5G的未來(lái)是什么樣的？從經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)值來(lái)分析5G的演變進(jìn)程

從來(lái)沒(méi)有一個(gè)新無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)像5G這樣引起這么多炒作和關(guān)注。5G由于其對(duì)全球消費(fèi)者和企業(yè)的潛在變革性影響而引起了廣泛的關(guān)注。這些炒作是否言過(guò)其實(shí)？接下來(lái)讓我們邀請(qǐng)德州奧斯汀NI總部的技術(shù)大咖James Kimery分析5G的提出、當(dāng)前進(jìn)程以及未來(lái)可能的發(fā)展。

5G技術(shù)的提出

十多年前，蘋(píng)果公司推出了iPhone，讓我們看到了智能設(shè)備與無(wú)線寬帶數(shù)據(jù)相結(jié)合帶來(lái)的無(wú)限潛力。思科在2016年發(fā)布了《全球移動(dòng)流量預(yù)測(cè)》，估計(jì)全球銷(xiāo)售的智能設(shè)備超過(guò)15億臺(tái)。 該報(bào)告還估計(jì)，到2021年，全球每月將消耗超過(guò)49艾字節(jié)的數(shù)據(jù)量，比2016年的增加了7倍。智能設(shè)備的接受度、采用率和普及性令人震驚，而且它本身就是變革性的。5G的目標(biāo)是進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)量。寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)將繼續(xù)引起關(guān)注，而制定5G標(biāo)準(zhǔn)的世界標(biāo)準(zhǔn)化組織顯然已經(jīng)注意到這一點(diǎn)。

在5G標(biāo)準(zhǔn)化啟動(dòng)之初，3GPP列出了三個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)（見(jiàn)圖1）：

3GPP定義了增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）用例，并提出了高于10 Gbps峰值數(shù)據(jù)速率的性能目標(biāo)來(lái)擴(kuò)展寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
作為對(duì)多個(gè)行業(yè)組織的回應(yīng)，3GPP還為超可靠低延遲通信（URLLC）和增強(qiáng)的連接性設(shè)定了關(guān)鍵性能指標(biāo)，為數(shù)十億臺(tái)用于大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）的連接設(shè)備開(kāi)創(chuàng)了舞臺(tái)。


圖1. 3GPP定義的5G用例。

今天的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有解決延遲和廣泛連接的問(wèn)題。延遲是一個(gè)非常重要的參數(shù)，因?yàn)榈脱舆t不僅可以改善用戶的日常數(shù)據(jù)體驗(yàn)，還可以實(shí)現(xiàn)需要快速網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的新應(yīng)用。低延遲，特別是確定性低延遲響應(yīng)能力，為基于網(wǎng)絡(luò)的“控制”應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。將機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、汽車(chē)以及其他可以“移動(dòng)”的設(shè)備與低延遲無(wú)線通信相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，這可能會(huì)影響到建筑、醫(yī)藥、制造、零售服務(wù)和安全行業(yè)。這里說(shuō)的延遲還包括云端或部署的傳感器及時(shí)提供信息到這些設(shè)備的大腦，以便在運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)做出決定來(lái)增強(qiáng)安全性。在這種情況下，數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)傳遞的，控制機(jī)制部署在設(shè)備上。

2015年，3GPP啟動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)化工作時(shí)，該小組列出了這一新標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間表和關(guān)鍵性能目標(biāo)。 3GPP為定義過(guò)程給出了前所未有的指導(dǎo)方針：

首先，3GPP放棄了與先前版本的兼容性，設(shè)定了向前兼容性目標(biāo)。 通過(guò)斷絕與LTE和先前標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系，3GPP開(kāi)創(chuàng)了一條創(chuàng)新之路，以滿足這些難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

其次，3GPP將5G進(jìn)程分為多個(gè)階段。 第一階段或Phase 1側(cè)重于40 GHz以下的移動(dòng)接入，并為第二階段設(shè)定一個(gè)框架來(lái)研究40 GHz以上的頻譜。
總而言之，3GPP正在努力制定3GPP R15，也稱為5G新空口（NR）階段1，預(yù)計(jì)將于2018年6月發(fā)布（見(jiàn)圖2）。


圖2. 5G無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間表。NR規(guī)范首個(gè)版本計(jì)劃在2017年末發(fā)布，2018年更新。
5G的當(dāng)前進(jìn)展

在我寫(xiě)這篇文章的時(shí)候，3GPP即將完成5G NR階段1的物理層初稿，計(jì)劃2017年12月完成。這個(gè)初稿非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了半導(dǎo)體、器件、基礎(chǔ)設(shè)施、測(cè)試和測(cè)量等無(wú)線生態(tài)系統(tǒng)參與者如何計(jì)劃和開(kāi)展他們的業(yè)務(wù)。在這之前，服務(wù)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)使用系統(tǒng)原型來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤。隨著標(biāo)準(zhǔn)逐漸明朗，參與者就可以制定切實(shí)的計(jì)劃和目標(biāo)來(lái)推出產(chǎn)品和服務(wù)。

有趣的是，關(guān)于5G技術(shù)的可用性已經(jīng)有了一些公告，特別是英特爾和高通，而這些早期的進(jìn)展旨在埋下種子，為推動(dòng)5G的廣泛采用奠定基礎(chǔ)。在標(biāo)準(zhǔn)確定之前推出符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品這一說(shuō)法似乎很奇怪，但是5G NR的輪廓和結(jié)構(gòu)已經(jīng)初見(jiàn)雛形。“最終”解決方案不可避免地會(huì)需要一些調(diào)整才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；然而，這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)在成形過(guò)程中已經(jīng)開(kāi)始走向商業(yè)化的道路。

服務(wù)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)宣布了各種形式和規(guī)模的5G計(jì)劃：

SKT和KT正在籌備5G試用服務(wù)，以配合2018年的韓國(guó)平昌冬奧會(huì)。
在美國(guó)，Verizon積極購(gòu)買(mǎi)了28、37和39 GHz頻段的頻譜，并推動(dòng)了5GTF標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展，主要用于光纖到樓（FTTP）應(yīng)用。自今年初以來(lái)，Verizon已經(jīng)在美國(guó)的11個(gè)城市試用商用設(shè)備，并宣布計(jì)劃在2018年進(jìn)行初始商業(yè)部署。
今年FCC拍賣(mài)的大贏家T-Mobile在600 MHz附近贏得就31 MHz的頻譜，并宣布計(jì)劃用新購(gòu)買(mǎi)的頻譜建立一個(gè)“全國(guó)性”的5G網(wǎng)絡(luò)。
Sprint在2.5 GHz頻段擁有大約120 MHz的頻譜，并一直與高通和母公司SoftBank合作，計(jì)劃在2019年推出5G。
同時(shí)，AT＆T已經(jīng)宣布在其目前擁有的頻譜下推出物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的計(jì)劃，同時(shí)收購(gòu)了FiberTower，以獲得24和39 GHz的許可證。

自3GPP在2015年開(kāi)始實(shí)施5G標(biāo)準(zhǔn)化工作以來(lái)，mMTC用例的優(yōu)先級(jí)并不高。 3GPP不斷完善LTE標(biāo)準(zhǔn)；在版本14中，隨著NB-IoT和LTE CAT-M標(biāo)準(zhǔn)的制定，3GPP專門(mén)針對(duì)mMTC用例對(duì)LTE進(jìn)行了若干改進(jìn)。mMTC用例將連通性作為一個(gè)目標(biāo)，推動(dòng)設(shè)備制造商將無(wú)線功能整合到許多之前沒(méi)有連接的設(shè)備中，從而擴(kuò)展其實(shí)用性。我們已經(jīng)看到了新型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可能性，但也面臨著巨大的挑戰(zhàn)：沒(méi)有通用或無(wú)處不在的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，互操作性和與基礎(chǔ)設(shè)施和智能設(shè)備的無(wú)縫連接方面存在挑戰(zhàn)。3GPP在第14版中解決了mMTC用例的問(wèn)題，并提供了一個(gè)全面且廣泛支持的標(biāo)準(zhǔn)，至于5G的未來(lái)演進(jìn)是否需要進(jìn)一步增強(qiáng)，就需要時(shí)間來(lái)告訴我們答案。

5G的未來(lái)是什么樣的？

3GPP計(jì)劃在2017年底前完成5G NR階段1，3GPP Release 15，并于2018年6月批準(zhǔn)ASN.1。3GPP已經(jīng)開(kāi)始在定義新的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，采用更高的帶寬，這對(duì)于提高數(shù)據(jù)速率至關(guān)重要。用于這些更高帶寬系統(tǒng)的新頻譜也已經(jīng)確定好了。與LTE相比，3GPP也縮短了符號(hào)時(shí)序，以實(shí)現(xiàn)更短的傳輸時(shí)間間隔（見(jiàn)表1）。此外，3GPP也對(duì)齊了自包含子幀，能夠在時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)的單個(gè)子幀內(nèi)進(jìn)行發(fā)射和接收。 通過(guò)這項(xiàng)初步工作，3GPP實(shí)現(xiàn)了更快的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲。也許最重要的是，一種新的靈活numerology將使運(yùn)營(yíng)商能夠適應(yīng)不同類型的設(shè)備，并支持各種用例。



對(duì)于毫米波，3GPP已經(jīng)確定了具體的頻段，并且將相控陣天線（PAA）的波束管理和控制納入其中。 盡管這個(gè)階段是為毫米波部署而設(shè)定的，但在廣泛采用之前仍然有許多實(shí)際的挑戰(zhàn)需要解決（稍后會(huì)有更多介紹）。

3GPP為第一階段定義了兩種主要的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

對(duì)于非獨(dú)立式（NSA）架構(gòu)，5G NR使用現(xiàn)有的LTE無(wú)線接入網(wǎng)和演進(jìn)型分組核心或EPC（見(jiàn)圖3a）。NSA還包括兩個(gè)附加選項(xiàng)（見(jiàn)圖3b和3c）。
第二個(gè)主要架構(gòu)，也就是獨(dú)立（SA）架構(gòu)，使用5G NR和一個(gè)新的5G核心（見(jiàn)圖4）。NSA使運(yùn)營(yíng)商能夠利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施短期內(nèi)盡快提供5G服務(wù)，而SA的投資預(yù)計(jì)會(huì)更大，而且需要的時(shí)間更長(zhǎng)。

NSA由于可更快速得到應(yīng)用而經(jīng)常成為標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議上的焦點(diǎn)，但其應(yīng)用范圍可能更窄。SA將提供比NSA更多的5G優(yōu)勢(shì)，而且肯定會(huì)將數(shù)據(jù)速率和延遲優(yōu)化到更靠近5G的目標(biāo)。 3GPP的目標(biāo)是在2018年12月結(jié)束階段1，即第15版，其中將同時(shí)包含NSA和SA。


圖3. 5G的初步部署將使用現(xiàn)有的LTE無(wú)線接入網(wǎng)和EPC（a）。NSA規(guī)范包含使用新5G核心（b）和（c）的架構(gòu)選項(xiàng)。

3GPP在很短的時(shí)間內(nèi)完成了很多任務(wù)。在短期內(nèi)，6 GHz以下的5G部署看起來(lái)非常像增強(qiáng)型LTE，即更快的數(shù)據(jù)和更低的延遲。首批NSA部署可能會(huì)提供比LTE顯著更強(qiáng)的性能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商部署毫米波技術(shù)和新5G核心網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)閃電般的數(shù)據(jù)速度，這是SA架構(gòu)所需要的。顯然，這只是一個(gè)開(kāi)始。未來(lái)的演變和迭代將不可避免。

面臨的挑戰(zhàn)

隨著3GPP逐步完成5G規(guī)范，前進(jìn)的道路將暢通無(wú)阻。5G很有可能成為“游戲改變者”，但其變革性的影響必須得到來(lái)自不同玩家的廣泛幫助。潛在的挑戰(zhàn)存在于三個(gè)高層領(lǐng)域： 毫米波、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜕鷳B(tài)系統(tǒng)。
毫 米 波

由于6GHz以下可用頻譜非常稀缺，3GPP選擇將毫米波技術(shù)納入標(biāo)準(zhǔn)。更多的頻譜意味著更快的數(shù)據(jù)速度。雖然3GPP將指定5G技術(shù)用于低于6 GHz的頻譜，但由于毫米波具有豐富的頻譜，3GPP將依賴毫米波來(lái)滿足eMBB用例的目標(biāo)。在過(guò)去幾年里，一些研究人員已經(jīng)廣泛地對(duì)毫米波系統(tǒng)進(jìn)行了原型驗(yàn)證，但是早期的原型龐大且笨重，且使用了PAA等非常新的技術(shù)。

PAA使用多個(gè)天線元件和波束賦形來(lái)增強(qiáng)增益，克服了毫米波傳輸和接收相關(guān)的自由空間路徑損耗。盡管存在這些好處，PAA也給系統(tǒng)帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)，因?yàn)椴ㄊ刂票仨毤{入標(biāo)準(zhǔn)，并且在實(shí)際應(yīng)用中需要納入到部署在這些系統(tǒng)上的軟件中。為了支持移動(dòng)性，協(xié)議軟件必須在低于200納秒的時(shí)間內(nèi)切換波束以維持鏈路，這需要在天線組件和相應(yīng)的軟件架構(gòu)采用快速切換技術(shù)。

工程師正在研究PAA及其系統(tǒng)的測(cè)試，這些測(cè)試給測(cè)試和測(cè)量行業(yè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。由于PAA通常與收發(fā)器集成在一起，以盡可能減少損失，所以連接這些模塊的電纜和包含這些模塊的陣列將不存在。幾家公司正在探索用于測(cè)試PAA的空中(Over-the-air，OTA)技術(shù)，并向3GPP RAN4工作組提交了提案，以將其納入標(biāo)準(zhǔn)中。

OTA給測(cè)試帶來(lái)了新的難題；最重要的一點(diǎn)是需要最小化測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本。測(cè)試和測(cè)量公司必須為無(wú)線行業(yè)提供快速且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，以促進(jìn)毫米波生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

即使是在用戶設(shè)備（UE）和基礎(chǔ)設(shè)施（即gNodeB）中的PAA，即使在較低的毫米波頻率下，毫米波傳播也是有限的?；A(chǔ)設(shè)施的更密集部署已成定局，這可能意味著技術(shù)和系統(tǒng)的推出成本將更高。為了解決密度挑戰(zhàn)，研究人員正在探索新的網(wǎng)格技術(shù)和綜合接入回程技術(shù)（IAB），以利用已部署的5G gNodeB來(lái)降低密集部署的成本。IAB將降低每個(gè)毫米波接入設(shè)備的光纖接入成本；然而，這種技術(shù)可能會(huì)引入更多的延遲。


圖4. SA規(guī)范假設(shè)了5G NR和一個(gè)新的5G核心（a），另有兩個(gè)選項(xiàng)用于處理部署場(chǎng)景（b）和（c）。
網(wǎng) 絡(luò) 切 片

5G轉(zhuǎn)型的顯著影響之一是網(wǎng)絡(luò)必須變形和擴(kuò)展，通過(guò)優(yōu)化資源來(lái)支持新的應(yīng)用和服務(wù)。當(dāng)3GPP啟動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程時(shí)，“可擴(kuò)展”網(wǎng)絡(luò)并不是國(guó)際電聯(lián)或下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（NGMN）聯(lián)盟列出的明確目標(biāo)，但其含義非常明確。

為了描述這種靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)線行業(yè)定義了一個(gè)術(shù)語(yǔ)：“網(wǎng)絡(luò)切片”。網(wǎng)絡(luò)切片描述了服務(wù)運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行“切片”來(lái)為用戶量身定制獨(dú)特服務(wù)的能力，這會(huì)出現(xiàn)不同的應(yīng)用和用例，也需要收取適當(dāng)?shù)姆?wù)費(fèi)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片，公司或個(gè)人可以購(gòu)買(mǎi)某個(gè)服務(wù)或一組服務(wù)以滿足特定的需求。例如，假設(shè)一家工廠有1000個(gè)連接的傳感器。該公司可能需要每月支付不到40美元的費(fèi)用來(lái)獲得無(wú)限數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些傳感器不會(huì)傳輸或接收智能手機(jī)使用的數(shù)據(jù)類型。

雖然3GPP在定義能夠?qū)崿F(xiàn)這些崇高目標(biāo)的無(wú)線接入網(wǎng)方面確實(shí)取得了巨大進(jìn)步，但是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商必須能夠公平地對(duì)這些服務(wù)進(jìn)行收費(fèi)并節(jié)約有價(jià)值的網(wǎng)絡(luò)資源，以維持一個(gè)健康的生態(tài)系統(tǒng)，并使所有貢獻(xiàn)者都能夠蓬勃發(fā)展。為了促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)切片的形成，3GPP改進(jìn)了控制和用戶面的分離架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的控制和數(shù)據(jù)路徑。這僅僅是基礎(chǔ)。 網(wǎng)絡(luò)切片還取決于協(xié)議棧物理層以外的基礎(chǔ)設(shè)施元素實(shí)現(xiàn)。虛擬EPC、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片所必需的組件和服務(wù)。如果沒(méi)有這些技術(shù)，所有數(shù)據(jù)和控制流量都必須在核心網(wǎng)絡(luò)上聚合，這可能會(huì)削弱行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)吞吐量、端到端（E2E）延遲和大規(guī)模連接等目標(biāo)的能力。
建 立 生 態(tài) 系 統(tǒng)

5G的成敗取決于生態(tài)系統(tǒng)的建立。5G生態(tài)系統(tǒng)必須超越傳統(tǒng)的無(wú)線參與者價(jià)值鏈： 服務(wù)提供商、半導(dǎo)體公司、基礎(chǔ)設(shè)施制造商以及測(cè)試和測(cè)量公司等。應(yīng)用軟件和服務(wù)提供商、云和云基礎(chǔ)設(shè)施、垂直集成商、軟件公司甚至汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、家電、醫(yī)療設(shè)備和建筑制造商必須成為5G領(lǐng)域不可或缺的一部分，以充分釋放其真正的經(jīng)濟(jì)潛力。建立生態(tài)系統(tǒng)并不是一蹴而就。5G服務(wù)的初始部署對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和演變至關(guān)重要。

5G未來(lái)

高通最近委托IHS Market進(jìn)行一項(xiàng)研究，以評(píng)估5G的經(jīng)濟(jì)影響。IHS Markit推測(cè)，5G將成為一項(xiàng)通用技術(shù)（GPT），這是一個(gè)非常有影響力的進(jìn)步，或?qū)⒊蔀樯鐣?huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的催化劑。歷史上被列為GPT的例子包括印刷機(jī)和電力，由此可見(jiàn)5G的影響力。IHS Markit預(yù)計(jì)到2035年，5G將為全球經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)12.3萬(wàn)億美元，沒(méi)錯(cuò)，是“萬(wàn)億”。IHS Markit并不是唯一的預(yù)測(cè)者，全球的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)導(dǎo)者也都持續(xù)大力投資5G，同時(shí)也有相應(yīng)的法規(guī)支持。 這些全球領(lǐng)導(dǎo)者正在賭5G將會(huì)促進(jìn)GDP增長(zhǎng)并創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)繁榮。盡管距離2035年還有20年的時(shí)間，5G的基石已經(jīng)在逐漸鋪設(shè)。為這些應(yīng)用建立一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)將需要投資、奉獻(xiàn)和毅力，還有最重要的時(shí)間。 生態(tài)系統(tǒng)的所有玩家都必須開(kāi)始行動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)5G的巨大潛力。

5G計(jì)劃于2018年推出，并將于2019年開(kāi)始更有意義的部署。為了實(shí)現(xiàn)5G的潛力，半導(dǎo)體和封裝技術(shù)、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜图軜?gòu)以及重要的垂直領(lǐng)域都必須進(jìn)行重大創(chuàng)新，才能利用這個(gè)新的5G服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。 這不是一件容易的事情，但是在業(yè)界的努力和全球政府的領(lǐng)導(dǎo)下，5G的部署勢(shì)不可擋。

行業(yè)在推進(jìn)5G議程方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程和技術(shù)開(kāi)發(fā)的重大里程碑。來(lái)自全球?qū)W術(shù)界、工業(yè)界和政府的明確承諾提供了前進(jìn)的動(dòng)力，但仍有許多問(wèn)題亟需解決。低于6GHz的5G有望更快速得到部署，但毫米波對(duì)整個(gè)5G愿景非常重要。明年我們將更清楚地了解5G的時(shí)間表和潛力，世界各國(guó)都在關(guān)上述諸多挑戰(zhàn)的進(jìn)展情況。主要參與者均已付諸行動(dòng)，但要實(shí)現(xiàn)5G還有許多棘手的難題需要解決。2018年應(yīng)該是有趣的一年，明年的這個(gè)時(shí)候我們將看到一個(gè)更清晰的未來(lái)。

現(xiàn)在的問(wèn)題已經(jīng)不是5G是否會(huì)產(chǎn)生重大影響，而是什么時(shí)候發(fā)揮影響？