下一代移动通信标准5G（151026）

闵应骅

移动通信技术发展特快，以致手机几乎人手一个，甚至是好几个。移动通信技术从2G，3G，到4G，现在要谈5G了。本月的IEEE Spectrum上说，通信专家早就梦想下一代的通信标准5G，但是，5G要做什么？怎么做？还是一个朦胧的问题。美国NSF的一位专家说：“5G是人们想聚合起来的一堆技术，什么该优先做、怎么做？”这问题必须回答，而且回答这个问题的压力在增加。5年内，网络服务提供商需要新的网络推进物联网，任何东西，像智能汽车、家庭、温度计、可携带的声纳捕鱼探测器都要上网。今年10月，国际电信联盟（ITU）将给5G下个定义。ITU的IMT2020小组评估了60个方案）不知道有没有中国人提的方案？），并选出第一个5G蓝图。该草稿展示5G有线网络基础设施主要的差异，譬如软件和高级网络结构。它将建议潜在的技术改进和需要首先开发的5G部件的时间表。

   今年6月，工作组发布了5G的目标，譬如数据速率达到20Gbps，连接在小地区内大量军事设备的能力，减少能源消耗等。由于网络的升级，在5G上冲浪可能比Wi-Fi快。当无线网络设备不断增多，我们会有更多的数据、更广的频谱。按照Cisco的统计，2013和2014年数据消费量每月达到2.5×2⁶⁰字节，专家预计，到2019年将达到24.3×2⁶⁰字节以上。今天的4G LTE不可能满足要求。2015年12月，ITU这个工作组将给出有线宽频通信更加明确的要求。

   那么，5G要做什么和怎么做呢？大约有以下几方面及其相关的技术:

1．数据速率

   最大数据传输速率将比4G LTE提高20倍，即20Gb/s，平均用户感知的速率提高10-100倍。推荐的技术是大规模多输入多输出（MIMO），和毫米波频谱。工程师们可以演示，在毫米波长频率（30-300GHz）下，移动数据速度高于1Gb/s。这将扩展移动电话的频谱范围，因为今天所用的超高频带很重要但太有限。使用毫米波长的办法之一是用大规模多输入多输出（MIMO），它用一个大的天线阵列去控制和最后聚焦射电波束，以冲击接收器。工程师已经可以在一个便利贴大小的地方设置64个天线。

2．频谱效率

   5G将从以下三方面改进向地传输链路频谱效率（b/s/Hz），即每赫兹每秒多少位，譬如4G时是1.5 b/s/Hz，而5G达到4.5b/s/Hz。主要技术包括设备到设备（D2D）通信，全双工系统，和大规模MIMO。设备到设备（D2D）通信可以让两个邻近的设备不经过网络直接通信。跳过基站意味着设备得到消息时少了一个步骤。全双工系统使得数据的传送和接收可以同时，而且在同一个频率上。

3．数据处理

   每平方米内每秒的数据处理能力由0.1M b/s/m²达到10M b/s/m²，即提高100倍。推荐技术是D2D，毫米波长频谱，无线接入网络虚拟化和小型基站。无线接入网虚拟化是指通用无线接入网处理器功能可以虚拟化到云。今天的无线接入网是由许多单个基站组成的，而用虚拟化网络，多服务提供商可以实际地分享同一个数据中心平台，而对连接强度没有任何影响。

4．设备密度

   每平方公里的设备数由4G时候的10万增加到100万，连接到网络。主要技术是D2D，和小基站。增加小蜂窝基站的数量可以增加带宽，从而提供设备获得几百Mbps的能力。

5．移动性

   4G可以以350公里/小时速度移动数据到设备，而5G则以500公里/小时速度移动数据到设备。主要技术是异构网络体系结构。异构网络是指由微蜂窝、小蜂窝、宏蜂窝和不同层次构成的网络。这些网络要根据设备与基站之间的距离提供合适的覆盖。这些网络也要能进行实时的位置跟踪和基站之间的快速切换，使得当设备快速移动时也能继续工作。

6．传输延迟

   5G的传输延迟（毫秒级）将是4G的1/10。主要技术是D2D，邻近用户的内容缓存。邻近用户的内容缓存是把经常存取的信息缓存到与用户很近的地方，以便节省时间。

7．能量

   4G传输1000位的数据包需要1毫焦耳，而5G提高效率100倍，即只需要0.01毫焦耳。主要技术是大规模MIMO。

   一不小心，可能把bps和Bps混淆起来。前者指bits，后者指Bytes，相差8倍。我家的网付钱的时候是按100M缴的，可实际我得到的常常低于1M Bps。网络服务提供商说达到10MBps就算合格，用户毫无办法。当然也有达到10MBps的时候。每当门洞里用户大家都用时，网速就下来了。所以可能还是设备密度不够，连接同一个设备（譬如交换机或基站）的用户太多。5G提上日程，对企业和用户都是好事，许多科研工作有待开展。但是，根据3G的经验教训，我们的研究一定要面向世界，与国际接轨。自己单搞一套，只会自吃苦头。要把我们的研究成果融入国际研究主流中去。