无线通信研究机构经历了忙碌的一年—从协议标准化取得的进步和来自监管机构的必要更新,到测量新提出的毫米波(mmWave)频率信道和开发即将把5G变为商业的关键技术,人们对5G的期待达到了前所未有的高度。那么,过去一年来所有的成绩对5G来说意味着什么?5G何时才能来临?

5G频率:mmWave和sub-6 GHz的结合

5G领域还有很多定义尚不明确,但有一点是肯定的:sub-6 GHz频谱依然十分重要,mmWave频率将用作sub-6 GHz技术的补充。

图1显示了期望中5G能实现的广泛需求,从用于增强型移动宽带(eMBB)应用的超可靠高带宽通信,到物联网(IoT)应用中期望看到的低带宽机对机(M2M)类型通信。一条频带满足这些需求是不可能或者极其困难的,但结合两条频带就能实现补充覆盖。Sub-6 GHz频谱能为窄频带应用提供更强的传播和向后兼容性,而mmWave频率的连续带宽能支持主要的eMBB应用。

5G17060901 图 1.目标的5G应用包括增强型移动宽带和机对机通信。

时间线

国际电信联盟(ITU)定义了研究的两个阶段,如图2所示:第一阶段针对sub-40 GHz,第二阶段针对sub-100 GHz。第一阶段计划于2018年6月结束,与3GPP的LTE release 15同步。第二阶段计划于2019年12月结束,与LTE release 16同步。图2显示了截至2016年秋天ITU和3GPP的时间线。

5G17060902 图2.ITU和3GPP的5G时间线(图像来源:http://frankrayal.com/2016/08/08/will-5g-be-the-last-g/)

然而,ITU的建议日期和未来将使用的频率存在不确定性。2017年3月的3GPP RAN全会(#75)上展示的Way Forward(WF)中,5G新无线电通信技术(NR)的计划发布时间提前,如Figure 3所示。

5G17060903 图3.3GPP NR发布时间提前(截至2017年3月)

NTT DOCOMO在最近的RAN4会议(#82)的Way Forward(WF)上推荐了应当使用的频带。表1总结了频率范围以及相应的电信运营商。

5G17060904 表1.RAN4会议#82上建议的新无线电通信技术(NR)频谱Way Forward,推荐给RAN全会#75。

28 GHz和Verizon

过去一年,sub-40 GHz研究的新闻主要是关于28 GHz,但它并不是唯一处于研究中的频率。FCC和Verizon一直在推动28 GHz的工作。为了分配额外的mmWave频带,用于灵活使用和未来建议的规则制定,FCC在2016年7月批准了频谱开发提案。28 GHz频带是目前美国三种可以灵活使用的频带之一。图4直观地展示了各种频带。根据RAN4会议上的WF,全球电信运营公司,包括欧洲运营商Orange、英国电信和意大利电信,都已经围绕着24-28 GHz建立起强大的联盟。这看起来似乎有些令人惊讶,因为根据此前的结论,受制于当前的频率,28 GHz并不是一条适合欧洲的频带,但频带中更低的频率拥有潜力。正如预期的那样,这些欧洲运营商正在要求32 GHz的频谱。

5G17060905 图4.FCC分配的mmWave频带

去年,Verizon从XO Communications处获得了28 GHz频带许可证,并直言希望能使用这一频率进行初步部署。尽管这一技术尚未有一个完全标准化的版本来进行该测试,Verizon正在下赌注,他们现在部署的硬件在未来通过软件升级,将有能力运行最终发布的任何规范。其他美国电信公司已经同意采用25 GHz频带,AT&T和T-Mobile均表示将对基于28 GHz的技术进行更多的研究,并与设备供应商合作,进行额外的现场试验。

2015年,Verizon与思科、爱立信、英特尔、LG、诺基亚、高通和三星共同建立了5G技术论坛(5GTF)。该工作小组的主要目标是使用mmWave频谱为光纤到户(FTTH)开发一种无线替代产品,又被称为固定无线接入(FWA)。5GTF主要从LTE标准中提取,并添加了目前正在为3GPP中的5G进行研究和建议的概念。

5GTF将子载波间距扩大到5倍(子载波从15 kHz提升至75kHz,每个分量载波能提供100 MHz带宽),并反比例降低了子帧间距,以维持与LTE的时间一致性。5GTF还添加了控制信号,扩大物理层,以囊括数字波束形成和预编码。

在旧金山召开的IEEE无线通信与网络会议(WCNC)上,美国国家仪器(NI)展示了5GTF的实时工作原型。尽管并非第一款该规范的原型,它依然备受瞩目,原因之一是它是该技术第一次公开展示运行。

Verizon意识到这将推动mmWave技术的预标准化。笼罩在V5G上的问题是其能否遵从3GPP 5G标准,因此在标准出台前就部署mmWave技术存在风险。如果Verizon的放手一搏取得成功,那么将在5G的竞争中大幅领先。如果失败,则需要更换大量过时的硬件。

新无线电通信技术(NR)

NR旨在覆盖所有应用和所有频带,包括ITU提出的三大应用关键绩效指标:增强型移动宽带(eMBB)、超高可靠超低延迟通信(URLLC)和大规模机器通信(MMTC)。这意味着物理层需要十分灵活,从而显著增高数据吞吐量,同时能允许几百倍数量的设备连接至窄带物联网(NB-IoT)网络。PHY还需要高可靠度和低延迟,以用于辅助驾驶。这不是一个简单的任务,针对NR的标准远比V5G的标准复杂。两者在添加波束管理等某些方面比较类似,但NR将同时包含慢速和快速波束管理。NR还将尽可能利用LTE,但采用不同的采样率和子载波率。

尽管关于NR的讨论不断,且希望能比原计划提前完成标准的指定,但尚未公布太多有关规范性能的数据。28 GHz有限的尝试主要关注信道探测,而非验证NR规范的可行性。NI已经开发出新无线电通信技术原型系统,能运行多用户MIMO。该系统使用NI mmWave收发仪系统 (MTS)和LabVIEW中编写的灵活物理层IP。

2018年5G竞赛的终点线

到2018年年初,我们将有望获得“什么是5G?”这一问题的答案。根据2017年3月3GPP RAN全会(#75)上公布的提前日程,NR物理层和MAC层将在2017年年底解决。频率选择没有严格的时间线,但运营商正在推动技术,以便能在2017年的现场试验中完成28 GHz硬件部署。到2018年第二季度,韩国将展示其5G技术预览。完全标准化流程尚未结束,但届时关于5G是什么的问题将逐渐清晰起来。5G定义之争或许即将结束,但5G技术的设计和部署才刚刚开始。
参考文献

[1] Use of Spectrum Bands Above 24 GHz for Mobile Radio Services, GN Docket No. 14-177, Notice of Proposed Rulemaking, 15 FCC Record 138A1 (rel. Oct. 23, 2015). [2] http://www.fiercewireless.com/tech/verizon-files-to-conduct-28-ghz-market-trials-4-states.