这次上海移动通讯展上(MWC),第五代移动通信技术5G展示了很多重大突破:高通携手中移动演示最新的5G NR新空口技术,不仅可以实现数千兆比特的速度,而且可以通过新的帧架构(将上下行信号放在了同一个约1ms的帧中,迅速反馈)实现非常低的毫秒级的延时,在sub-6GHz上对3GPP关键技术进行了验证;华为、中兴、大唐电信分别展示了3D MIMO的128天线(大唐电信可以实现256天线阵列)的5G基站对3GPP另一关键技术进行验证;联通携手英特尔展示了基于x86核心网络与Wigig的5G虚拟化基站。。。 22 图题:高通携手中国移动展示了5G新空口原型机(视频),在Sub-6GHz上对3GPP关键技术验证,包括数千兆比特速率与毫秒级时延 23 图题:高通展示的3GPP 5G新空口(NR,new radio)技术,在帧结构上进行了大的变化,将上下行放入同一个约1ms的帧中,以实现极低的毫秒级延时。 24 图题:在年初的西班牙MWC上,高通展示了毫米波的5G NR原型;这次在上海MWC上,高通携手中移动展示了3.5GHz的5G NR原型。后面这一频段,被业界高度猜测会成为中国5G的主要频段之一。 25 图题:华为、大唐、中兴都展示了128天线的3D-MIMO基站样机。3D-MIMO也是3GPP的关键技术之一,此次上海MWC被很多厂商验证。 26 图题:联通携手华为展示了5G massive MIMO测试 27 图题:联通携手英特尔,展示了5G虚拟化基站。采用了英特尔的核心网架构与WiGig技术。

5G手机将有16根天线,终端设计的挑战有哪些?

如前描述,一个一个的技术难题正在解决,5G如约向我们走来。2018年3GPP关于5G的规范就会陆续出台,随之商用的终端芯片也会面市,再随之,手机厂商就要开始设计5G手机了。并且,最重要的是,5G时代的终端,除了手机,还会有大量的形态:有的终端需要数千兆比特的高速、有的终端需要低至1毫秒的延时、有的终端需要能支持10年的电池续航,那时,真正会是万物互联的爆发。。。。除了上面说的,5G还有哪些关键性技术待验证?各种关于5G的频段如何规划?另一个可能是大家最关心的事:5G手机可能会需要4-16根天线,终端设计的挑战有哪些?

为此,本刊专访了Qualcomm Technologies研发高级副总裁Durga Malladi,他在专门负责5G技术领域的研发,并参与了3GPP的相关标准制定,他对上面的这些问题一一进行解答。

问:请您先解释一下,这次演示的5G NR新空口的意义。

Durga Malladi:高通本次推出的原型系统和试验平台,主要是针对3GPP所定义的关于5G NR。NR指的是New Radio,这不是Qualcomm自己的命名,而是3GPP的命名。我们希望通过使用这个原型对我们的5G技术进行测试,并希望可以影响到3GPP的标准化工作和进程。同时,我们在打造这个原型的时候也将5G标准化进程中的许多因素考虑在内,也就是说,我们期望随着时间的推移,我们原型将具有互操作性从而适用于不同的供应商。目前,很多公司在做5G演示的时候往往是自行开发基站和终端以保证其互操作性。对我们来讲,我们希望能够打造出适用于所有公司的产品,它将允许运营商测试技术并支持互操作性。

我们之所以在技术发展的早期就推出原型系统,是希望能够对关键的3GPP NR技术都进行真正测试。比如说,5G有望实现高达每秒数千兆比特的数据速率和低至1毫秒的网络时延。这些都是很具挑战性的要求。我们可能在设计以及技术模拟和分析的过程中,这些要求在纸面上都是可行的,但要真正证明技术的可行性,我们需要打造出原型,通过实际操作看到底能不能行。这次我们推出的6GHz以下5G原型,确实可以实现非常高的数据速率和非常低的时延。所以说,我们正在测试尚处于发展当中的多项前沿技术。

问:1毫秒延时的应用场景有哪些?就车联网安全这块而言,您认为目前时延大约在20至30毫秒的4G连接是否能满足汽车对于安全性的要求呢?

Durga Malladi:在我看来,目前的4G连接可以满足部分车联网应用的需求。根据目前的协议,汽车安全信息的传输间隔是100毫秒,现在的4G连接完全有能力实现这样的传输间隔。假设道路上前车临时刹车,就会以100毫秒为间隔向后车发出警告信息,考虑到现在的汽车都是有人驾驶,车辆之间间隔较远,所以实际上4G是可能满足传输安全性信息的所需的网络要求的。但这只是现今的情况,在几年以后,路上可能多数是无人驾驶的车辆,车与车的间距可能更短,这种情况下如果再以100毫秒间隔发送汽车安全信息,这可能就会造成交通事故。因此,我们需要用5G实现更低时延。

我想强调的是,我们在规划5G的时候需要把目光放得更长远。5G是面向未来20年的网络架构,我们甚至不知道未来20年中会出现什么样的应用和用例。因此,我们要具有前瞻性,打造出可以适用于未来的先进技术。

问:高通在MWC的时候,已演示了基于毫米波的5G基站与终端原型,半年过去,请谈谈这个技术目前的面向商用准备情况?以及终端设计将面临的挑战?

Durga Malladi:我们谈到毫米波通常是指在28GHz以上频段的我们就称之为毫米波技术。那么在这么高的频段上,移动传输会面临非常大的挑战。从我们的毫米波技术演示上,大家可以看到我们是运用了大量的天线技术,基站侧用了128根天线,在终端侧用了16根天线。同时,我们还采用了非常先进的波束成型技术。所谓波束成型技术,其中一个用例就是,未来你拿着一部5G终端,当你移动的时候,这个技术能够非常精准地跟踪你,保证你的连接不中断。所以这个技术解决了毫米波在移动性上的一个挑战,这将带来非常好的体验。

在我们对毫米波技术进行测试的过程中,我们致力于保证在用户终端移动的情况下依然能够保持连接。即使是在非视距的环境中,也就是基站和用户之间不存在任何视距元素,我们的毫米波技术可以利用楼宇或周围环境物的反射,始终保持基站与终端之间链路的连接。我们认为,使用波束成型技术和具备在非视距条件下保持连接的能力是发展毫米波技术的关键,这也是我们在整个毫米波演示上所克服的一个很大的挑战。

问:到目前为止,例如 28GHz以及最新发布的6GHz以下新空口原型,除了已经和Qualcomm自己的基站做过互操作性测试之外,有没有和第三方基站做过互操作性测试?

Durga Malladi:现在我们的5G原型还没有和其它基站做过互操作性的测试,但是我们之前就宣布将有这样的计划来实现它。我们的创新要建立在3GPP标准建立的基础之上,而这个规范要在2018年才会完成。它的建立是一个循序渐进的过程,我们已经开始参与建立这些规范。在这个过程中,我们的技术也会不断地成熟。随之也会有更多的基站会符合规范要求。到那时,我们就可以和它们进行互操作性测试。

问:5G相比较4G和3G而言,是一个全新的技术和标准吗?还是由4G演进而来再加上一些新的元素?

Durga Malladi:在我看来5G是一个全新的系统,这意味着它其中包含了非常多的全新功能是目前4G技术所不支持的。一方面, 5G和4G技术还有很多相似性,比如在波形技术上我们认为5G和4G会一样会采用OFDM的波形技术。另一方面,5G和4G也有非常多的差异:5G要支持非常多的跨行业的不同用例,而远不止是 “高速移动宽带” 这样一个要求,还包括:海量物联网和关键业务型应用等。因此,对于5G技术的要求,就会比4G更多。

问:5G网络将是一个多种无线技术融合与共存的网络,比如3G、LTE、Wi-Fi等,具体而言5G将如何整合协调各种无线技术以提升用户体验?

Durga Malladi:目前,我们的终端通常在某个特定时间往往只采用多种无线接入技术中的一种。比如,现在这个会议室中大部分人的手机都连接到了酒店的Wi-Fi网络,当有电话呼叫的时候可能会连入蜂窝网络,但我们的数据传输还是在Wi-Fi上进行。未来在5G时代,终端将能够同时使用多种无线电波。用户其实并不太关心他们的手机采用的是哪种连接,他们关心的是用户体验。比如现在有一个接入点,这个接入点可以提供4G、5G和Wi-Fi连接,你的终端将能够根据实际情况选择接入最优的无线连接。我们期望在未来5G时代,终端侧集成多种无线技术并始终保持接入其中一种连接,还可根据接入点的可用性利用其他无线技术作为补充。

另外补充一点,我认为在保持5G终终端多连接方面,非常重要的一点是继续沿袭今天的载波聚合技术。今天的载波聚合以LTE作为主载波,然后通过聚合其他辅载波以增加速率带宽。目前已经有一种技术叫LTE Wi-Fi链路聚合,以LTE载波作为主载波并将控制信令放在LTE上面,同时以Wi-Fi作为辅载波并把数据增强放在Wi-Fi上,这是载波聚合其中的一种技术。另一种基于LTE的载波聚合技术叫LAA(辅助授权接入),它已经在3GPP完成了标准化。这项技术依然以LTE作为主载波,辅载波使用经优化的非授权频谱。所以说,我们在LTE上已经实现了授权频谱和非授权频谱的结合。

未来5G面世以后,5G连接也可以作为载波聚合的元素。比如说,可以使用LTE作为主载波,并使用5G的宽带频段作为辅载波。甚至,当5G技术得到进一步发展,5G的宽带频段将既可以放在授权频谱,也可以放在非授权频谱。对于用户体验来而言,搭载一个控制信令的主载波聚合数据信令或辅载波,无论辅载波是Wi-Fi还是5G,都可以实现非常好的宽带体验。未来,载波聚合技术可以采用4G或5G作为主载波,这很大程度上取决于网络覆盖情况。如果5G覆盖良好,可以采用5G作为主载波。如果5G覆盖较弱,可以采用4G作为主载波,并将数据增强放在5G辅载波上。

问:如何确定5G频谱的使用?将来5G也会同时运行在授权与非授权频段上吗?您认为中国会青睐哪个频段?

Durga Malladi:我们看来5G技术是可以利用大量频段的一个无线通信技术,包括1GHz以下的低频段如600MHz或700MHz,以及1GHz至6GHz之间的频段,比如说在中国十分重要的3.5GHz频段,以及用于4G部署的2.6GHz频段,4GHz以及4.8-4.9GHz频段也是中国运营商关注的。5G还将在更高的频段中运行,比如说24GHz、28GHz和32GHz等。 低频频段有很好的覆盖,这一点对于物联网的应用来说十分重要。Qualcomm宣布的5G新空口原型系统和试验平台就是针对于所有6GHz以下频段的,例如,在中国,3.3GHz至3. 8GHz之间的频段对于4G和5G来说都非常重要。而在其他国家,我们也可以看到像4.4GHz至4. 8GHz之间的频段正在逐渐变得越来越重要。因此,现在有大量的6GHz以下的频段都对5G来说十分重要。除此之外,在毫米波频段上,尤其对于从24GHz到32GHz、37GHz到39GHz的频段来说,在不同的地域,5G都有大量的频谱资源可用,比如欧洲、日韩以及美国。所以5G是一个能够被通用在各个频段的通信技术,而不单单只是毫米波。

5G除了用高频的频谱以外,在低频范围内,不仅仅只是使用授权频谱,也会包含共享频谱。对于共享频谱来说,在资源缺乏的地方,其实不同的运营商可以共享同一个频谱。而这个共享频谱在几年前可能主要是由Wi-Fi来主导。但是从LTE技术中大家已经看到LAA的辅载波用的是共享频谱,而LAA后面的演进也可以使用蜂窝技术作为独立应用的技术进入非授权频谱。因此未来我们认为5G是可以在共享频谱和授权频谱中运用的。在频谱资源缺乏的地方,我们可以用共享频谱,而在频谱资源丰富的时候,大家依然可以得到独立的授权频谱。

问:高通能不能预测一下关于5G的时间表?

Durga Malladi:关于中国5G部署的时间表,这个其实涉及多个相关方,也许中国政府部门和运营商更有资格来给出答案。Qualcomm会一如既往地同运营商进行合作。从整个业界5G标准化进程来看,大致时间表是这样的——2018年业界5G标准化第一版规范将出台,在标准制定后,相应的芯片产品也将随之上市。而接下来的实际部署将取决于各个地区以及各国运营商的部署方案。

问:再过两年,5G手机就要来了,您能不能分析下未来5G手机设计的挑战?

Durga Malladi:谈到开发5G智能手机所面临的挑战,我认为挑战有两个方面。首先,我们期望未来的5G终端达到每秒数千兆比特的超高数据速率,同时我们也必须考虑功耗和电池续航的问题。现在的智能手机一般是一天充一次电,大家可能觉得还可接受。到了5G时代,智能终端的续航是否会受到影响,如果我们需要每半小时甚至每十几分钟就为手机充一次电,那么即使手机能提供千兆级的数据速率,我相信用户也不会喜欢这样的手机。所以在5G智能手机的设计中要兼顾高速率和低功耗,这是一个非常大的挑战。其次,我们期望5G将利用大量不同频段,包括6GHz以上和6GHz以下频段。前面我们还提到,5G将支持多模多连接,实现同时与多个无线网络进行连接。要在单一终端上支持这么多的通信技术和这么多的频段,这对射频前端的设计提出了巨大的挑战。

首先,在高频段部分,比如在28GHz、32GHz毫米波上面的一些挑战就是,在这些频段上,信号的传输很容易受到阻碍或者损耗,它传输的距离会非常短,可能一个小小的物体或障碍就会阻碍信号的传输,那么就会失去连接。所以在高频段上需要波束成形和波束追踪这样的技术才能够保持则连接,而要实现这一点我们需要一些 “多天线” 的技术,比如在设备侧需要16根天线,基站侧需要128根天线。此外在高频高速的传输下,如何在终端侧还能保持非常好的功耗,这也是在高频段上的一个挑战。

对于6GHz以下的频段,比如:3GHz、4GHz这样的频段来讲,在这些频段上的覆盖性要更好,但是同时在天线的使用上也比较多,比如在这个阶层的频段利用到大规模MIMO技术,可能在基站侧需要部署32根或64根天线,但是在终端侧就可以很大程度的减少,可能保持4根天线就可以了。在这些频段上所面临的挑战要比毫米波小很多。因为这些频谱是我们现在已经用了很久的,而且我们也知道如何在这些频谱上部署技术。在终端侧,相关的元器件也比较成熟,所以在这个频段上的挑战比毫米波要小很多。

再往下到1GHz以下,在这个频段上它的覆盖性会特别好、传输性也好,所以大家往往在这个频段上部署一些针对物联网的应用。在这个频段上,我们就无法部署很多天线,一般的在基站侧有4根,终端侧可能2根就够了。通常情况下,当到了1GHz频段以下,运营商可用的频谱资源并不是很多,因此面临的一个挑战就是它的带宽可能不会像再往上一档的频段的那么多,就很难取得很大的带宽。

问:3GPP规范仍在建立中,许多厂商包括Qualcomm都表示他们的5G芯片解决方案将会在未来的2-3年之间上市。您认为将来会有哪些技术会被第一版本的5G芯片解决方案所采用?

Durga Malladi:目前为止针对这个问题我们可以分享的是,如果你看3GPP设定的标准化进程,它被分成了两个阶段:第一是研究阶段,第二是工作阶段。在研究项目阶段,所有的可能性都需要被考虑,包括增强型移动宽带、关键业务型服务、以及海量物联网等。在工作项目阶段,这将取决于在2018年前运营商对哪些技术有兴趣。我们都知道一般来说运营商会对移动宽带非常感兴趣,但我相信有一些运营商也会对其他的技术感兴趣。因此,我认为我们推出的第一款5G芯片组将至少拥有强大的移动宽带能力并支持超高数据速率和低时延,还将根据5G规范支持其他技术。

问:关于NB-IoT,未来会融入到5G标准中吗?

Durga Malladi:之前关于窄带物联网(NB-IoT)的宣布也提到了,在其产品真正部署的时候,会跟5G研发的时间会比较贴合,所以到时候看,是不是也会支持新的5G的技术。

问:Qualcomm第一个5G SoC大概什么时候会推出?Qualcomm会不会成为业界第一个推出5G SoC的供应商?

Durga Malladi:这个问题由我们的产品部门来回答更合适,但我们对此还是非常有信心的。关于5G SoC时间表,因为3GPP规范的制定将在2018年完成,因此符合第一版规范的产品可能会在2018年或者之后的一段时间推出。如果一切按照计划进行,首个商用部署将会在2019年展开。

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