shù)的頻段

必須了解的是，高頻率(尤其是10GHz以上的頻率)只能用做低頻段的補(bǔ)充，主要為密集環(huán)境中極高的數(shù)據(jù)速率提供更多的系統(tǒng)容量和極寬的傳輸帶寬。在5G時(shí)代，較低頻段的頻譜配置依然將是行動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的骨干，提供無(wú)處不在的廣域連結(jié)。

世界無(wú)線電通訊大會(huì)(WRC-15)討論會(huì)達(dá)成了一項(xiàng)協(xié)議，將針對(duì)5G的IMT-2020規(guī)范納入WRC-19中。大會(huì)也就一組將用于5G研究、可直接適用于NX的頻段達(dá)成共識(shí)。所提議的很多頻段都屬于毫米波(Millimeter Wave, mmWave)區(qū)域，其中包括：24.25G～27.5GHz、37G～40.5GHz、42.5G～43.5GHz、45.5G～47GHz、47.2G～50.2GHz、50.4G～52.6GHz、66G～76GHz和81G～86GHz，分配給主要的行動(dòng)通訊服務(wù)；31.8G～33.4GHz、40.5G～42.5GHz和47GHz～47.2GHz，可能需要額外分配給主要的行動(dòng)通訊服務(wù)。

行動(dòng)通訊行業(yè)將力爭(zhēng)6G～20GHz范圍的頻譜，但各大監(jiān)管機(jī)構(gòu)遵循的政策導(dǎo)向似乎聚焦于30GHz以上的頻段。在美國(guó)，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)發(fā)布了兩條與24GHz以上頻段有關(guān)的公共規(guī)則制定通知(Notices of Public Rule Making, NPRM)。英國(guó)通訊管理局(Ofcom)同樣也表現(xiàn)出對(duì)30GHz以上頻段的偏好。

行動(dòng)通訊業(yè)的容量需求將繼續(xù)由授權(quán)頻段滿足，但隨著新頻譜開(kāi)始影響衛(wèi)星通訊、無(wú)線電定位等現(xiàn)有服務(wù)，新的頻譜共享方案將變得越來(lái)越重要。共享方案的兩個(gè)范例包括歐洲為2.3GHz頻段規(guī)劃的LSA，以及美國(guó)在3.5GHz頻段的公民寬帶無(wú)線服務(wù)(Citizens Band Radio Service)。
相關(guān)技術(shù)組件襄助　5G發(fā)展如魚(yú)得水。

除了向更高頻率擴(kuò)展外，還有幾個(gè)與演進(jìn)至5G無(wú)線接取技術(shù)有關(guān)的其他技術(shù)組件，包括接取/回傳整合、裝置對(duì)裝置通訊、靈活雙工、彈性的頻譜使用、多天線傳輸、極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)以及用戶/控制分離。

接取/回傳整合
無(wú)線技術(shù)經(jīng)常被當(dāng)作回傳解決方案的一部分。這些無(wú)線回傳解決方案通常采用專有無(wú)線技術(shù)，在視距條件下和高頻段中運(yùn)作，其中包括毫米波頻段。

未來(lái)的接取(基地臺(tái)到裝置)鏈路也將拓展到更高頻率。此外，為了支持高密度低功耗部署，無(wú)線回傳還將進(jìn)一步拓展，像接取鏈路那樣得以涵蓋非視距的狀況。

因此在5G時(shí)代，無(wú)線接取鏈路和無(wú)線回傳應(yīng)被看作一個(gè)整合的無(wú)線接取解決方案，能夠使用同一種基礎(chǔ)技術(shù)和一個(gè)共享頻譜池(Spectrum Pool)運(yùn)作。如此一 來(lái)將提高整體的頻譜使用效率，同時(shí)減少營(yíng)運(yùn)和管理工作量。

裝置對(duì)裝置通訊
特定的裝置對(duì)裝置(Device-to-Device, D2D)通訊最近成為了LTE規(guī)范延伸的一部分。在5G時(shí)代，從一開(kāi)始就應(yīng)該把支持D2D視為無(wú)線接取方案的一部分。這不只包括裝置間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)用戶數(shù)據(jù)通訊，而且還包括將行動(dòng)裝置作為拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋的中繼點(diǎn)。

D2D直接通訊可用于分擔(dān)流量、拓展性能，并增強(qiáng)無(wú)線接取網(wǎng)的整體效率。此外，為了避免對(duì)其他鏈路的不可控干擾，D2D直接通訊應(yīng)被置于網(wǎng)絡(luò)控制之下。對(duì)于授權(quán)頻譜的D2D通訊而言，這一點(diǎn)特別重要。

靈活雙工
從行動(dòng)通訊問(wèn)世以來(lái)，分頻雙工(FDD)一直是主要的雙工方案。在5G時(shí)代，F(xiàn)DD仍將是低頻段的主要雙工方案，但是對(duì)于極密集環(huán)境的高頻段，尤其是10GHz以上的頻段，分時(shí)雙工(TDD)將扮演更加重要的角色。

在低功耗節(jié)點(diǎn)密集部署的環(huán)境中，TDD中的干擾場(chǎng)景(基地臺(tái)到基地臺(tái)、裝置到裝置的直接干擾)將類似于同樣在FDD中出現(xiàn)的「正常的」基地臺(tái)到裝置，和裝置到基地站的干擾。

此外，考慮到極密集環(huán)境中的動(dòng)態(tài)流量變化，為不同的傳輸方向動(dòng)態(tài)分配傳輸資源(如時(shí)槽)的能力，也有助于更有效率地運(yùn)用可用頻譜。

因此，為了發(fā)揮最大潛能，5G應(yīng)允許非常有彈性和動(dòng)態(tài)地分配TDD傳輸資源。相對(duì)于TDD現(xiàn)有的行動(dòng)通訊技術(shù)，包括分時(shí)長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)劃(TD-LTE)在內(nèi)，對(duì)上下行鏈路配置有限制，而且通常假設(shè)了相鄰的蜂巢和相鄰的營(yíng)運(yùn)商配置相同。

彈性的頻譜使用
行動(dòng)通訊自問(wèn)世以來(lái)，一直依賴于各個(gè)地區(qū)的每個(gè)營(yíng)運(yùn)商授權(quán)的頻譜。這仍將是5G時(shí)代行動(dòng)通訊的基礎(chǔ)，讓營(yíng)運(yùn)商能夠在一個(gè)干擾受控制下的環(huán)境中，提供高質(zhì)量的連結(jié)服務(wù)。盡管如此，向每個(gè)營(yíng)運(yùn)商授權(quán)頻譜的方式將有可能輔以共享頻譜的方式。這種共享可能發(fā)生在有限數(shù)量的營(yíng)運(yùn)商之間，也可能發(fā)生在免授權(quán)場(chǎng)景中。

NX等新型空中接口可能會(huì)非常適合更加傳統(tǒng)的授權(quán)執(zhí)照頻段，主要因?yàn)轫氁獮樵摷夹g(shù)的獨(dú)立工作奠定基礎(chǔ)，同時(shí)利用LTE等技術(shù)實(shí)現(xiàn)互連互通。在未來(lái)某種情況下，5G頻譜的進(jìn)一步分配有可能借鑒通訊行業(yè)在較低蜂巢頻段中采用的共享方法。

多天線傳輸
由于小型天線有著物理局限，多天線傳輸已在當(dāng)代行動(dòng)通訊中發(fā)揮了重要作用，并且將在5G時(shí)代扮演更加重要的角色。只要發(fā)射和接收天線的有效孔徑不變，發(fā)射器和接收器之間的路徑損耗就不會(huì)隨著頻率改變。但天線孔徑的縮減與頻率的平方成正比，而這種縮減可以透過(guò)采用更高的天線方向性加以補(bǔ)償。5G無(wú)線技術(shù)將采用數(shù)百個(gè)天線單元，將天線孔徑增加到超出現(xiàn)有蜂巢技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的水平。

此外，發(fā)射端和接收端將利用波束成形(Beamforming)技術(shù)追蹤對(duì)方，并改善瞬時(shí)配置鏈路上的能量傳送。波束成形技術(shù)還能將干擾限制在發(fā)射端周圍的小部分空間中，并將干擾對(duì)接收端的影響限制在罕見(jiàn)的隨機(jī)事件上，從而改善無(wú)線環(huán)境。對(duì)于低頻段而言，波束成形將是一項(xiàng)重要技術(shù)，例如用于增加覆蓋范圍，或在部署稀疏的環(huán)境中提供更高的傳輸速率。

極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)
極簡(jiǎn)(Ultra-lean)無(wú)線接取設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的高效至關(guān)重要。極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)的基本原則可以表示為：盡量減少任何與傳送用戶數(shù)據(jù)無(wú)直接關(guān)系的傳輸。這些傳輸包括訊號(hào)同步、網(wǎng)絡(luò)接入、信道估算以及各類系統(tǒng)和控制信息的廣播。

極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)對(duì)于那些擁有大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和流量變化極大的密集部署特別重要。能使網(wǎng)絡(luò)在沒(méi)有用戶數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，讓節(jié)點(diǎn)快速進(jìn)入低能耗狀態(tài)，在提升網(wǎng)絡(luò)效能方面將發(fā)揮重要作用。極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)還能減少來(lái)自非用戶數(shù)據(jù)相關(guān)傳輸?shù)母蓴_，達(dá)到更高的傳輸速度。

用戶層與控制層分離
5G的另一個(gè)重要設(shè)計(jì)原則是分離用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)控制功能。后者包括提供系統(tǒng)信息，亦即裝置接取系統(tǒng)所需的信息和步驟。

這種分離將實(shí)現(xiàn)用戶層擴(kuò)展和基本系統(tǒng)控制功能的分離。例如，用戶數(shù)據(jù)可以由一個(gè)密集的節(jié)點(diǎn)層傳送，而系統(tǒng)信息只由一個(gè)宏迭加層(Overlaid Macro Layer)提供，裝置最初則在這一層接取系統(tǒng)。

用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)控制功能的分離，應(yīng)該還可能延伸到多個(gè)頻段和無(wú)線接取技術(shù)。例如，基于新的高頻無(wú)線接取的某個(gè)密集層的系統(tǒng)控制功能，可由一個(gè)LTE迭加層提供。

用戶/控制分離也是未來(lái)那些重度依賴波束成形來(lái)傳送用戶數(shù)據(jù)之無(wú)線接取系統(tǒng)的重要組成部分。極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)結(jié)合用戶層數(shù)據(jù)傳送和基本系統(tǒng)控制功能的邏輯分離，將能更好地優(yōu)化裝置導(dǎo)向型網(wǎng)絡(luò)中活躍的無(wú)線鏈路。由于只有與系統(tǒng)控制層相關(guān)的極簡(jiǎn)訊號(hào)需要是靜態(tài)的，因此得以設(shè)計(jì)出一切幾乎能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的系統(tǒng)。

極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)下用戶數(shù)據(jù)傳送和系統(tǒng)控制功能的分離，還能提升無(wú)線接取技術(shù)演進(jìn)的彈性，藉助這種分離，用戶層能夠在保持系統(tǒng)控制功能的同時(shí)不斷演進(jìn)。