原创深度：5G的非凡潜力以及实现5G面临的艰巨挑战（一）
即使您并不熟悉无线技术，想必也一定听说过5g。在今年早些时候举办的世界移动通信大会上，5g顺理成章地成为了最重要议题之一，各大电视广播公司以及不计其数的主流网络和纸质媒体也纷纷报道了有关5g的话题，盛况宛若当年4g（lte）行将到来之际。然而，5g至少还需要五年才能普及，为何它现在就能如此博人眼球？
lte-a地位几何？
在5g的耀眼光芒下，增强型长期演进技术（lte-advanced，简称lte-a或4g+）虽然依旧在部署，却已经远不如业内典型技术那样叫好叫座。在3g向4g转变期间，3.5g实现了可接受的数据速率，弥合了两代技术之间的差距。与之类似，lte-a也可以视为介于lte和5g之间的4.5g技术，它可以提高理论数据速率和频谱效率、处理更多并发用户流量、在蜂窝站点覆盖区域的边缘实现更高的性能，并在其他各种方面铺平通往5g的道路。它还引入了载波聚合、多输入多输出（mimo）和中继节点技术，其中载波聚合（图1）是指将多个载波（信道）组合到一起实现更大的带宽，这些载波可位于相邻乃至完全不同的频率上。
至于mimo，如果您有一台带多根天线的ieee 802.n或ieee 802.11ac无线路由器，很可能就已经对它略知一二。这类产品通过多根天线来发送和接收两个或更多个数据流，从而提高数据速率，这就是称为“空间复用”的技术。载波聚合和mimo在lte阶段就已经起步，但在lte-a中得到了增强，因而后者能够更充分地利用所谓的“小蜂窝”，这是一种遍布网络覆盖范围内各个角落的小型基站。2015年8月，sk telecom在韩国启用了第一个lte-a网络，同时该技术也在美国得到了部署。苹果最新一代的iphone手机、大多数三星智能手机，以及多款来自于lg、微软/诺基亚、摩托罗拉（已被联想收购）、华为和黑莓的智能手机产品都搭载了lte-a。日后，我们要逐渐习惯5g被称为“imt-2020”，因为这是国际电信联盟（itu）确定的正式名称，该国际组织是联合国负责监督和协调全球通信的机构。不过，大多数人依然称之为5g。
图1：5x20 mhz载波聚合（来源：3gpp release 10）
前途无量，更需淡定
如今，全球5g营销开展得如火如荼，在技术进步的加持下，“万物互联”似乎指日可待。但话说回来，我们真的能够实现这样的承诺吗？当今媒体炒作之下的整个5g梦，其实是值得怀疑的，毕竟最终成果不可能逃脱物理定律的限制，况且5g试图达成的大多数目标都必须建立在更大范围科学研究的基础上，这本身就关系到某些目标的成败。
当然，5g绝不仅仅是上传和下载速度的“又一次”提升——按照英特尔的说法，5g是“一个端到端的生态系统，能够让完全移动和互联的社会成为现实”。它依赖于许可频谱和免许可频谱、模块化设计、基于云的软件定义网络和动态分配的资源，这将促使人们在很大程度上改变无线网络的构建编排方式和运行频率，显著降低延迟（用户与其通信对象之间的往返时间），并且让更多类型的设备可以连接到这些网络。
除此以外，最低理论数据速率提高到10 gb/秒（图2）、每单位面积带宽提高1000倍、同时连接设备数量增加10到100倍、网络年耗电量降低90%以及让微型物联网设备可以连续10年正常运作而无需充电或更换电池，这些也都是5g需要实现的目标。虽然理论数据速率可达10 gb/秒，但实际应用中会显著低于这一水平，可就算“只能”实现500 mb/秒的数据速率，也已经达到了至少十倍于当今绝大多数用户体验需求的水平，也比常规的家庭宽带更快。
图2：从3.5g到5g的理论数据速率（来源：gsma intelligence）
5g如此诱人的前景，预示着它能够在娱乐内容、宽带交付以及诸如完全基于云的企业计算环境等各类应用上与电缆和光纤网络开展竞争。在5g生态内部，这样的前景意味着需要为数十亿的机器对机器（即物联网）设备提供电力和通信，分析师认为这些设备将在2020年投入运行，这恰巧与5g可能开始部署的时间吻合。
实际上，5g的大部分所谓独特之处都可以通过现有技术实现，排除掉它们之后，余下的两种才是真正的5g独有特性，分别是超低延迟和超过1 gb/秒的数据速率，而低延迟无疑是其中最困难的技术挑战：如果无法将延迟降低到1毫秒之内，便意味着某些功能无法实现，这些功能最终将会从标准中排除。
作者简介barry manz是manz communications, inc.（曼兹通信公司）的总裁，该公司是他于1987年创立的技术媒体关系机构。他曾与100多家公司在射频、微波、国防、测试和测量、半导体、嵌入式系统、光及其它市场进行过合作，曾为多家纸质和在线贸易刊物撰写过文章，亦撰写过各种白皮书、应用笔记、研讨会论文、技术参考指南和网页内容。他是journal of electronic defense（电子防御期刊）的特约编辑、military microwave digest（军用微波文摘）的编辑、milcots digest杂志的共同创办人，也是microwaves & rf（微波和射频）杂志的主编。
精彩内容未完待续......
原文链接：
https://www.mouser.cn/applications/challenges-of-5g/
参考文献
1、“5g a network transformation imperative”，teresa mastrangelo
2、有关“触觉互联网”的更多信息可参阅此文献：“5g-enabled tactile internet”，ieee journal on selected areas in communications（第3期第34卷，2016年3月）
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至于mimo，如果您有一台带多根天线的ieee 802.n或ieee 802.11ac无线路由器，很可能就已经对它略知一二。这类产品通过多根天线来发送和接收两个或更多个数据流，从而提高数据速率，这就是称为“空间复用”的技术。载波聚合和mimo在lte阶段就已经起步，但在lte-a中得到了增强，因而后者能够更充分地利用所谓的“小蜂窝”，这是一种遍布网络覆盖范围内各个角落的小型基站。2015年8月，sk telecom在韩国启用了第一个lte-a网络，同时该技术也在美国得到了部署。苹果最新一代的iphone手机、大多数三星智能手机，以及多款来自于lg、微软/诺基亚、摩托罗拉（已被联想收购）、华为和黑莓的智能手机产品都搭载了lte-a。日后，我们要逐渐习惯5g被称为“imt-2020”，因为这是国际电信联盟（itu）确定的正式名称，该国际组织是联合国负责监督和协调全球通信的机构。不过，大多数人依然称之为5g。
图1：5x20 mhz载波聚合（来源：3gpp release 10）
前途无量，更需淡定
如今，全球5g营销开展得如火如荼，在技术进步的加持下，“万物互联”似乎指日可待。但话说回来，我们真的能够实现这样的承诺吗？当今媒体炒作之下的整个5g梦，其实是值得怀疑的，毕竟最终成果不可能逃脱物理定律的限制，况且5g试图达成的大多数目标都必须建立在更大范围科学研究的基础上，这本身就关系到某些目标的成败。
当然，5g绝不仅仅是上传和下载速度的“又一次”提升——按照英特尔的说法，5g是“一个端到端的生态系统，能够让完全移动和互联的社会成为现实”。它依赖于许可频谱和免许可频谱、模块化设计、基于云的软件定义网络和动态分配的资源，这将促使人们在很大程度上改变无线网络的构建编排方式和运行频率，显著降低延迟（用户与其通信对象之间的往返时间），并且让更多类型的设备可以连接到这些网络。
除此以外，最低理论数据速率提高到10 gb/秒（图2）、每单位面积带宽提高1000倍、同时连接设备数量增加10到100倍、网络年耗电量降低90%以及让微型物联网设备可以连续10年正常运作而无需充电或更换电池，这些也都是5g需要实现的目标。虽然理论数据速率可达10 gb/秒，但实际应用中会显著低于这一水平，可就算“只能”实现500 mb/秒的数据速率，也已经达到了至少十倍于当今绝大多数用户体验需求的水平，也比常规的家庭宽带更快。
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