1.導語

物聯網、增強型移動寬帶和自動駕駛汽車等未來項目要求極高的移動網絡性能。5G 作為下一代移動通信標準，人們期待其能夠為這些未來項目提供必需的性能。得益于持續的技術改進，尤其是 LTE/LTE-Advanced 網絡，提供了絕佳的技術演化軌跡。

如果我們將出現在 1990 年的 900 MHz GSM 標準的規格定格作為時間零點，那么數字無線通信技術則剛好跨越第 25 個年頭。目前并無跡象表明發展速度減緩——然而事實遠非如此。蜂窩通信對數據的渴望是永不滿足的，對未來科技進步的需求也從未停歇。移動數據的通信量在未來六年預期將增長十倍，專家預測未來通過移動網絡相互通信的物品數量（物聯網，IoT）將呈指數級增長。《愛立信移動通訊報告》詳細指出，2015 年底移動用戶總量約為 73 億（其中包含 10 億的 LTE 用戶），2015 年第四季度的手機用戶增長量為 6800 萬（舉例來說，印度的增長量為 2100 萬，中國的增長量為 600 萬，美國的增長量為 500 萬，緬甸的增長量為 500 萬，尼日利亞的增長量為 300 萬）。按照預測，移動用戶量至 2021 年底將達到 91 億。在 2015 年，智能手機用戶平均每月消費 1.4 G 字節的數據量。這一數字預期在 2021 年將達到 8.5 G 字節。這兩個因素相結合，將導致全球數據流量出現指數級增長。

本文將講述現今如何傳輸海量數據，以及將來如何確保移動網絡工作人員能夠為手機用戶提供上佳的體驗質量。

2. 2G / 3G / 4G 技術

當我們關注于 2G (GSM, GPRS, EDGE)、3G (UMTS, HSPA, HSPA+) 和 4G (LTE / LTE-Advanced (LTE A)) 這些不同的移動技術時，每當在基站和無線設備之間的空中接口引入新的傳輸方法，以及對移動網絡架構進行過優化之后，均會帶來非常重大的改進。每臺設備可用的數據傳輸速率理論值已經從不足 100 kbit/s (EDGE)演化至 42 Mbit/s (HSPA+0)，甚至到達數百 Mbit/s (LTE / LTE-A)。最先進的商用 LTE-A 設備在理想的實驗室條件下已達到 600 Mbit/s。在真實網絡中，傳播條件與共享信道原理會降低可達到的下載速度，這是因為，可用帶寬會被所有活躍的移動用戶所瓜分共享。盡管如此，LTE / LTE-A 技術已顯著增大可用的數據速率和網絡容量。以下是實現這一技術所必不可少的創新點：

能夠為每個移動用戶提供高達 20 MHz 的高系統帶寬，以及能夠為每個移動用戶捆綁多達 5 個這種 20 MHz 載波頻率（通常稱為載波聚合，CA）。CA 是 3GPP 第 10 版的 LTE-Advanced 中意義最為重大的改進。

使用空間復用（MIMO 技術），即在任何位置均可使用兩到八/四個發射/接收天線。

快速 OFDMA 復用技術，即可在毫秒級別內更改頻率和時間資源的分配。能夠為一臺無線設備分配的最少資源是一個資源塊（RB），頻率為 180 kHz，時長 0.5ms。

高品質的調制方法，尤其是 QPSK、16QAM、64QAM 和 256QAM。

精簡的網絡架構和純粹的分包數據交換傳輸可實現極短的網絡響應時間。與舊技術相比，新的 LTE 智能手機能夠更快速地加載因特網頁面。

引入 LTE / LTE-A 讓網絡操作員能夠滿足日益增長的需求。自從 2009 年底首個商用 LTE 網絡投入運作至今，在全世界 162 個國家已經實施了 494 個商用網絡，體現出這項技術的成功之處。以下內容將會探索 3GPP 標準主體引入技術增強的幾個關鍵 LTE 改進點（在第 10 版，LTE 也被稱為 LTE-Advanced 或 LTE-A）。

LTE 的特點是具備特定的增強多媒體廣播多路傳送服務，這使其能夠在單個蜂窩內將相同的資源（頻率和時間）分配給多個移動用戶。這是尋址移動 TV 應用的一個非常高效的方法，比如可使得許多移動用戶同時接收到相同的數據。這種模式還能讓無線設備高效地安裝新軟件 – 安裝新軟件通常還是需要為各個設備提供單獨的數據連接。

因為幾乎所有無線設備均具備 WLAN 功能，所以住宅和許多公共場所均提供 WLAN 連接。許多無線網絡操作人員會在機場等開放區域設置熱點，以提供接入互聯網的又一個可選途徑。無線設備的用戶僅須先關閉再開啟 WLAN 功能即可訪問網絡。一些無線設備還具備專門的應用程序，在檢測到信號足夠強的熱點時能夠自動開啟設備的 WLAN 數據連接。在這些情況中，所有數據流量均會通過移動網絡或 WLAN 進行傳輸。在 3GPP 規格中可使用特殊的模式，比如通過 WLAN 在后臺運行郵件應用程序的同時通過 LTE 傳輸視頻數據。然而，這種模式尚未在商用網絡所采納。一般來說，使用 WLAN 和 LTE 會給網絡操作員提供相當大的靈活性，并且能為他們的移動用戶提供更高的數據速率和更多的網絡容量。另一種方案是，使 LTE / LTE-A 工作于免授權的頻帶（授權輔助接入，LAA）并納入 3GPP 第 3 版中（于 2016 年 3 月獲批）。目前并不會從 LTE 切換到 WLAN，反而，LTE 可用在免授權的 2.4 GHz ISM 頻帶，而且采用載波聚合功能還可提升數據容量。LTE 中新增載波監聽功能以避免出現沖突，并確保僅當網絡容量充足時允許訪問頻帶。最后，在 IP 層對 LTE 和 WLAN 進行數據聚合是可以做到的，而在各種接入方案之間通過交換無線參數的方式實現 WLAN 和 LTE 之間更緊密的集成，同樣是可以做到的。因此，3GPP 利用 WLAN 和 LTE 技術提供了補充的解決方案。而商業部署將最終確定采用何種解決方案。

LTE 網絡的每一個蜂窩均采用相同的頻率，這將導致在蜂窩邊界發生蜂窩間干擾。與基站保持活動連接的無線設備會接收到臨近蜂窩的基站向其所連接設備所發出的信號。這將導致干擾并降低可達到的數據速率，這種效應尤其會影響到異質網絡環境，即多個小蜂窩（家庭基站或 pico）在一個大蜂窩（宏蜂窩）內工作的網絡拓撲。步行街就是一個好例子。小型、大容量的熱點覆蓋著大流量區域，這些熱點還可能處于覆蓋著部分城市區域的高層蜂窩的接收范圍之內。為了抵消這一效應，引入了協作多點發射與接收（CoMP）技術。CoMP 使其能以協作的方式在蜂窩邊界將信號發送至無線設備。有多種途徑可以實現這種協作。在最簡單的例子中，僅須確定哪個是潛在可用于數據傳輸的基站即可。而其它途徑包括為無線設備分配資源塊，或者控制天線波束的方向以盡可能減小干擾。以協作方式采用 MIMO 技術以及影響基帶信號（預編碼）能夠在蜂窩邊界實現最優的信號覆蓋。3GPP 第 12 版還指定了一種稱為“雙連接”的技術組成部分，用于進一步改善異質網絡狀況。在該技術中，無線設備可以配置兩個不同的載波頻率，連接到兩個基站。主基站（LTE 中的 eNodeB）提供高層級的宏蜂窩，而從屬 eHodeB 則提供熱點，即 pico 或家庭基站。在這種配置中，主 eNodeB 利用諸如蜂窩流量和設備速率等參數來決定在數據連接中使用宏蜂窩還是使用熱點。這兩種模式之間的切換速度極快，且無須發送額外的信號。如此即可節省信號空間，盡可能減少交接錯誤。在無線設備中，蜂窩邊界的干擾可通過采用改良的接收器來抵消，經過改良的接收器能夠識別這些特定的干擾類型，并采用合適的算法將干擾信號從接收信號中移除。網絡本身也可以提供關于潛在干擾的更多信息，以改進此類計算過程。在 LTE 標準中，這些技術組成部分被稱為“進一步強化的蜂窩間干擾協作”（feICIC，包含在 3GPP 第 11 版中)以及“網絡輔助干擾抵消與抑制”（NAICS，包含在 3GPP 第 12 版中）。

引入設備對設備（D2D）的能力尤為重要，因為這提供了兩項新的基本功能。首先，支持網絡的發現功能使得空間上鄰近的兩個無線設備能夠檢測到彼此。其次，這些設備與鄰近的其它設備能夠直接交換數據，而無須通過覆蓋該區域的基站來傳輸數據。然而，至少對于有信號覆蓋的情況，即如果至少一個設備處于蜂窩信號覆蓋范圍內，那么整個數據傳輸過程可由網絡進行授權和配置。引入這些全新的功能主要是考慮到公共安全因素。消防署和警務署需要小規模的個人小組內部交換大量數據（圖像、視頻等），而小組內的某些人員可能處于網絡信號覆蓋范圍之外，比如身處著火建筑物的地下室。以這種方式連接的無線設備之間的數據交換，僅限于公共安全和安保應用。最初可由一般公眾所使用的功能，將會僅限于與應用相關的廣播服務。其它商業用途模型也是可能的，并且也會作為 5G 開發流程的組成部分而進行討論。這尤其適用于汽車用例，即可能支持自動化駕駛。

3. 蜂窩IOT的技術發展

即便 LTE / LTE-A 網絡的性能日益強大，然后 4G 信號仍需一段時間才能全面覆蓋。高效地切換至 2G 和 3G 技術依然非常關鍵。另外，在許多用例中，低數據速率已經足夠。這里的關注焦點在于性價比高而且電池壽命長的解決方案。在這種機器對機器（M2M）的環境中，通常采用能持續使用多年的 GPRS 技術模塊。然而，LTE / LTE-A 在服務 M2M 應用方面已經引入了多項改進。比如，0 類 LTE 用戶設備可降低采用該類設備所需的工作量（降低數據速率要求，無須 MIMO 支持）。此外還引入了多項處理方法，以避免當大量 M2M 設備同時嘗試訪問網絡時造成移動網絡過載。3GPP 第 13 版進一步降低了復雜度。新的 UE M 類僅支持 1.4 MHz 帶寬，而且最大輸出功率僅為 20 dB。窄帶 IoT（NB-IoT）描述了當下行鏈路保持 15 kHz 副載波 OFDMA 規劃，而上行鏈路添加全新的 3.75 kHz副載波單諧傳輸 SC-FDMA 規劃時 ，一種僅支持約 180 kHz 帶寬的特定模式。也可實現通過信道重復增強覆蓋功能。

總的來說，目前 LTE/LTE-A 的技術可以覆蓋數據流量和 M2M/Iot等模型的更多要求。增強型移動寬帶和 IoT 應用是下一代（5G）通信協議全面討論中的主要用例。到底是什么因素促使行業要在 2020 年（或者在 2018 年部分地區）引入新一代移動通信協議之中。首先，由于移動用戶的數量和數據傳輸速率不斷增長，即便 LTE / LTE-Advanced 配備了所有增強項，也無法長期滿足這些需求。其次，新的行業用例定義顯著改善了移動網絡延時。這些用例中，至少一部分需要極為安全和可靠的連接。然后可以在汽車行業（比如支持自動化駕駛）和工業 4.0 應用中采用蜂窩通信，開辟新的收入來源。LTE / LTE-A 無法實現 1 ms 以內的延遲要求。除了技術方面的爭論之外，先前的研發周期表明，下一個技術階段會出現在 2020 年。GSM 在 1990 年引入，UMTS 在 2000 年引入，而 LTE 在 2010 年引入。順便值得一提的是，2020 年奧林匹克運動會將由日本舉辦 – 日本正積極參與 5G 的研發（當然不僅僅是這個原因）。

4. 未來5G的展望

主流無線通信公司的研究機構和研發部門已經在 5G 技術領域開展廣泛研究。研究工作主要專注于四個技術模塊，而這些技術模塊也被稱為未來需求的解決方案。最初的研究工作將會通過大幅提高帶寬來確定有哪些額外的頻帶可用。這項研究所覆蓋的頻譜高達 100 GHz，帶寬高達 2 GHz。在此，顯著改變的信道傳播條件扮演著重要條件。研究人員必須在能夠開發和評估恰當信道模型之前對這些條件進行分析，才能使用新技術（下一篇文章將會講述如何分析潛在的信道）。另外，使用大量的發射與接收天線元件的方式也在評估之中（數量級為 100）。通過先進的 MIMO 技術，它們可用于提升 6 GHz 頻譜以下的數據速率。在高頻范圍，必須提供所需的天線增益才能實現合適的蜂窩尺寸。我們會討論新型空中接口技術，并結合明顯更高的頻率以實現極短的反應時間。其中某些接口具備基于由 LTE 實現的 OFDM 技術的額外濾波功能。比如通用濾波多載波（UFMC）、濾波器組多載波（FBMC）、廣義頻分復用（GFDM）和濾波（有時稱為柔性）OFDM（f-OFDM）。現在關注一種更為高效的網絡拓撲，這是一種目前已經開始使用的拓撲技術。其基本理念是設計專門針對于移動通信節點的軟件功能，并在開放式硬件平臺上實現。這將促使更經濟的實現方式，比如移動核心網絡中的增強型分組核心（EPC）節點功能，以及基站的基帶功能。而且，如果出現硬件故障，操作員還能將這些功能轉移到其它平臺上。最終，這些過程將與如今數據中心中的處理過程相類似。網絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN）及網絡切分正驅使這些功能在移動網絡上靈活實施。應當注意到的是，本文在安全方面進行了廣泛的討論。

5. 結束語

LTE / LTE-A 技術的高性能能夠與現有的 2G/3G 網絡無縫協作，使用免授權頻段作為 WLAN 的補充，讓網絡操作員能夠滿足移動用戶日益增長的大數據需求。廣播/多播解決方案提高了系統靈活性。M2M 應用已經扮演者重要角色。未來需要相互通信的物件（IoT）數量不斷上升，行業垂直分支不斷產生新的需要（汽車行業、健康護理、機器人控制等等），這預示著一個將進一步顯著增長的需求。正因為這樣，手機通信行業的研究和預開發項目已經在討論 5G，瞄準著 2020 年以后的需求。羅德與施瓦茨及其子公司 SwissQual 和 ipoque 為當今的 T&M 任務提供了全面的產品組合，致力參與到 5G 的研發當中。