1.導(dǎo)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶和自動(dòng)駕駛汽車(chē)等未來(lái)項(xiàng)目要求極高的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)性能。5G 作為下一代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，人們期待其能夠?yàn)檫@些未來(lái)項(xiàng)目提供必需的性能。得益于持續(xù)的技術(shù)改進(jìn)，尤其是 LTE/LTE-Advanced 網(wǎng)絡(luò)，提供了絕佳的技術(shù)演化軌跡。

如果我們將出現(xiàn)在 1990 年的 900 MHz GSM 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格定格作為時(shí)間零點(diǎn)，那么數(shù)字無(wú)線通信技術(shù)則剛好跨越第 25 個(gè)年頭。目前并無(wú)跡象表明發(fā)展速度減緩——然而事實(shí)遠(yuǎn)非如此。蜂窩通信對(duì)數(shù)據(jù)的渴望是永不滿足的，對(duì)未來(lái)科技進(jìn)步的需求也從未停歇。移動(dòng)數(shù)據(jù)的通信量在未來(lái)六年預(yù)期將增長(zhǎng)十倍，專(zhuān)家預(yù)測(cè)未來(lái)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相互通信的物品數(shù)量（物聯(lián)網(wǎng)，IoT）將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。《愛(ài)立信移動(dòng)通訊報(bào)告》詳細(xì)指出，2015 年底移動(dòng)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(jī)用戶增長(zhǎng)量為 6800 萬(wàn)（舉例來(lái)說(shuō)，印度的增長(zhǎng)量為 2100 萬(wàn)，中國(guó)的增長(zhǎng)量為 600 萬(wàn)，美國(guó)的增長(zhǎng)量為 500 萬(wàn)，緬甸的增長(zhǎng)量為 500 萬(wàn)，尼日利亞的增長(zhǎng)量為 300 萬(wàn)）。按照預(yù)測(cè)，移動(dòng)用戶量至 2021 年底將達(dá)到 91 億。在 2015 年，智能手機(jī)用戶平均每月消費(fèi) 1.4 G 字節(jié)的數(shù)據(jù)量。這一數(shù)字預(yù)期在 2021 年將達(dá)到 8.5 G 字節(jié)。這兩個(gè)因素相結(jié)合，將導(dǎo)致全球數(shù)據(jù)流量出現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

本文將講述現(xiàn)今如何傳輸海量數(shù)據(jù)，以及將來(lái)如何確保移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)工作人員能夠?yàn)槭謾C(jī)用戶提供上佳的體驗(yàn)質(zhì)量。

2. 2G / 3G / 4G 技術(shù)

當(dāng)我們關(guān)注于 2G (GSM, GPRS, EDGE)、3G (UMTS, HSPA, HSPA+) 和 4G (LTE / LTE-Advanced (LTE A)) 這些不同的移動(dòng)技術(shù)時(shí)，每當(dāng)在基站和無(wú)線設(shè)備之間的空中接口引入新的傳輸方法，以及對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行過(guò)優(yōu)化之后，均會(huì)帶來(lái)非常重大的改進(jìn)。每臺(tái)設(shè)備可用的數(shù)據(jù)傳輸速率理論值已經(jīng)從不足 100 kbit/s (EDGE)演化至 42 Mbit/s (HSPA+0)，甚至到達(dá)數(shù)百 Mbit/s (LTE / LTE-A)。最先進(jìn)的商用 LTE-A 設(shè)備在理想的實(shí)驗(yàn)室條件下已達(dá)到 600 Mbit/s。在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，傳播條件與共享信道原理會(huì)降低可達(dá)到的下載速度，這是因?yàn)椋捎脦挄?huì)被所有活躍的移動(dòng)用戶所瓜分共享。盡管如此，LTE / LTE-A 技術(shù)已顯著增大可用的數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)容量。以下是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)所必不可少的創(chuàng)新點(diǎn)：

能夠?yàn)槊總€(gè)移動(dòng)用戶提供高達(dá) 20 MHz 的高系統(tǒng)帶寬，以及能夠?yàn)槊總€(gè)移動(dòng)用戶捆綁多達(dá) 5 個(gè)這種 20 MHz 載波頻率（通常稱(chēng)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(jìn)。

使用空間復(fù)用（MIMO 技術(shù)），即在任何位置均可使用兩到八/四個(gè)發(fā)射/接收天線。

快速 OFDMA 復(fù)用技術(shù)，即可在毫秒級(jí)別內(nèi)更改頻率和時(shí)間資源的分配。能夠?yàn)橐慌_(tái)無(wú)線設(shè)備分配的最少資源是一個(gè)資源塊（RB），頻率為 180 kHz，時(shí)長(zhǎng) 0.5ms。

高品質(zhì)的調(diào)制方法，尤其是 QPSK、16QAM、64QAM 和 256QAM。

精簡(jiǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和純粹的分包數(shù)據(jù)交換傳輸可實(shí)現(xiàn)極短的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間。與舊技術(shù)相比，新的 LTE 智能手機(jī)能夠更快速地加載因特網(wǎng)頁(yè)面。

引入 LTE / LTE-A 讓網(wǎng)絡(luò)操作員能夠滿足日益增長(zhǎng)的需求。自從 2009 年底首個(gè)商用 LTE 網(wǎng)絡(luò)投入運(yùn)作至今，在全世界 162 個(gè)國(guó)家已經(jīng)實(shí)施了 494 個(gè)商用網(wǎng)絡(luò)，體現(xiàn)出這項(xiàng)技術(shù)的成功之處。以下內(nèi)容將會(huì)探索 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)主體引入技術(shù)增強(qiáng)的幾個(gè)關(guān)鍵 LTE 改進(jìn)點(diǎn)（在第 10 版，LTE 也被稱(chēng)為 LTE-Advanced 或 LTE-A）。

LTE 的特點(diǎn)是具備特定的增強(qiáng)多媒體廣播多路傳送服務(wù)，這使其能夠在單個(gè)蜂窩內(nèi)將相同的資源（頻率和時(shí)間）分配給多個(gè)移動(dòng)用戶。這是尋址移動(dòng) TV 應(yīng)用的一個(gè)非常高效的方法，比如可使得許多移動(dòng)用戶同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。這種模式還能讓無(wú)線設(shè)備高效地安裝新軟件 – 安裝新軟件通常還是需要為各個(gè)設(shè)備提供單獨(dú)的數(shù)據(jù)連接。

因?yàn)閹缀跛袩o(wú)線設(shè)備均具備 WLAN 功能，所以住宅和許多公共場(chǎng)所均提供 WLAN 連接。許多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)操作人員會(huì)在機(jī)場(chǎng)等開(kāi)放區(qū)域設(shè)置熱點(diǎn)，以提供接入互聯(lián)網(wǎng)的又一個(gè)可選途徑。無(wú)線設(shè)備的用戶僅須先關(guān)閉再開(kāi)啟 WLAN 功能即可訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。一些無(wú)線設(shè)備還具備專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用程序，在檢測(cè)到信號(hào)足夠強(qiáng)的熱點(diǎn)時(shí)能夠自動(dòng)開(kāi)啟設(shè)備的 WLAN 數(shù)據(jù)連接。在這些情況中，所有數(shù)據(jù)流量均會(huì)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或 WLAN 進(jìn)行傳輸。在 3GPP 規(guī)格中可使用特殊的模式，比如通過(guò) WLAN 在后臺(tái)運(yùn)行郵件應(yīng)用程序的同時(shí)通過(guò) LTE 傳輸視頻數(shù)據(jù)。然而，這種模式尚未在商用網(wǎng)絡(luò)所采納。一般來(lái)說(shuō)，使用 WLAN 和 LTE 會(huì)給網(wǎng)絡(luò)操作員提供相當(dāng)大的靈活性，并且能為他們的移動(dòng)用戶提供更高的數(shù)據(jù)速率和更多的網(wǎng)絡(luò)容量。另一種方案是，使 LTE / LTE-A 工作于免授權(quán)的頻帶（授權(quán)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(huì)從 LTE 切換到 WLAN，反而，LTE 可用在免授權(quán)的 2.4 GHz ISM 頻帶，而且采用載波聚合功能還可提升數(shù)據(jù)容量。LTE 中新增載波監(jiān)聽(tīng)功能以避免出現(xiàn)沖突，并確保僅當(dāng)網(wǎng)絡(luò)容量充足時(shí)允許訪問(wèn)頻帶。最后，在 IP 層對(duì) LTE 和 WLAN 進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合是可以做到的，而在各種接入方案之間通過(guò)交換無(wú)線參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn) 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(shù)提供了補(bǔ)充的解決方案。而商業(yè)部署將最終確定采用何種解決方案。

LTE 網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)蜂窩均采用相同的頻率，這將導(dǎo)致在蜂窩邊界發(fā)生蜂窩間干擾。與基站保持活動(dòng)連接的無(wú)線設(shè)備會(huì)接收到臨近蜂窩的基站向其所連接設(shè)備所發(fā)出的信號(hào)。這將導(dǎo)致干擾并降低可達(dá)到的數(shù)據(jù)速率，這種效應(yīng)尤其會(huì)影響到異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，即多個(gè)小蜂窩（家庭基站或 pico）在一個(gè)大蜂窩（宏蜂窩）內(nèi)工作的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹２叫薪志褪且粋€(gè)好例子。小型、大容量的熱點(diǎn)覆蓋著大流量區(qū)域，這些熱點(diǎn)還可能處于覆蓋著部分城市區(qū)域的高層蜂窩的接收范圍之內(nèi)。為了抵消這一效應(yīng)，引入了協(xié)作多點(diǎn)發(fā)射與接收（CoMP）技術(shù)。CoMP 使其能以協(xié)作的方式在蜂窩邊界將信號(hào)發(fā)送至無(wú)線設(shè)備。有多種途徑可以實(shí)現(xiàn)這種協(xié)作。在最簡(jiǎn)單的例子中，僅須確定哪個(gè)是潛在可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕炯纯伞６渌緩桨闊o(wú)線設(shè)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(xié)作方式采用 MIMO 技術(shù)以及影響基帶信號(hào)（預(yù)編碼）能夠在蜂窩邊界實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的信號(hào)覆蓋。3GPP 第 12 版還指定了一種稱(chēng)為“雙連接”的技術(shù)組成部分，用于進(jìn)一步改善異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)狀況。在該技術(shù)中，無(wú)線設(shè)備可以配置兩個(gè)不同的載波頻率，連接到兩個(gè)基站。主基站（LTE 中的 eNodeB）提供高層級(jí)的宏蜂窩，而從屬 eHodeB 則提供熱點(diǎn)，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(shè)備速率等參數(shù)來(lái)決定在數(shù)據(jù)連接中使用宏蜂窩還是使用熱點(diǎn)。這兩種模式之間的切換速度極快，且無(wú)須發(fā)送額外的信號(hào)。如此即可節(jié)省信號(hào)空間，盡可能減少交接錯(cuò)誤。在無(wú)線設(shè)備中，蜂窩邊界的干擾可通過(guò)采用改良的接收器來(lái)抵消，經(jīng)過(guò)改良的接收器能夠識(shí)別這些特定的干擾類(lèi)型，并采用合適的算法將干擾信號(hào)從接收信號(hào)中移除。網(wǎng)絡(luò)本身也可以提供關(guān)于潛在干擾的更多信息，以改進(jìn)此類(lèi)計(jì)算過(guò)程。在 LTE 標(biāo)準(zhǔn)中，這些技術(shù)組成部分被稱(chēng)為“進(jìn)一步強(qiáng)化的蜂窩間干擾協(xié)作”（feICIC，包含在 3GPP 第 11 版中)以及“網(wǎng)絡(luò)輔助干擾抵消與抑制”（NAICS，包含在 3GPP 第 12 版中）。

引入設(shè)備對(duì)設(shè)備（D2D）的能力尤為重要，因?yàn)檫@提供了兩項(xiàng)新的基本功能。首先，支持網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)功能使得空間上鄰近的兩個(gè)無(wú)線設(shè)備能夠檢測(cè)到彼此。其次，這些設(shè)備與鄰近的其它設(shè)備能夠直接交換數(shù)據(jù)，而無(wú)須通過(guò)覆蓋該區(qū)域的基站來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。然而，至少對(duì)于有信號(hào)覆蓋的情況，即如果至少一個(gè)設(shè)備處于蜂窩信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，那么整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程可由網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行授權(quán)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(wù)署需要小規(guī)模的個(gè)人小組內(nèi)部交換大量數(shù)據(jù)（圖像、視頻等），而小組內(nèi)的某些人員可能處于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(wú)線設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，僅限于公共安全和安保應(yīng)用。最初可由一般公眾所使用的功能，將會(huì)僅限于與應(yīng)用相關(guān)的廣播服務(wù)。其它商業(yè)用途模型也是可能的，并且也會(huì)作為 5G 開(kāi)發(fā)流程的組成部分而進(jìn)行討論。這尤其適用于汽車(chē)用例，即可能支持自動(dòng)化駕駛。

3. 蜂窩IOT的技術(shù)發(fā)展

即便 LTE / LTE-A 網(wǎng)絡(luò)的性能日益強(qiáng)大，然后 4G 信號(hào)仍需一段時(shí)間才能全面覆蓋。高效地切換至 2G 和 3G 技術(shù)依然非常關(guān)鍵。另外，在許多用例中，低數(shù)據(jù)速率已經(jīng)足夠。這里的關(guān)注焦點(diǎn)在于性價(jià)比高而且電池壽命長(zhǎng)的解決方案。在這種機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）的環(huán)境中，通常采用能持續(xù)使用多年的 GPRS 技術(shù)模塊。然而，LTE / LTE-A 在服務(wù) M2M 應(yīng)用方面已經(jīng)引入了多項(xiàng)改進(jìn)。比如，0 類(lèi) LTE 用戶設(shè)備可降低采用該類(lèi)設(shè)備所需的工作量（降低數(shù)據(jù)速率要求，無(wú)須 MIMO 支持）。此外還引入了多項(xiàng)處理方法，以避免當(dāng)大量 M2M 設(shè)備同時(shí)嘗試訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)造成移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)過(guò)載。3GPP 第 13 版進(jìn)一步降低了復(fù)雜度。新的 UE M 類(lèi)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(dāng)下行鏈路保持 15 kHz 副載波 OFDMA 規(guī)劃，而上行鏈路添加全新的 3.75 kHz副載波單諧傳輸 SC-FDMA 規(guī)劃時(shí) ，一種僅支持約 180 kHz 帶寬的特定模式。也可實(shí)現(xiàn)通過(guò)信道重復(fù)增強(qiáng)覆蓋功能。

總的來(lái)說(shuō)，目前 LTE/LTE-A 的技術(shù)可以覆蓋數(shù)據(jù)流量和 M2M/Iot等模型的更多要求。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶和 IoT 應(yīng)用是下一代（5G）通信協(xié)議全面討論中的主要用例。到底是什么因素促使行業(yè)要在 2020 年（或者在 2018 年部分地區(qū)）引入新一代移動(dòng)通信協(xié)議之中。首先，由于移動(dòng)用戶的數(shù)量和數(shù)據(jù)傳輸速率不斷增長(zhǎng)，即便 LTE / LTE-Advanced 配備了所有增強(qiáng)項(xiàng)，也無(wú)法長(zhǎng)期滿足這些需求。其次，新的行業(yè)用例定義顯著改善了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。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(chē)行業(yè)（比如支持自動(dòng)化駕駛）和工業(yè) 4.0 應(yīng)用中采用蜂窩通信，開(kāi)辟新的收入來(lái)源。LTE / LTE-A 無(wú)法實(shí)現(xiàn) 1 ms 以內(nèi)的延遲要求。除了技術(shù)方面的爭(zhēng)論之外，先前的研發(fā)周期表明，下一個(gè)技術(shù)階段會(huì)出現(xiàn)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(yùn)動(dòng)會(huì)將由日本舉辦 – 日本正積極參與 5G 的研發(fā)（當(dāng)然不僅僅是這個(gè)原因）。

4. 未來(lái)5G的展望

主流無(wú)線通信公司的研究機(jī)構(gòu)和研發(fā)部門(mén)已經(jīng)在 5G 技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展廣泛研究。研究工作主要專(zhuān)注于四個(gè)技術(shù)模塊，而這些技術(shù)模塊也被稱(chēng)為未來(lái)需求的解決方案。最初的研究工作將會(huì)通過(guò)大幅提高帶寬來(lái)確定有哪些額外的頻帶可用。這項(xiàng)研究所覆蓋的頻譜高達(dá) 100 GHz，帶寬高達(dá) 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(kāi)發(fā)和評(píng)估恰當(dāng)信道模型之前對(duì)這些條件進(jìn)行分析，才能使用新技術(shù)（下一篇文章將會(huì)講述如何分析潛在的信道）。另外，使用大量的發(fā)射與接收天線元件的方式也在評(píng)估之中（數(shù)量級(jí)為 100）。通過(guò)先進(jìn)的 MIMO 技術(shù)，它們可用于提升 6 GHz 頻譜以下的數(shù)據(jù)速率。在高頻范圍，必須提供所需的天線增益才能實(shí)現(xiàn)合適的蜂窩尺寸。我們會(huì)討論新型空中接口技術(shù)，并結(jié)合明顯更高的頻率以實(shí)現(xiàn)極短的反應(yīng)時(shí)間。其中某些接口具備基于由 LTE 實(shí)現(xiàn)的 OFDM 技術(shù)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(fù)用（GFDM）和濾波（有時(shí)稱(chēng)為柔性）OFDM（f-OFDM）。現(xiàn)在關(guān)注一種更為高效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌@是一種目前已經(jīng)開(kāi)始使用的拓?fù)浼夹g(shù)。其基本理念是設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)針對(duì)于移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)的軟件功能，并在開(kāi)放式硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。這將促使更經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)方式，比如移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)中的增強(qiáng)型分組核心（EPC）節(jié)點(diǎn)功能，以及基站的基帶功能。而且，如果出現(xiàn)硬件故障，操作員還能將這些功能轉(zhuǎn)移到其它平臺(tái)上。最終，這些過(guò)程將與如今數(shù)據(jù)中心中的處理過(guò)程相類(lèi)似。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）及網(wǎng)絡(luò)切分正驅(qū)使這些功能在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上靈活實(shí)施。應(yīng)當(dāng)注意到的是，本文在安全方面進(jìn)行了廣泛的討論。

5. 結(jié)束語(yǔ)

LTE / LTE-A 技術(shù)的高性能能夠與現(xiàn)有的 2G/3G 網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫協(xié)作，使用免授權(quán)頻段作為 WLAN 的補(bǔ)充，讓網(wǎng)絡(luò)操作員能夠滿足移動(dòng)用戶日益增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)需求。廣播/多播解決方案提高了系統(tǒng)靈活性。M2M 應(yīng)用已經(jīng)扮演者重要角色。未來(lái)需要相互通信的物件（IoT）數(shù)量不斷上升，行業(yè)垂直分支不斷產(chǎn)生新的需要（汽車(chē)行業(yè)、健康護(hù)理、機(jī)器人控制等等），這預(yù)示著一個(gè)將進(jìn)一步顯著增長(zhǎng)的需求。正因?yàn)檫@樣，手機(jī)通信行業(yè)的研究和預(yù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)在討論 5G，瞄準(zhǔn)著 2020 年以后的需求。羅德與施瓦茨及其子公司 SwissQual 和 ipoque 為當(dāng)今的 T&M 任務(wù)提供了全面的產(chǎn)品組合，致力參與到 5G 的研發(fā)當(dāng)中。