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5G技术为下一代物联网铺路

2017-04-30 17:20:43

德国德勒斯登工业大学(Tu Dresden)教授兼Vodafone Chair Mobile Communications Systems计画主持人Gerhard Fettweis确信已为下1代5G蜂巢式网路空中介面作好准备。他认为通用频分多工(GFDM)优势明显，可以支援他所说的触觉网际网路，这同时也是物联网(IoT)的未来，目前并已取得了包括华为(Huawei)、英特尔(Intel)、国家仪器(NI)、沃达丰(Vodafone)和赛灵思(Xilinx)等多家公司的支持。

各方都1致认为5G需要1种新的空中介面来满足其雄心壮志，由于5G其实不向后相容于目前的4G LTE。业界至今已提出了6种主要的建议了，预计在3GPP于2018年藉由完成Release 15版本发布第1个主要的5G标准之前还会有更多的提议浮出台面。

大多数的提议都是目前正交频分多工(OFDM)技术的变化版本，有益于进1步增强支持者的气力。1些专家认为，空中介面方面的竞争其实不至于像为大范围天线阵列定义全新的技术和支援6GHz以上频率的工作那样剧烈。

虽然如此，许多公司和研究机构开始侧重于采取他们认为可为全部产业和他们自己带来最大好处的空中介面。这些空中介面之间的差异触及无线通讯技术方面的奥妙权衡。

编码机制的“选美比赛”

“这有点像选美比赛，最后可能会采用多项提议的部份内容，但其实其实不至于太复杂，由于该技术存在基本的实体定律，我们没法针对所有方面进行最好化，”经验丰富的研究员兼企业家Arogyaswami Paulraj在最近举行的IEEE 5G高峰论坛上表示。

高通公司(Qualcomm)研究部门Qualcomm Research负责5G的资深工程总监John Smee同意上述观点。各种提议不过是在开启与过滤OFDM讯号上做文章，他指出。

虽然如此，高通最近也发表了自家的提议。它的统1OFDM介面采取的是使用多种技术的混合方法，可支援2次幂的众多符号，因此更适于半导体设计。高通并针对资源有限的物联网提出了另外一种5G方法。

Fettweis将高通的统1介面形容为研究人员研究多年的时间/频率程式码分割概念变化版。他认为这类方法可能不具有最高的能效，而是构成功耗相对较大的类比元件，如ADC和射频(RF)晶片。

高通在最近发表的白皮书中描写对5G空中介面的看法　　（来源：Qualcomm）映照空中介面图

GFDM旨在透过混合方法支援多载波

与其它方法1样，斯堪地那维亚半岛(Scandinavia)的研究人员和公司都表示支援“多载波滤波”(FBMC)技术。Paulraj表示，FBMC方法可提供最好的频外辐射性能，但由于其视窗太长，其实不利于为5G计划的大天线阵列。

通用滤波多载波(UFMC)途径在频外辐射性能方面也不是很好，但在基地台共用上行链路方面的表现较好，Paulraj指出，“就像打沙袋1样，你从1侧打1拳过去，另外一边就鼓出来。”

据Fettweis流露，阿尔卡特-朗讯(Alcatel-Lucent)支援UFMC，并称其为可在次载波通道上支援多载波系统的1种途径。如果采取其“去尾”(tail-biting)方法进行滤波，还能相容于其GFDM，他表示。

华为据称支援1种称为频谱过滤的OFDM途径，其优势更接近于“香农理论”(Shannon’s Law)的容量极限。不过，Fettweis指出，这类方法需要更复杂的接收器和天线阵列。

最少有1家新创企业提出了1种除OFDM之外的全新方法，那就是Cohere Technologies公司。该公司采取创新的数学概念，能够更精确地提供通道估计，进而提高频谱效力。Cohere公司目前正开始准备白皮书，计划首度公布这1概念的部分细节。

Paulraj表示，“在所有事情尘埃落定之前我们需要更多的想法。”

低延迟实现触觉网际网路

Fettweis将其GFDM视为1种超集合途径，可根据其细节的建置方式相容于多项提议。其关键的元件之1是用于滤波模组的环绕式处理方法，据称这有助于保持资料封包较短，进而实现毫秒级的延迟。

Fettweis解释，“我们提出了环形滤波的技术，因此，如果1个资料封包是70ms长的话，过滤全部资料封包的时间依然是70ms长。”

这类途径还能保持在较低的峰均功率比值，从而确保功率放大器履行于低功耗状态。“我们业已表明这个比值不会变差，而且在大多数情况下使用我们的方法还会有明显的改良。”Fettweis指出。

这类途径为物联网开启了新的使用案例之门。Fettweis和其它研究人员将这些用例归纳在1个他们称为触觉网际网路的概念中。这些用例包括无线版本的多用户游戏、虚拟实境、零售产品展现和各种远端系统管理的工业、机器人和医疗控制。

Fettweis开发了1种新利用案例，只有毫秒级的延迟

举例来讲，鉴于目前的无线延迟高达150ms，用户没法使用虚拟实境(VR)头戴式显示器作出及时的反应。但当延迟减少到5ms时，这样的任务就相当轻松了。

爱立信(Ericsson)与伦敦国王学院(King’s College London)的研究人员们目前也针对触觉网际网路的开发展开合作。例如，该实验室无线通讯部门的Mischa Dohler表示，他们希望进1步推动触觉编解码器与编码器的标准化。

触觉网际网路可以衍生出物联网版本的Facebook，Fettweis把它称之为Thingbook——与智慧物件互动的1种网路介面。

“目前有5家大公司每一年在GFDM上投入数百万美元，显示有1个很大的群体正广泛接受GFDM。”目前正透过沃达丰申请GFDM专利的Fettweis流露，“华为就有1大帮人正拼命地撰写有关GFDM的专利。”

寻求低延迟也招徕了很多人的批评。例如高通公司表示，GFDM需要复杂的接收器来处理干扰，而且还必须为多工服务提供较大保护频段。

云端无线接取网路(C-RAN)的支持者们认为，GFDM的低延迟可能与其目标冲突。C-RAN旨在将基地台转变成简单的天线阵列，然后将讯号反馈至巨量资料中心并在标准伺服器上进行处理。这类方法可以避免于蜂巢式天线塔通常需要空调的大型系统机柜需求。

目前正为搜索引擎巨擘Google搭建无线通讯业务的Google Access资深主管Tibor Boros表示：“C-RAN10分理想，由于它们可以下降基础设施的功耗和本钱，让任何人都能为蜂巢式网路编写软体，而且虚拟化蜂巢式网路10分使人振奋。”

“但是，如果延迟很低，C-RAN就没这么理想了，由于实体层必须更接近边沿乃至核心网路，”Boros指出。

Fettweis把C-RAN称为“1个美好的概念，但是，1旦基地台有许多天线就会崩解，由于每根天线都需要Gbit/s链路连接到云端伺服器。因此，如果未来使用5G时可提供100根基地台天线，那末从基地到C-RAN讯号处理引擎将需要数个Tbit/s级的链路。”

虽然如此，Fettweis认为，仍有许多方法可以用来消除C-RAN和低延迟之间的冲突。举例来讲，营运商可以在网路边沿安装云端伺服器，他估计那或许是距任何C-RAN无线头端1英哩的范围内。

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