什么是5G網(wǎng)絡(luò)？5G網(wǎng)絡(luò)（第5代移動網(wǎng)絡(luò)）指的是第五代行動通訊技術(shù)，5G研究的主要動力就是通過帶寬增加來提升網(wǎng)絡(luò)容量，避免容量不足。盡管目前的4G網(wǎng)絡(luò)搭載了最新的技術(shù)，并且可提供更迅速的資料存取效能，不過沒人 知道LTE和LTE-A之后會怎么樣。而5G的目標就是針對每名使用者提供10 Gb / s（超過4G的1，000倍）范圍的尖峰資料速度。

一般來說，在良好的環(huán)境條件下， 使用者可以透過最高速的網(wǎng)路在40分鐘內(nèi)下載一部HD影片。有了5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，只需幾秒鐘即可完成下載。可以說，5G將會影響各行各業(yè)以及日常生活的各個 方面，本技術(shù)將會以問答形式一一為您解釋多個與5G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的概念。

什么是5G，我們?yōu)楹涡枰?G？

手機問世多年以來，蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施幾經(jīng)變革。第一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)是以“模擬”技術(shù)為基礎(chǔ)的，比如高級移動電話服務(wù)（AMPS）。第二代（2G）系統(tǒng)主要采用數(shù)字技術(shù)使用標準，例如全球移動通信系統(tǒng)（GSM）。在功能上，2G在通話的基礎(chǔ)上增加了基本SMS（短信）功能，但無線數(shù)據(jù)傳輸容量非常有限。那時使用2G移動設(shè)備來瀏覽網(wǎng)頁仍非常受限。無線數(shù)據(jù)主要用來發(fā)送短信、收發(fā)郵件和傳輸靜態(tài)圖片。

3G，即第三代網(wǎng)絡(luò)，具有更高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，使用寬帶碼分多址（W-CDMA）已經(jīng)能夠傳輸一定大小的視頻。3G之后的演變有HSPA和HSPA+（相當于3.5G），它們提供了更好的用戶體驗。不過，與大多數(shù)消費者用作比較基準的WiFi或無線局域網(wǎng)的速度相比，在像視頻之類的大數(shù)據(jù)應(yīng)用傳輸速度方面仍然較慢。

現(xiàn)今，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商正在基于長期演進（LTE）技術(shù)推出第四代（4G）網(wǎng)絡(luò)。LTE相比3G網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)流量方面有顯著的提升，峰值速率提高了5~6倍（見表1）。多數(shù)服務(wù)供應(yīng)商打算轉(zhuǎn)移至LTE-Advanced，也就是4.5G，該網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬預(yù)期將是LTE的兩倍。LTE和LTE-Advanced技術(shù)的到來，使得無線數(shù)據(jù)消費者目前擁有了一項在用戶體驗方面可以匹敵WiFi的通信技術(shù)。

表面來看，隨著LTE的發(fā)展，未來無線數(shù)據(jù)傳輸容量似乎可以在用戶體驗方面與WiFi平起平坐，至少從表面上降低或減輕了對大幅提高帶寬的需求。然而，隨著智能手機、平板電腦等智能設(shè)備的迅速普及，網(wǎng)絡(luò)容量和帶寬消耗也在加速。實際上，行業(yè)分析師預(yù)測2014年的無線數(shù)據(jù)需求量將會超過2009年的35倍以上（見圖1），并且這種增速會一直持續(xù)。容量實際上是帶寬的函數(shù)。單位時間傳輸?shù)谋忍卦蕉啵驮侥芨斓蒯尫蓬l譜滿足其他用戶及其數(shù)據(jù)需求。雙倍的數(shù)據(jù)傳輸率能夠有效地將數(shù)據(jù)容量提升2倍。因此，5G研究的主要動力就是通過帶寬增加來提升網(wǎng)絡(luò)容量，避免容量不足。

圖1 移動數(shù)據(jù)流量的行業(yè)預(yù)測（來源：《Mobile Broadband： The Benefits of Additional Spectrum》，F(xiàn)CC Report 10/2010）

LTE和LTE- Advanced為何不能完全滿足消費者的需求？

考慮到無線用戶對數(shù)據(jù)的消費速率，一個讓整個行業(yè)真正擔心的問題是，如果沒有重大的技術(shù)升級，不久的將來網(wǎng)絡(luò)容量就會變得非常受限。以目前的LTE速率為例，其下行速率為300 Mbps，上行速率為150 Mbps。該速率比3G和3.5G技術(shù)要快4~5倍。LTE-Advanced則可將速率進一步提升2-4倍。這樣，在過去10到15年的時間里，全球移動運營商已將通信容量提升了20倍。而與此同時，需求卻增加了100多倍。由此，LTE-Advanced的必要性和新五代網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性不言而喻。實際上，無線基礎(chǔ)設(shè)施公司及3GPP標準機構(gòu)的其他成員提出了一項挑戰(zhàn)，即到2020年將數(shù)據(jù)容量提升1000倍（ ）。

5G將如何解決“帶寬/容量”危機？

首先，關(guān)于5G的討論已有很多——5G將會是什么，又將不會是什么。我們都知道5G將會比如今的4G以及最終的LTE-Advanced（有時又被稱為4.5G）速度都要快許多。真正的問題是，在現(xiàn)有設(shè)備和可用頻譜等基礎(chǔ)設(shè)施的狀況下，我們?nèi)绾尾拍軐崿F(xiàn)更快的性能和更高的容量。3GPP標準機構(gòu)正在組建研究小組探討下一代無線問題，希望能在明年初有所解決。目前的共識是，沒有什么“靈丹妙藥”或者哪一種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)所需的帶寬擴展，但是多種先進技術(shù)的結(jié)合則能夠做到，比如包含小型蜂窩和多點協(xié)調(diào)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、頻譜再分配，以及自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）等其他先進技術(shù)。

正在研究哪些技術(shù)來支持潛在5G標準？

當今人們正在研究用來提高頻譜效率、降低區(qū)間干擾的幾種技術(shù)，諸如異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、小型蜂窩、中繼及多點協(xié)調(diào)等。這些研究的根本動機是通過增加密度降低每個基站負載，而這相應(yīng)地又會提升較小地理區(qū)域內(nèi)用戶的頻譜效率。所有可供選擇的技術(shù)都側(cè)重于部署更多的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，同時利用智能技術(shù)（如多點協(xié)調(diào)、波束成形等）進一步提升利用率。歸根究底，通過基站級網(wǎng)絡(luò)信息共享，每個用戶的負載和覆蓋率就能夠得到優(yōu)化，從而更高效地利用現(xiàn)有頻譜。

一個更為困難的挑戰(zhàn)是頻譜的可用性。為了提高數(shù)據(jù)的吞吐量和可靠度，3G到4G技術(shù)的轉(zhuǎn)變引入了新的技術(shù)，但往往被忽略的一點是，LTE技術(shù)推出的同時也引入了新的頻譜。譬如，美國聯(lián)邦政府對700 MHz頻譜進行拍賣，專門用于部署LTE。

這種情景也曾類似地出現(xiàn)在W-CDMA和3G的推出，那時2G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)很普及、很成功。3GPP提供了新的編碼和調(diào)制技術(shù)，但是這些新技術(shù)大部分（即便不是完全）都是部署在專用的新頻譜上。

對于5G而言，答案并不那么簡單。除非行業(yè)、政府和相關(guān)頻譜規(guī)范機構(gòu)可以對何時及如何再分配頻譜達成一致，否則6GHz以下根本就沒有頻譜可用。再分配頻譜并不是一件容易的事，因為許多服務(wù)運營商為得到在用頻譜已經(jīng)支付了數(shù)十億美元，變革絕非那么廉價易成。

特別值得一提的是紐約大學無線研究中心的Ted Rappaport博士正在進行的研究。Dr. Rappaport一直在研究28、38和60GHz的頻譜以及覆蓋紐約市71-76GHz頻率的E波段的特征——這是一個非常有挑戰(zhàn)性的測試環(huán)境。測量結(jié)果表明，這些頻率都有可能進行無線戶外通信，但是讓通信變得切實可行還需要大量投資。

28 GHz對于mmWave E-Band而言會是一項挑戰(zhàn)性的設(shè)計任務(wù)嗎？

無論選擇哪種技術(shù)都不能簡單輕松地解決無線數(shù)據(jù)危機。通信行業(yè)必須打破傳統(tǒng)思維，包括設(shè)計流程在內(nèi)。人們普遍認為mmWave頻率不適合用于蜂窩數(shù)據(jù)傳輸，基于該頻譜的網(wǎng)絡(luò)也并不可行。Rappaport博士的研究從根本上挑戰(zhàn)了這種想法。他已經(jīng)證明利用這些頻率進行可靠的傳輸和接收是有可能的，不過目前仍要做很多工作。從本質(zhì)上來說，所有低于6GHz通信相關(guān)的研究思路都必須要轉(zhuǎn)變，才能為RF前端設(shè)計和天線技術(shù)、波束成形、物理層設(shè)計甚至新協(xié)議的研究創(chuàng)造機會。

雖然許多技術(shù)剛出現(xiàn)且有待開發(fā)，但令人鼓舞的是在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上推出新數(shù)據(jù)容量并不是無前例可循。即使考慮到了物理層、小型蜂窩和RF前端（MIMO）等6GHz以下的所有研究，網(wǎng)絡(luò)仍然會受限于Shannon理論：通信信道會受到帶寬和噪聲的限制。雖然異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以提高容量，但是誰也不知道僅僅這樣是否能夠?qū)崿F(xiàn)2020年容量提升1000倍的目標。如果沒有可用的帶寬，那么就必須要在別處找到新的頻譜。

您剛提到了一種新的設(shè)計方法，能詳細介紹一下嗎？

通常一個典型的“設(shè)計”方法是要先提出一個想法、然后進行仿真并建立原型。由于開發(fā)可工作原型耗資巨大，因此在原型之前通常會在設(shè)計和模擬階段反復(fù)進行試驗。如果理論上存在根本性問題，就要返工重做。因此，在計劃原型開發(fā)之前通常就會有大量的仿真工作。與傳統(tǒng)方法一樣，從概念、仿真到原型需要耗費很長的時間和眾多的資源。換言之，整個過程耗資巨大。設(shè)計過程中最重要的目標是盡早交付可工作原型，這樣才能在設(shè)計初期將真實狀況和系統(tǒng)問題考慮在內(nèi)。

目前大部分的仿真主要使用加性高斯白噪聲（AWGN）來建立信道模型。而網(wǎng)絡(luò)運營商將會告訴你，這并不是真實的情況——這或許是一個好的開始，但卻不太現(xiàn)實。隨著5G新技術(shù)研究的展開，傳統(tǒng)的信道模型已經(jīng)不能很好地代表現(xiàn)實狀況。系統(tǒng)工程師和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員還必須考慮開發(fā)一個具有高性價比和低功耗（以延長電池壽命）的平臺上來部署新算法/協(xié)議的處理需求以及可行性。因此，盡可能早地開發(fā)出原型是非常重要的。

NI與5G變革有何關(guān)系？

多年來，NI一直與無線研究人員合作開展RF/Communications Lead User項目。通過該項目，NI已經(jīng)與紐約大學無線研究中心的Rappaport博士和德雷斯頓工業(yè)大學的Gerhard Fettweis博士等世界頂尖的研究人員直接開展合作，共同探索新的通信系統(tǒng)設(shè)計方法。

我們已經(jīng)探討過Rappaport博士對mmWave的研究，而Fettweis 博士對5G新物理層的研究也具有非常重要的意義。他已經(jīng)構(gòu)建了一個新的物理層原型，稱為GFDM（通用頻分復(fù)用），解決了現(xiàn)今4G通信標準OFDM（正交頻分復(fù)用）的一些缺陷。在該研究中，F(xiàn)ettweis博士僅花了數(shù)月時間就完成從仿真到原型等過程。

Lead User項目是由NI總裁兼創(chuàng)始人James Truchard博士提出的。Truchard博士認為不僅無線領(lǐng)域的研究，其他許多領(lǐng)域的研究都需要新的設(shè)計思維。過去20年里，許多技術(shù)改善了我們的日常生活，但相比之下，從設(shè)計、仿真到原型的研究工具卻并沒有得到真正的發(fā)展。NI致力于通過圖形系統(tǒng)設(shè)計方法來加快從設(shè)計到仿真再到原型的過程。該方法與軟硬件的高度集成相結(jié)合，可讓研究人員專注于自身的專業(yè)領(lǐng)域，而不需要花幾個月甚至幾年的時間來將不同的工具和技術(shù)整合到一個可工作原型中。

通過RF/Communications Lead User項目，我們還與一些商業(yè)公司的一流研究人員合作，但鑒于這些是機密信息，請恕我不能隨意披露。然而，我可以說在5G方面，NI的工具和技術(shù)將會帶來一些激動人心的成果，您可以拭目以待。

James Kimery 目前擔任NI射頻、通信和軟件無線電（SDR）市場總監(jiān)，主要負責公司的通信系統(tǒng)設(shè)計和SDR策略。他還負責管理NI RF/Communications Lead User項目中的高級研發(fā)工作。加入NI之前，Kimery曾任Silicon Laboratories無線通信部的市場主管（Silicon Laboratories被ST-Ericsson收購）。在Kimery任職主管期間，無線通信部門的收入從5 百萬美元躍至2.5億美元。該部門還開發(fā)了多種創(chuàng)新產(chǎn)品，如首個用于蜂窩通信的CMOS射頻集成合成器和收發(fā)器、首個數(shù)控晶體振蕩器以及首個單片機集成電話（AeroFONE）AeroFONE被IEEE評為最具創(chuàng)新性的40個集成電路產(chǎn)品之一。加入Silicon Labs之前，Kimery曾在NI工作過，成功地負責過多個項目，包括PXI平臺概念的提出及實現(xiàn)。Kimery還是VXIplug&play系統(tǒng)聯(lián)盟、虛擬儀器軟件體系架構(gòu)（VISA）工作組以及PXI系統(tǒng)聯(lián)盟的創(chuàng)始成員。他發(fā)表了超過26篇的技術(shù)論文和文章，覆蓋了無線、測試和測量方面的各種主題。他擁有德州農(nóng)工大學的電器工程學士學位以及奧斯丁德克薩斯大學的工商管理碩士學位。