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打造无缝的无线体验

时间:2020-06-19 作者:EETimes 阅读:
我们希望我们的世界是互联的,我们希望所有事情可以自动完成。自从有了无线红外电视遥控器以来,我们一直在推动越来越多数据的更快传输。
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今天的消费者希望在家里和各种形式的传输上都有流媒体和高带宽的通信。企业的需求各不相同,从连接简单、低功耗的传感器到将数据馈送到运行在始终感知的设备上的复杂算法,这些设备分析从生产线收集的大量当前和存档的信息。政府希望在城市和农村地区提供行政服务,进行安全和管理方面的视频监控,以及可靠和高效地运营运输服务。这些还仅仅是涵盖了我们当前的愿望。4HEEETC-电子工程专辑

许多室内无线连接是由Wi-Fi在开放频段上提供的,而大多数室外连接是由移动运营商许可的。全球移动供应商协会(GSA)今年4月统计了380家正在投资5G网络的运营商。其中,41个国家的73家运营商推出了某种形式的第三代合作伙伴项目(3GPP)兼容的商用5G服务。[i]4HEEETC-电子工程专辑

在物联网领域,咨询公司麦肯锡(McKinsey & Co.)认为,随着2022年要求增强移动宽带(eMBB)的应用出现变化,5G在主要市场的采用呈波浪式增长,其次是依靠高可靠、低延迟通信(URLLC)的应用,2023年采用率有所上升,以及海量机器通信(mMTC)从2025年开始显著上升。[ii]4HEEETC-电子工程专辑

室内连接的最新情况

到目前为止,室内Wi-Fi技术为我们提供了很好的服务。日益增长的带宽需求和我们希望连接到单个无线局域网(WLAN)的设备数量的爆炸性增长(所有这些都在人口密集的环境中,如公寓区),意味着Wi-Fi联盟需要用新标准来应对挑战。4HEEETC-电子工程专辑

Wi-Fi 6或802.11ax是在速度、效率和安全性方面提供改进的最新一代标准。它在密集环境中支持更多的客户端,性能比以前的标准802.11ac更高、更可预测。4HEEETC-电子工程专辑

它使用1024正交幅度调制(QAM),可实现35%以上的速度增长,其基于正交频分多址(OFDMA)的调度减少了延迟。它将802.11ac的下行链路(DL)多用户多输入多输出(MU-MIMO)双向扩展到八个空间流。Wi-Fi 6灵活的唤醒调度允许客户端设备睡眠更长时间,资源单元(RUs)的集中调度减少了竞争,从而延长了设备的电池寿命。基于加密和身份验证的Wi-Fi 保护访问由WPA2替换为WPA3,安全性得到进一步改进。4HEEETC-电子工程专辑

Wi-Fi 6E将这些增强功能扩展到6 GHz频段。随着联邦通信委员会(FCC)最近在美国开放这一频段,无需授权即可使用。“6E”意味着可以使用额外的1.2GHz(5.925-7.125GHz)频率,分出14个80MHz的频道或更高带宽的7个无重叠的160MHz频道。4HEEETC-电子工程专辑

由于包括雷达和卫星通信在内的许可服务也使用这一频段,联邦通信委员会已授权在整个1.2GHz频率在室内低功耗使用,以及6GHz频段内850MHz频率的标准功率设备使用,并要求自动频率协调(AFC),以防止使用标准功率的接入点(AP)对许可服务造成干扰。4HEEETC-电子工程专辑

因此,联邦通信委员会的举措是在帮助Wi-Fi 6赢得与3GPP NR的竞争。鉴于Wi-Fi 6的URLLC性能及其扩展潜力可能不仅比3GPP 5G优越,而且比3GPP 5G性价比高出8到10倍[iii],这是朝着正确方向迈出的一步,至少美国已经这么做了。4HEEETC-电子工程专辑

EUHT-5G用于室外

虽然新的Wi-Fi标准将充分满足我们在室内的需求,但需要广泛的5G实施,以无缝地扩展户外和大规模商业场景中的体验。3GPP正在制定满足IMT-2020(5G)规范的解决方案,它要求5G兼容网络必须支持低于1 毫秒的延迟、超过20 Gb/s的峰值数据速率和至少每平方公里100万个连接的连接密度。4HEEETC-电子工程专辑

尽管3GPP计划于6月19日冻结其第16版第3阶段的功能,该阶段与V2X通信(包括车辆编队)相关,但已经存在一项技术,不仅超过了许多3GPP要求,而且经过了广泛的测试和实施。EUHT-5G技术承诺0.5毫秒延迟、60 Gb/s峰值数据速率和每平方公里1.5亿个连接。[iv]4HEEETC-电子工程专辑

灵活、自包含帧结构4HEEETC-电子工程专辑

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图1:EUHT-5G灵活的帧结构,允许从静态宽带接入到高铁列车旅客服务的广泛应用场景中实现高性能4HEEETC-电子工程专辑

EUHT-5G的一个关键优势是它对各种应用场景的适应性。它使用了一种灵活的帧结构,可以根据不断变化的应用程序进行更改(图1)。例如,下行链路主导的家庭宽带接入和上行链路主导的无线视频监控都需要较长的帧长,并且可以处理具有稀疏导频密度的同步。然而,高速移动应用,如地铁和高速列车需要更高的导频密度和更短的帧长。4HEEETC-电子工程专辑

EUHT-5G支持从0.1 毫秒到14 毫秒的帧长度,在0.04 毫秒到14 毫秒的间隔范围内的灵活导频密度,以及以0:511到511:0的OFDM符号为单位的可调下行链路到上行链路比率。4HEEETC-电子工程专辑

由于多普勒频移高达2.1kHz、信道快速变化和频繁切换,超高速的应用案例带来了独特的挑战。EUHT-5G通过78.125kHz的较高子载波间隔、短至0.04毫秒的导频间隔来实现快速信道跟踪,以及用于精确信道估计和预测的高级算法来克服这一缺点。4HEEETC-电子工程专辑

超越宽带

虽然eMBB最初将推动5G市场,支持兼容移动设备的出货量以132.4%的复合年增长率(CAGR)增长,从2019年的1500万台增长到2024年的10亿台[v],但预计URLLC最终将占据5G服务的80%[vi],包括工业互联网、智能交通、机器人、高铁运营和客运服务、低空空中交通管制等应用。4HEEETC-电子工程专辑

3GPP R16计划使用小时隙、免授权和混合自动重复请求(HARQ)机制进行纠错和控制,以及依赖于0.0586 bit/s/Hz的低频谱效率来实现URLLC,可能难以为这些应用提供商业价值。4HEEETC-电子工程专辑

由于5G核心技术,特别是低于6GHz的频段,大部分是4G增强和4G覆盖,它继承了4G物理层中继续存在的重传和HARQ问题。3GPP 5G的URLLC仿真仅在3km/h[iii],可以避免重传延迟,但由于该移动速率低得离谱,仿真没有任何作用。因此,不仅工业互联网和车联网(IoV)的关键应用仍然遥不可及,且这些缺点将使R18和R19的3GPP的进一步发展道路变得模糊。4HEEETC-电子工程专辑

另一方面,EUHT-5G已经满足了URLLC的要求,中国相关领域运营部门抓住了国内市场的机遇,在制造业、地铁运营、协同式智能交通系统(C-ITS)的高速公路和时速超过300公里的列车上提供客运服务。[iv]4HEEETC-电子工程专辑

EUHT-5G已成为中国无线通信行业标准(第一部分(YD/T 2394.1-2012)和第二部分(YD/T 2394.2-2012)),合作式智能交通系统国家标准(第一部分(GB/T 31024.1-2014)和第二部分(GB/T 31024.2-2014)),轨道交通实时视频传输系统行业标准(CJ/T500-2016),和高吞吐无线通信国家标准(GB/T 36454-2018 )。上述这些标准虽然在高铁、地铁、工业互联网得到了应用,但并没有得到主管部门和主要运营商的关注和支持,最后反倒是ISSCC、IEEE甚至ITU引起了重视。4HEEETC-电子工程专辑

商业迫切性

制定标准的主要目标是商业化,而技术是实现这一目标的工具。5G也不例外,不仅对企业,对国家都有巨大的利益,这就是硬件制造商、网络提供商和政府争夺市场优势的原因。然而,这种竞争有时会损害具有技术和商业完备性的解决方案愿景。4HEEETC-电子工程专辑

例如,虽然实际应用的EUHT测试和结果已经超过5G要求,但评估组织(CIRATEG)在2020年2月向国际电联发送了自己对EUHT的评估,声称EUHT无法满足eMBB和URLLC的ITU-R IMT-2020要求。有趣的是,CIRATEG的成员包括那些已经在3GPP 5G相关研发、设备、网络和手机方面投入巨资的老牌重量级公司。[vii]4HEEETC-电子工程专辑

相反,Wi-Fi联盟和EUHT技术提出者新岸线公司之间的合作可以使标准建立在坚实的基础上。对EUHT有兴趣的公司,包括那些需要URLLC用于L4/L5自动驾驶等应用的公司向新岸线表达了深入合作的意愿,包括希望新岸线分享知识产权、未来研发计划、甚至公司股份。对此新岸线公司均给出了正面的回应。4HEEETC-电子工程专辑

在全球经济正在迅速从目前的放缓中复苏之际,IEEE 802.11ax和EUHT-5G的互补技术以及行业合作可以通过提供从大容量热点到URLLC和高速移动应用的无缝无线体验,立即打开全新的市场。4HEEETC-电子工程专辑

[i] GSA, LTE & 5G Market Statistics – April 2020 (https://gsacom.com/technology/5g/)4HEEETC-电子工程专辑

[ii] McKinsey & Co., The 5G era: New horizons for advanced electronics and industrial companies (https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/industries/advanced%20electronics/our%20insights/the%205g%20era%20new%20horizons%20for%20advanced%20electronics%20and%20industrial%20companies/the-5g-era-new-horizons-for-advanced-electronics-and-industrial-companies.ashx)4HEEETC-电子工程专辑

[iii] 3GPP TR 37.910 V1.0.0 (https://www.3gpp.org/DynaReport/37910.htm)4HEEETC-电子工程专辑

[iv] EE Times, Unlock 5G potential with EUHT (https://www.eetimes.com/unlock-5g-potential-with-euht/)4HEEETC-电子工程专辑

[v] ABI Research, November 21, 2019 Press Release (https://www.businesswire.com/news/home/20191121005033/en/)4HEEETC-电子工程专辑

[vi] Jun Lei, Li Yang, Shenfa Liu, Nufront Beijing, April 2019 IEEE 802.11 WG meeting, Proposal to Cooperate to Submit 5G Standards.4HEEETC-电子工程专辑

[vii] CIRATEG final evaluation Report on Nufront submission (IMT-2020/18) (https://www.itu.int/md/R19-WP5D-C-0129)4HEEETC-电子工程专辑

本文编译自EETimes US,原文链接:https://www.eetimes.com/the-makings-of-a-seamless-wireless-experience/4HEEETC-电子工程专辑

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