5G发展很快，但原型不可或缺

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5G网络在提供1Gbps至10Gbps吞吐量方面具有很好的前途，并且功耗要求比今天的网络和手机都要低，同时还能为关键应用提供严格的延时性能。

这种网络自然是软件可定义的网络，这样才能随时通过配置满足不断变化的动态要求，并快速分配所需的资源。将控制平面和数据平面分开来是实现这个目标的关键，也是通过虚拟化降低成本以及为重要应用实现严格延时目标的关键。另外，网络智能也需要发挥到极致，还需要实现更高效地本地路由协议，比如实现手机之间的直接路由。

研究人员正在多个前沿领域加紧研究工作，并且都希望将他们的想法加入标准中。举例来说，去年底在德州奥斯丁举行的NI周会上，三星演示了一款针对目前在用频段的商用化全尺寸(FD)MIMO，并试图成为市场上第一款具有5G功能的产品。FD MIMO增加了基站中的天线数量，可以让基站支持更多的用户，并提供更高的数据速率和可靠性。三星是利用3D波束成形技术实现此产品的，它能在3D空间内让波束能量指向特定的用户，不会像目前4G中那样仅局限于2D平面。

NI公司射频产品营销部总监James Kimery表示，“FD MIMO是实现大规模MIMO的第一步，今后很可能被3GPP采纳进LTE。”

James认为，成立目的旨在实现世界和谐发展的3GPP是争论以及大多数5G标准化发生的地方。他希望大规模MIMO将成为5G标准的一个关键部分，并承诺带来吞吐量十倍的提升。

5G还是4G，这是个问题

随着架构上与4G完全不同的系统不断取得进步，这些部件有望形成5G标准的基础。当3GPP等组织最终签字确认5G时，在4G实现和早期的5G建议之间可能会有许多模糊地带，就像当初3G抢了一些4G风头一样。

然而，这里的关键是需要对网络架构到天线的实现方式以及使用的频谱做彻底的重新思考。为了使吞吐量取得10倍乃至100倍的提高，要求对无线网络的搭建方式进行重新设计。确保大规模MIMO目前占用的sub-6GHz部分频谱的延时和吞吐量性能是关键，代表了天线设计领域中的架构转移趋势。

被Keysight公司收购的Anite已经加入了设在萨里大学的5G创新中心(“5GIC”)。这是英国最大的学术研究中心，专注于下一代移动和无线通信的开发。

5GIC和通信系统研究所教授Rahim Tafazoll对此表示，“5G会实时智能地理解用户的需求，并根据联网设备是否需要语音或数据连接来动态地分配网络资源。”

Rahim补充道，“Anite对我们的5G研究项目作出了很大的贡献，可以帮助我们在实时环境中以端到端的方式对未来技术进行开发和测试。”

5GIC中心得到了英国政府和领先的全球实业公司的支持，是试验新兴的5G想法、提供概念、验证标准和供应商互操作性测试的先进测试平台。

Anite的James Goodwin希望5G空中接口有别于4G，并且认为在2020年之前不太可能实现，虽然有些部件将在4G中终结。

James补充道，“5G将包含毫米波，但可能在5G晚些时候的版本中出现。这是一种新技术，对手机来说有成本方面的挑战需要克服，但更重要的是，要求统一的频谱规划。2019年举行的世界无线电通信(WRC)大会是在全球范围内讨论毫米波频率的第一次机会。”

今年早些时候，Anite宣布METIS项目中由Anite领导的任务小组已经完成了第一个5G无线信道模型，这将有助于加快5G无线接入技术和未来移动行业标准的开发。

IP的角色

IP领先供应商Imagination Technologies也加入了5G创新中心，致力于一起研究、开发和定义支持下一代5G移动通信网络的基础性技术。

Imagination Technologies公司通信技术总监Richard Edgar表示，“我们希望IP主导无线SoC市场和5G。Imagination公司的发展计划是从广播开始，然后过渡到短距离的无线(WiFi和蓝牙)，最后才是物联网。”

据Richard透露，5G将由许多标准组成。3GPP主要关注的是蜂窝，因此较少考虑WiFi、空白频谱和新兴的物联网。

Richard补充道，“目前5G约有29个候选频带可用，有些是旧的，有些是新的，覆盖600MHz至60GHz范围。”

在解决方案已经存在的情况下，为什么还要将所有精力都用在覆盖600MHz至60GHz的调制方案上呢？其实每个供应商都有完整的WiFi堆栈。60GHz可以作为修补增加到堆栈中，而目前的60GHz芯片很小，要求的天线也很小。

运营商很愿意将WiFi用作他们网络的重要补充，虽然WiFi没有蜂窝的命令和控制(QoS)，但正在变得越来越完善。Richard希望WiFi仍然是5G的一个有用部分，也希望其它标准成为5G的一部分，比如15.4。

5G将成为全面综合的无线技术组合，智能则被嵌入进手机中。网络设计将有很大的不同，IP有望成为小型设备的首选方案。

IP将是向那些希望拥有物联网、家庭自动化、工业物联网等等的众多公司提供通信专业技能的关键。物联网和5G也将彻底改变医药学。这里的关键涉及到数十亿个传感器，它们都需要通信。大多数公司没有射频或微波通信专业技术，而IP是拥有这些通信技术的最佳途径。

Richard指出，“公司可以购买无线SoC，或将IP集成进他们自己的芯片中—相信第二种选择是主流，因为批量成本很重要。”

5G和物联网

物联网向5G提出了特殊的挑战。物联网一般是低带宽的，使用很小的数据包，具有较少的通信开销，而且功耗很低，因为大多数设备是由电池供电的，甚至使用能量收集技术供电。另外，电池需要持续使用产品规定的寿命。然而，有些物联网部件要求非常小的延时。将所有这些需求整合进5G是极具挑战性的任务。将多种标准合并进5G似乎是一种合理的想法。

物联网独立于5G，但为了利用广泛分布的网络的经济性，它需要5G。

在NI周会上，斯坦福大学的Andrea Goldsmith表示，下一代网络需要支持呈指数增加的数据和各种无线设备的突发数据需求。5G研究的不只是更多的数据，这些网络需要更加可靠、可预测和高能效，这也正是新兴的物联网的要求。

这是实现诸如远程手术、无人驾驶汽车和健康/健身监视等各种应用的关键。这里的关键因素是需求的多样性以及传感器通信数据的爆发式增长。

原型是关键

NI公司的James Kimery表示，NI公司在5G领域扮演着领先的角色，公司能够帮助研究人员和组织机构利用其LabView定义好的PXI平台快速建立无线技术原型。

诺基亚在NI周会上展示了一款峰值速率高达10Gbit/s的73GHz系统。毫米波的使用提出了一连串的挑战，包括穿透损耗、衍射损耗、波束控制以及RFIC的效率和成本。从两年前开始，诺基亚项目就在尝试解决其中的许多问题，比如波束成形，最近达到了200米的覆盖范围。

据James Kimery统计，有数千份研究论文都涉及到无线领域，但迫切需要走出仿真阶段，开始建立原型。NI可以减轻这个问题，帮助研究人员实现原型，让别人听得到他们的声音。标准化组织也需要原型，否则想法就缺少可信度——投资于一个没有原型的想法是很难的。建立原型是商用化的必要步骤。

涉足5G的公司有许多，本文仅提到了其中的少数几家，他们可能从不同的角度在研究5G。虽然我们对5G在吞吐量、延时、功效、可靠性等方面能做什么有一致意见，但比较模糊的是这样的网络如何去实现。期待定义5G的研究人员和期待利用这些标准的公司需要对这些复杂的新兴技术做大量的测试和原型设计。虽然5G可能包含许多已经存在的标准，但5G网络还需要一定的智慧去为具体用例选择最佳的协议，并以尽可能最高效的方式实现。新标准也会推出来，以便充分利用免许可的频谱或毫米波段的频谱，但我们可以这么说，在这种程度的复杂性面前，原型建立和网络测试平台将是5G成功实现的关键。就拿复杂性来说，最好通过复用来解决，不管是在IP形式的测试侧还是实现侧。

总之，5G发展已经有了明显的进步，相关标准推出的时点也越来越近。下一个十年中大部分时间将由4G和4G的改进版本来主导，但5G的种子已经播下。

本文来自《电子工程专辑》2016年3月《微波及射频》特刊，拒绝转载。