5G技术将为下一代物联网铺路

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德国德勒斯登工业大学(Tu Dresden)教授兼Vodafone Chair Mobile Communications Systems计画主持人Gerhard Fettweis确信已为下一代5G蜂巢式网路空中介面作好准备。他认为通用频分多工(GFDM)优势明显,可以支援他所说的触觉网际网路,这同时也是物联网(IoT)的未来,目前并已经获得了包括华为(Huawei)、英特尔(Intel)、国家仪器(NI)、沃达丰(Vodafone)和赛灵思 (Xilinx)等多家公司的支持。

  各方都一致认为5G需要一种新的空中介面来满足其雄心壮志,因为5G并不向后相容于目前的4G LTE。业界至今已提出了6种主要的建议了,预计在3GPP于2018年藉由完成Release 15版本发布第一个主要的5G标准之前还会有更多的提议浮出台面。

  大多数的提议都是目前正交频分多工(OFDM)技术的变化版本,有利于进一步增强支持者的力量。一些专家认为,空中介面方面的竞争并不至于像为大规模天线阵列定义全新的技术以及支援6GHz以上频率的工作那样激烈。

  尽管如此,许多公司和研究机构开始侧重于采用他们认为可为整个产业和他们自己带来最大好处的空中介面。这些空中介面之间的差异涉及无线通讯技术方面的微妙权衡。

  编码机制的“选美比赛”

  “这有点像选美比赛,最后可能会采纳多项提议的部分内容,但其实并不至于太复杂,因为该技术存在基本的实体定律,我们无法针对所有方面进行最佳化,”经验丰富的研究员兼企业家Arogyaswami Paulraj在最近举行的IEEE 5G高峰论坛上表示。

  高通公司(Qualcomm)研究部门Qualcomm Research负责5G的资深工程总监John Smee同意上述观点。各种提议无非是在开启与过滤OFDM讯号上做文章,他指出。

  尽管如此,高通最近也发表了自家的提议。它的统一OFDM介面采用的是使用多种技术的混合方法,可支援2次幂的众多符号,因而更适于半导体设计。高通并针对资源有限的物联网提出了另一种5G方法。

  Fettweis将高通的统一介面形容为研究人员研究多年的时间/频率程式码分割概念变化版。他认为这种方法可能不具有最高的能效,而是形成功耗相对较大的类比元件,如ADC和射频(RF)晶片。

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  高通在最近发表的白皮书中描述对于5G空中介面的看法

  (来源:Qualcomm)

  映射空中介面图

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  GFDM旨在透过混合方法支援多载波

  与其它方法一样,斯堪地那维亚半岛(Scandinavia)的研究人员和公司都表示支援“多载波滤波”(FBMC)技术。Paulraj表示,FBMC方法可提供最佳的频外辐射性能,但由于其视窗太长,并不利于为5G规划的大天线阵列。

  通用滤波多载波(UFMC)途径在频外辐射性能方面也不是很好,但在基地台共用上行链路方面的表现较好,Paulraj指出,“就像打沙袋一样,你从一侧打一拳过去,另一边就鼓出来。”

  据Fettweis透露,阿尔卡特-朗讯(Alcatel-Lucent)支援UFMC,并称其为可在次载波通道上支援多载波系统的一种途径。如果采用其“去尾”(tail-biting)方法进行滤波,还能相容于其GFDM,他表示。

  华为据称支援一种称为频谱过滤的OFDM途径,其优势更接近于“香农理论”(Shannon’s Law)的容量极限。不过,Fettweis指出,这种方法需要更复杂的接收器和天线阵列。

  至少有一家新创企业提出了一种除了OFDM以外的全新方法,那就是Cohere Technologies公司。该公司采用创新的数学概念,能够更精确地提供通道估计,进而提高频谱效率。Cohere公司目前正开始准备白皮书,计划首度公布这一概念的部份细节。

  Paulraj表示,“在所有事情尘埃落定之前我们需要更多的想法。”

      低延迟实现触觉网际网路

  Fettweis将其GFDM视为一种超集合途径,可根据其细节的建置方式相容于多项提议。其关键的元件之一是用于滤波模组的环绕式处理方法,据称这有助于保持资料封包较短,进而实现毫秒级的延迟。

  Fettweis解释,“我们提出了环形滤波的技术,因此,如果一个资料封包是70ms长的话,过滤整个资料封包的时间仍然是70ms长。”

  这种途径还能保持在较低的峰均功率比值,从而确保功率放大器执行于低功耗状态。“我们业已表明这个比值不会变差,而且在大多数情况下使用我们的方法还会有显着的改善。”Fettweis指出。

  这种途径为物联网开启了新的使用案例之门。Fettweis和其它研究人员将这些用例归纳在一个他们称为触觉网际网路的概念中。这些用例包括无线版本的多用户游戏、虚拟实境、零售产品展示以及各种远端系统管理的工业、机器人和医疗控制。

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  Fettweis开发了一种新应用案例,只有毫秒级的延迟

  举例来说,鉴于目前的无线延迟高达150ms,用户无法使用虚拟实境(VR)头戴式显示器作出及时的反应。但当延迟减少到5ms时,这样的任务就相当轻松了。

  爱立信(Ericsson)与伦敦国王学院(King’s College London)的研究人员们目前也针对触觉网际网路的开发展开合作。例如,该实验室无线通讯部门的Mischa Dohler表示,他们希望进一步推动触觉编解码器与编码器的标准化。

  触觉网际网路可以衍生出物联网版本的Facebook,Fettweis把它称之为Thingbook——与智慧物件互动的一种网路介面。

  “目前有5家大公司每年在GFDM上投入数百万美元,显示有一个很大的群体正广泛接受GFDM。”目前正透过沃达丰申请GFDM专利的Fettweis透露,“华为就有一大帮人正拼命地撰写有关GFDM的专利。”

  追求低延迟也招徕了不少人的批评。例如高通公司表示,GFDM需要复杂的接收器来处理干扰,而且还必须为多工服务提供较大保护频段。

  云端无线接取网路(C-RAN)的支持者们认为,GFDM的低延迟可能与其目标冲突。C-RAN旨在将基地台转变成简单的天线阵列,然后将讯号反馈至巨量资料中心并在标准伺服器上进行处理。这种方法可以免于蜂巢式天线塔通常需要空调的大型系统机柜需求。

  目前正为搜寻引擎巨擘Google搭建无线通讯业务的Google Access资深主管Tibor Boros表示:“C-RAN十分理想,因为它们可以降低基础设施的功耗和成本,让任何人都能为蜂巢式网路编写软体,而且虚拟化蜂巢式网路十分令人振奋。”

  “然而,如果延迟很低,C-RAN就没这么理想了,因为实体层必须更接近边缘甚至核心网路,”Boros指出。

  Fettweis把C-RAN称为“一个美好的概念,然而,一旦基地台有许多天线就会崩解,因为每根天线都需要Gbit/s链路连接到云端伺服器。因此,如果未来使用5G时可提供100根基地台天线,那么从基地到C-RAN讯号处理引擎将需要数个Tbit/s级的链路。”

  尽管如此,Fettweis认为,仍有许多方法可以用来消除C-RAN和低延迟之间的冲突。举例来说,营运商可以在网路边缘安装云端伺服器,他估计那也许是距任何C-RAN无线头端一英哩的范围内。

 

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