5G的未来是什么样的？从经济贡献值来分析5G的演变进程

从来没有一个新无线标准像5G这样引起这么多炒作和关注。5G由于其对全球消费者和企业的潜在变革性影响而引起了广泛的关注。这些炒作是否言过其实？接下来让我们邀请德州奥斯汀NI总部的技术大咖James Kimery分析5G的提出、当前进程以及未来可能的发展。

5G技术的提出

十多年前，苹果公司推出了iPhone，让我们看到了智能设备与无线宽带数据相结合带来的无限潜力。思科在2016年发布了《全球移动流量预测》，估计全球销售的智能设备超过15亿台。 该报告还估计，到2021年，全球每月将消耗超过49艾字节的数据量，比2016年的增加了7倍。智能设备的接受度、采用率和普及性令人震惊，而且它本身就是变革性的。5G的目标是进一步增加数据量。宽带无线数据将继续引起关注，而制定5G标准的世界标准化组织显然已经注意到这一点。

在5G标准化启动之初，3GPP列出了三个关键性能指标（见图1）：

3GPP定义了增强型移动宽带（eMBB）用例，并提出了高于10 Gbps峰值数据速率的性能目标来扩展宽带数据业务。
作为对多个行业组织的回应，3GPP还为超可靠低延迟通信（URLLC）和增强的连接性设定了关键性能指标，为数十亿台用于大规模机器通信（mMTC）的连接设备开创了舞台。


图1. 3GPP定义的5G用例。

今天的无线标准并没有解决延迟和广泛连接的问题。延迟是一个非常重要的参数，因为低延迟不仅可以改善用户的日常数据体验，还可以实现需要快速网络响应的新应用。低延迟，特别是确定性低延迟响应能力，为基于网络的“控制”应用奠定了基础。将机器人、无人机、汽车以及其他可以“移动”的设备与低延迟无线通信相结合，可以实现这些设备的远程控制，这可能会影响到建筑、医药、制造、零售服务和安全行业。这里说的延迟还包括云端或部署的传感器及时提供信息到这些设备的大脑，以便在运行过程中随时做出决定来增强安全性。在这种情况下，数据是实时传递的，控制机制部署在设备上。

2015年，3GPP启动5G标准化工作时，该小组列出了这一新标准的时间表和关键性能目标。 3GPP为定义过程给出了前所未有的指导方针：

首先，3GPP放弃了与先前版本的兼容性，设定了向前兼容性目标。 通过断绝与LTE和先前标准的联系，3GPP开创了一条创新之路，以满足这些难以实现的目标。

其次，3GPP将5G进程分为多个阶段。 第一阶段或Phase 1侧重于40 GHz以下的移动接入，并为第二阶段设定一个框架来研究40 GHz以上的频谱。
总而言之，3GPP正在努力制定3GPP R15，也称为5G新空口（NR）阶段1，预计将于2018年6月发布（见图2）。


图2. 5G无线电接入网络标准时间表。NR规范首个版本计划在2017年末发布，2018年更新。
5G的当前进展

在我写这篇文章的时候，3GPP即将完成5G NR阶段1的物理层初稿，计划2017年12月完成。这个初稿非常重要，因为它决定了半导体、器件、基础设施、测试和测量等无线生态系统参与者如何计划和开展他们的业务。在这之前，服务运营商已经使用系统原型来进行现场跟踪。随着标准逐渐明朗，参与者就可以制定切实的计划和目标来推出产品和服务。

有趣的是，关于5G技术的可用性已经有了一些公告，特别是英特尔和高通，而这些早期的进展旨在埋下种子，为推动5G的广泛采用奠定基础。在标准确定之前推出符合标准的产品这一说法似乎很奇怪，但是5G NR的轮廓和结构已经初见雏形。“最终”解决方案不可避免地会需要一些调整才能达到标准；然而，这个生态系统在成形过程中已经开始走向商业化的道路。

服务运营商已经宣布了各种形式和规模的5G计划：

SKT和KT正在筹备5G试用服务，以配合2018年的韩国平昌冬奥会。
在美国，Verizon积极购买了28、37和39 GHz频段的频谱，并推动了5GTF标准的进展，主要用于光纤到楼（FTTP）应用。自今年初以来，Verizon已经在美国的11个城市试用商用设备，并宣布计划在2018年进行初始商业部署。
今年FCC拍卖的大赢家T-Mobile在600 MHz附近赢得就31 MHz的频谱，并宣布计划用新购买的频谱建立一个“全国性”的5G网络。
Sprint在2.5 GHz频段拥有大约120 MHz的频谱，并一直与高通和母公司SoftBank合作，计划在2019年推出5G。
同时，AT＆T已经宣布在其目前拥有的频谱下推出物联网服务的计划，同时收购了FiberTower，以获得24和39 GHz的许可证。

自3GPP在2015年开始实施5G标准化工作以来，mMTC用例的优先级并不高。 3GPP不断完善LTE标准；在版本14中，随着NB-IoT和LTE CAT-M标准的制定，3GPP专门针对mMTC用例对LTE进行了若干改进。mMTC用例将连通性作为一个目标，推动设备制造商将无线功能整合到许多之前没有连接的设备中，从而扩展其实用性。我们已经看到了新型物联网设备的可能性，但也面临着巨大的挑战：没有通用或无处不在的无线物联网标准。因此，互操作性和与基础设施和智能设备的无缝连接方面存在挑战。3GPP在第14版中解决了mMTC用例的问题，并提供了一个全面且广泛支持的标准，至于5G的未来演进是否需要进一步增强，就需要时间来告诉我们答案。

5G的未来是什么样的？

3GPP计划在2017年底前完成5G NR阶段1，3GPP Release 15，并于2018年6月批准ASN.1。3GPP已经开始在定义新的无线接入网络标准，采用更高的带宽，这对于提高数据速率至关重要。用于这些更高带宽系统的新频谱也已经确定好了。与LTE相比，3GPP也缩短了符号时序，以实现更短的传输时间间隔（见表1）。此外，3GPP也对齐了自包含子帧，能够在时分双工（TDD）系统的单个子帧内进行发射和接收。 通过这项初步工作，3GPP实现了更快的数据速率和更低的延迟。也许最重要的是，一种新的灵活numerology将使运营商能够适应不同类型的设备，并支持各种用例。



对于毫米波，3GPP已经确定了具体的频段，并且将相控阵天线（PAA）的波束管理和控制纳入其中。 尽管这个阶段是为毫米波部署而设定的，但在广泛采用之前仍然有许多实际的挑战需要解决（稍后会有更多介绍）。

3GPP为第一阶段定义了两种主要的网络架构：

对于非独立式（NSA）架构，5G NR使用现有的LTE无线接入网和演进型分组核心或EPC（见图3a）。NSA还包括两个附加选项（见图3b和3c）。
第二个主要架构，也就是独立（SA）架构，使用5G NR和一个新的5G核心（见图4）。NSA使运营商能够利用现有的基础设施短期内尽快提供5G服务，而SA的投资预计会更大，而且需要的时间更长。

NSA由于可更快速得到应用而经常成为标准会议上的焦点，但其应用范围可能更窄。SA将提供比NSA更多的5G优势，而且肯定会将数据速率和延迟优化到更靠近5G的目标。 3GPP的目标是在2018年12月结束阶段1，即第15版，其中将同时包含NSA和SA。


图3. 5G的初步部署将使用现有的LTE无线接入网和EPC（a）。NSA规范包含使用新5G核心（b）和（c）的架构选项。

3GPP在很短的时间内完成了很多任务。在短期内，6 GHz以下的5G部署看起来非常像增强型LTE，即更快的数据和更低的延迟。首批NSA部署可能会提供比LTE显著更强的性能，当网络运营商部署毫米波技术和新5G核心网络时，可能会出现闪电般的数据速度，这是SA架构所需要的。显然，这只是一个开始。未来的演变和迭代将不可避免。

面临的挑战

随着3GPP逐步完成5G规范，前进的道路将畅通无阻。5G很有可能成为“游戏改变者”，但其变革性的影响必须得到来自不同玩家的广泛帮助。潜在的挑战存在于三个高层领域： 毫米波、网络拓扑和生态系统。
毫 米 波

由于6GHz以下可用频谱非常稀缺，3GPP选择将毫米波技术纳入标准。更多的频谱意味着更快的数据速度。虽然3GPP将指定5G技术用于低于6 GHz的频谱，但由于毫米波具有丰富的频谱，3GPP将依赖毫米波来满足eMBB用例的目标。在过去几年里，一些研究人员已经广泛地对毫米波系统进行了原型验证，但是早期的原型庞大且笨重，且使用了PAA等非常新的技术。

PAA使用多个天线元件和波束赋形来增强增益，克服了毫米波传输和接收相关的自由空间路径损耗。尽管存在这些好处，PAA也给系统带来了一些挑战，因为波束控制必须纳入标准，并且在实际应用中需要纳入到部署在这些系统上的软件中。为了支持移动性，协议软件必须在低于200纳秒的时间内切换波束以维持链路，这需要在天线组件和相应的软件架构采用快速切换技术。

工程师正在研究PAA及其系统的测试，这些测试给测试和测量行业带来了新的挑战。由于PAA通常与收发器集成在一起，以尽可能减少损失，所以连接这些模块的电缆和包含这些模块的阵列将不存在。几家公司正在探索用于测试PAA的空中(Over-the-air，OTA)技术，并向3GPP RAN4工作组提交了提案，以将其纳入标准中。

OTA给测试带来了新的难题；最重要的一点是需要最小化测试时间和测试成本。测试和测量公司必须为无线行业提供快速且经济高效的解决方案，以促进毫米波生态系统的发展。

即使是在用户设备（UE）和基础设施（即gNodeB）中的PAA，即使在较低的毫米波频率下，毫米波传播也是有限的。基础设施的更密集部署已成定局，这可能意味着技术和系统的推出成本将更高。为了解决密度挑战，研究人员正在探索新的网格技术和综合接入回程技术（IAB），以利用已部署的5G gNodeB来降低密集部署的成本。IAB将降低每个毫米波接入设备的光纤接入成本；然而，这种技术可能会引入更多的延迟。


图4. SA规范假设了5G NR和一个新的5G核心（a），另有两个选项用于处理部署场景（b）和（c）。
网 络 切 片

5G转型的显著影响之一是网络必须变形和扩展，通过优化资源来支持新的应用和服务。当3GPP启动5G标准化进程时，“可扩展”网络并不是国际电联或下一代移动网络（NGMN）联盟列出的明确目标，但其含义非常明确。

为了描述这种灵活的网络拓扑结构，无线行业定义了一个术语：“网络切片”。网络切片描述了服务运营商对网络进行“切片”来为用户量身定制独特服务的能力，这会出现不同的应用和用例，也需要收取适当的服务费。通过网络切片，公司或个人可以购买某个服务或一组服务以满足特定的需求。例如，假设一家工厂有1000个连接的传感器。该公司可能需要每月支付不到40美元的费用来获得无限数据，因为这些传感器不会传输或接收智能手机使用的数据类型。

虽然3GPP在定义能够实现这些崇高目标的无线接入网方面确实取得了巨大进步，但是网络运营商必须能够公平地对这些服务进行收费并节约有价值的网络资源，以维持一个健康的生态系统，并使所有贡献者都能够蓬勃发展。为了促进网络切片的形成，3GPP改进了控制和用户面的分离架构，以实现独立的控制和数据路径。这仅仅是基础。 网络切片还取决于协议栈物理层以外的基础设施元素实现。虚拟EPC、网络功能虚拟化（NFV）、软件定义网络（SDN）和移动边缘计算（MEC）等网络技术是实现网络切片所必需的组件和服务。如果没有这些技术，所有数据和控制流量都必须在核心网络上聚合，这可能会削弱行业实现数据吞吐量、端到端（E2E）延迟和大规模连接等目标的能力。
建 立 生 态 系 统

5G的成败取决于生态系统的建立。5G生态系统必须超越传统的无线参与者价值链： 服务提供商、半导体公司、基础设施制造商以及测试和测量公司等。应用软件和服务提供商、云和云基础设施、垂直集成商、软件公司甚至汽车、无人机、家电、医疗设备和建筑制造商必须成为5G领域不可或缺的一部分，以充分释放其真正的经济潜力。建立生态系统并不是一蹴而就。5G服务的初始部署对于生态系统的发展和演变至关重要。

5G未来

高通最近委托IHS Market进行一项研究，以评估5G的经济影响。IHS Markit推测，5G将成为一项通用技术（GPT），这是一个非常有影响力的进步，或将成为社会经济转型的催化剂。历史上被列为GPT的例子包括印刷机和电力，由此可见5G的影响力。IHS Markit预计到2035年，5G将为全球经济贡献12.3万亿美元，没错，是“万亿”。IHS Markit并不是唯一的预测者，全球的经济领导者也都持续大力投资5G，同时也有相应的法规支持。 这些全球领导者正在赌5G将会促进GDP增长并创造经济繁荣。尽管距离2035年还有20年的时间，5G的基石已经在逐渐铺设。为这些应用建立一个生态系统将需要投资、奉献和毅力，还有最重要的时间。 生态系统的所有玩家都必须开始行动才能实现5G的巨大潜力。

5G计划于2018年推出，并将于2019年开始更有意义的部署。为了实现5G的潜力，半导体和封装技术、系统和网络拓扑和架构以及重要的垂直领域都必须进行重大创新，才能利用这个新的5G服务网络。 这不是一件容易的事情，但是在业界的努力和全球政府的领导下，5G的部署势不可挡。

行业在推进5G议程方面取得了长足的进步，实现了标准化进程和技术开发的重大里程碑。来自全球学术界、工业界和政府的明确承诺提供了前进的动力，但仍有许多问题亟需解决。低于6GHz的5G有望更快速得到部署，但毫米波对整个5G愿景非常重要。明年我们将更清楚地了解5G的时间表和潜力，世界各国都在关上述诸多挑战的进展情况。主要参与者均已付诸行动，但要实现5G还有许多棘手的难题需要解决。2018年应该是有趣的一年，明年的这个时候我们将看到一个更清晰的未来。

现在的问题已经不是5G是否会产生重大影响，而是什么时候发挥影响？