2020年第五代通信技術(shù)(5G)到來(lái)時(shí)，工程師們期望它能夠處理1000倍于今天蜂窩系統(tǒng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)。也有人認(rèn)為它也將會(huì)成為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的骨干網(wǎng)，連接固定和移動(dòng)設(shè)備(如固定售貨機(jī)、汽車(chē))，成為新經(jīng)濟(jì)革命的一部分。新的架構(gòu)、新的通信技術(shù)以及新的硬件將會(huì)使這種轉(zhuǎn)變成為可能。上個(gè)月在《中國(guó)科學(xué)》雜志上，Lancsater大學(xué)Ding Zhiguo所在的研究團(tuán)隊(duì)和中國(guó)西南交通大學(xué)的研究者們回顧了當(dāng)前的研究和未來(lái)5G的需求。在一次通過(guò)Skype的采訪(fǎng)中，Ding對(duì)Spectrum談了關(guān)于5G會(huì)如何改變未來(lái)的觀(guān)點(diǎn)。
S(Spectrum)：許多國(guó)家正部署4G，但它已經(jīng)過(guò)時(shí)了嗎？
D(Ding)：事實(shí)上，在今天4G是足夠的，但是未來(lái)5或10年，新應(yīng)用會(huì)層出不窮，4G顯然不能滿(mǎn)足要求。5G會(huì)提升數(shù)據(jù)速率，減少端到端的延遲，提升覆蓋。這些特性對(duì)于許多物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用是尤為重要的。比如，在新近出現(xiàn)的自動(dòng)駕駛車(chē)輛和智能交通中，小的延遲就是必須的。另一個(gè)例子是，隨著交互移動(dòng)游戲的普及，對(duì)于帶寬的需求是更加迫切的。不幸的是，當(dāng)前的4G不支持這些。
S：所以5G會(huì)在物聯(lián)網(wǎng)中扮演一個(gè)基礎(chǔ)的角色？
D：我認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)會(huì)成為5G理想的應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀是有一些各自獨(dú)立的系統(tǒng)。比如，我們有RIFD，有短距離通信技術(shù)，如UWB、藍(lán)牙等等。當(dāng)我們談到像智慧城市這樣大的圖景時(shí)，我們需要一個(gè)無(wú)縫連接的統(tǒng)一框架，這恰恰是一個(gè)問(wèn)題。而5G恰好是提供統(tǒng)一框架的一個(gè)好機(jī)會(huì)。
S：5G如何處理巨量連接到物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備？帶寬夠嗎？
D：之前的1G-4G技術(shù)依賴(lài)于所謂正交多址接入技術(shù)。以2G中使用的時(shí)分多址接入為例，我們把1秒劃分為許多短的間隔，稱(chēng)為時(shí)隙。之后我們給每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)特定時(shí)隙，一個(gè)用戶(hù)不能接入分給別人的信道。這種正交多址接入技術(shù)很難支持未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。我們將會(huì)有大量設(shè)備，且我們不得不為它們中的每個(gè)分配專(zhuān)用的時(shí)隙。但由于可用的時(shí)隙和帶寬數(shù)量是有限的，我們最終將無(wú)法做到。這就是正交多址接入技術(shù)不適用于5G的原因。
當(dāng)前有許多關(guān)于如何在有限的帶寬信道上容納大量用戶(hù)的非正交多址接入技術(shù)的研究。理想的情況下，非正交多址接入技術(shù)會(huì)在系統(tǒng)吞吐量和用戶(hù)公平性之間取得一個(gè)更好的平衡。當(dāng)然，在用戶(hù)之間會(huì)有干擾，一些用戶(hù)只能體驗(yàn)低數(shù)據(jù)速率。但非常有趣的是，在物聯(lián)網(wǎng)中，有許多設(shè)備只需要適時(shí)地保持低速率即可。比如無(wú)線(xiàn)醫(yī)療中，可穿戴設(shè)備(如心跳檢測(cè)器、生物傳感器等)需要把病人的數(shù)據(jù)及時(shí)地發(fā)給醫(yī)院服務(wù)器，但這些設(shè)備使用的數(shù)據(jù)速率并不高。通過(guò)使用非正交多址接入，我們可以將大量有不同業(yè)務(wù)質(zhì)量需求的物聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)/設(shè)備擠在相同的時(shí)隙或頻帶上。在這個(gè)意義下，非正交方法的概念對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，是非常令人興奮和完美的。
另外的一種解釋打破正交多址接入好處的方法是將非正交多址接入視為認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的一個(gè)特例。當(dāng)前，我們將單個(gè)帶寬或信道分配給一個(gè)用戶(hù)，由于此信道正被該用戶(hù)占用，所以不能被復(fù)用。通過(guò)認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電通信，我們可以讓新的用戶(hù)進(jìn)入該信道。如果這些用戶(hù)到基站之間有好的連接，則我們可以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。當(dāng)然這也會(huì)引起初始用戶(hù)一些性能上的下降，但當(dāng)這些初始用戶(hù)到基站的連接不佳或者用戶(hù)間實(shí)現(xiàn)了精細(xì)的功率控制機(jī)制時(shí)，這種下降并不十分嚴(yán)重。
S：5G準(zhǔn)備如何處理“頻譜緊張”(可用的頻帶已經(jīng)滿(mǎn)了)？
D：要解決頻譜緊張的問(wèn)題，我們需要一系列技術(shù)的組合。一種方式是提升當(dāng)前可用帶寬的效率，在這個(gè)意義下，我們可以應(yīng)用非正交多址接入，大規(guī)模MIMO，云無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)，全雙工等等。
另一種方式是使用更短的毫米波長(zhǎng)，60或90GHz，更多的頻譜帶寬可被用于電信。這里有一些挑戰(zhàn)。如，頻率越高，空氣衰減越嚴(yán)重，這就排除了長(zhǎng)距離傳輸?shù)目赡苄?。另外，還有一個(gè)遮擋的問(wèn)題，需要在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間有完整的視距傳輸。通過(guò)多天線(xiàn)可以解決該問(wèn)題，當(dāng)一條鏈路被阻擋了，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間還有其它鏈路。值得指出的是，在物聯(lián)網(wǎng)的許多應(yīng)用場(chǎng)景中使用毫米波通信是有前景的，傳感器之間有視距連接且距離并不長(zhǎng)。