新標準發(fā)布為5G未來發(fā)展奠定基礎

Erika K.Carlson

Senior Technology Writer

在過去一年左右的時間里，無線通訊公司已經開始推出第五代（5G），即最新一代的無線網絡[1]。對于當今的消費者而言，轉向5G意味著訂閱5G網絡提供商的服務并購買具有5G功能的手機。但是，這一簡單升級的背后是一個更為復雜的過程，它需要實施技術并且進行基礎架構建設，整個過程都是為了提供比更快的智能手機更多的功能。

指導該過程的是由第三代合作伙伴計劃（3GPP）組織分批發(fā)布的行業(yè)規(guī)范?？偛课挥诜▏郀柊畹牡谌献骰锇橛媱澖M織是由來自亞洲、歐洲和北美洲的7個電信標準開發(fā)組織組成的聯(lián)盟，其中包括中國通信標準化協(xié)會（China Communications Standards Association）、歐洲電信標準協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute）和美國電信行業(yè)解決方案聯(lián)盟（US Alliance for Telecommunications Industry Solutions）[2]。與之前的版本相比，最新一批的3GPP規(guī)范第16版（于2020年7月完成）大大擴展了5G標準，并開始涵蓋推動5G超越蜂窩網絡的技術[3–5]。

美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校電氣與計算機工程專業(yè)副教授Xinyu Zhang表示，5G并非是對前幾代無線網絡的簡單改造。他說：“這需要許多階段的部署?！毕惹?GPP中與5G相關的版本分別是由2017年完成的第14版和2019年完成的第15版。

總部位于瑞士日內瓦的國際電信聯(lián)盟（ITU）負責制定有關5G技術應具有的能力的全球標準，如某些移動寬帶速度或特定的延遲[1,6]。這些標準是通用準則，可確保全球運營商在將其產品推廣為5G時提供一些基本水平的服務。在設置完這些通用標準后，3GPP組織就會構思出由工程師開發(fā)的更為詳細的技術規(guī)范，這些規(guī)范概述了實現(xiàn)ITU標準的應用程序應該如何工作[7]。第15版主要集中于定義增強型移動寬帶服務的規(guī)范，如蜂窩網絡的更大容量和更快連接速度[8]。

但是，除了增強的移動寬帶以外，5G有望提供超可靠的低延遲通信（這是實現(xiàn)實用型自動駕駛汽車的關鍵組成部分）以及大規(guī)模機器類型的通信，這些通信將連接高密度的物聯(lián)網設備[1]。為了充分發(fā)揮5G的潛力，需要為無線網絡的新用途定義規(guī)格。第16版將3GPP組織的規(guī)范移到了這些新領域，從而促進了前所未有的高級應用程序以及最初完整的5G系統(tǒng)的發(fā)展[3]。法國巴黎的電信公司Orange S.A.的網絡架構師、核心網絡和終端3GPP技術規(guī)范小組（Technical Specification Group,TSG）主席Lionel Morand說：“第16版被許多人視為真正的5G系統(tǒng)?！痹?GPP組織中，三個TSG之一也包括無線電接入網絡以及服務和系統(tǒng)[7,8]。

第16版包括提高5G網絡和設備效率的規(guī)范、無人駕駛汽車所需的車輛到任意事物（V2X）的通信，以及一項允許更密集網絡的方案[3]。后者被稱為集成的接入和回程（IAB），其面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)建足夠密集的網絡基礎架構，以提供計劃的覆蓋范圍和對5G無線服務的訪問[3]。

5G的許多應用（如物聯(lián)網設備的廣泛使用）將需要更多的基站，用以在用戶和中央網絡之間中繼信息。這需要在基站與中央網絡之間建立更多的連接。沙特阿拉伯圖瓦爾的阿卜杜拉國王科技大學電氣和計算機工程專業(yè)教授Ahmed Eltawil說，網絡提供商可以通過電纜和光纖安裝更多的有線連接，也可以無線傳輸更多的信息。Eltawil說，基站和中央網絡之間無線傳輸信息的困難在于，其占用的頻率可能會將基站連接到無線用戶，從而為每個基站更多的客戶提供服務。IAB通過隔離兩條信號路徑，使基站能夠使用相同的頻率從用戶處接收信號并將信號發(fā)送回中心網絡，從而有效地使每個基站的傳輸容量加倍。Eltawil說，目前用于隔離兩個信號路徑的技術是存在的，但是如何有效保持這種隔離仍有待研究。他說，IAB是“一種前瞻性的標準”，它將成為5G的一部分，但目前尚未部署。

第16版涉及的另一項技術是網絡切片[3]，這是一種被稱為軟件定義網絡（SDN）技術的迭代。SDN使運營商可以通過編程軟件重新配置網絡以適應新的情況和用途，而無需更改網絡的物理布置。“您可以輕松地自定義軟件，但無法輕松地更改硬件”，美國阿拉巴馬大學塔斯卡盧薩分校電氣和計算機工程專業(yè)教授Fei Hu說道。

網絡切片提供了一種將單個網絡劃分為多個不同用途的獨立網絡的方法（圖1）[9]。Xinyu Zhang說，這還可以使運營商為某些用途預留帶寬，因此不會出現(xiàn)網絡干擾或服務中斷的情況，如視頻停滯或通話中斷。輕松操縱網絡以實現(xiàn)多種用途的能力將是實現(xiàn)5G愿景，即同時實現(xiàn)對自動駕駛汽車和高密度互連設備等多種應用的支持的關鍵。

盡管第16版將5G規(guī)范擴展到新的領域，但許多技術細節(jié)仍有待解決。例如，第16版在定義V2X通信規(guī)范、車輛與其他各種設備（包括網絡基站和其他車輛）之間的信號交換（圖2）方面取得了重大進展[3]。然而，F(xiàn)ei Hu表示定義V2X還需要做更多工作，包括如何使用SDN來管理此類車輛通信。

盡管新冠病毒肺炎疫情大流行可能會導致5G未來發(fā)展進一步延遲，但3GPP組織的下一個5G規(guī)范第17版計劃于2021年12月完成[10]。但是，除了技術問題，還需要克服政策、社會和物流領域的一些非技術挑戰(zhàn)。所有這些意味著，在未來的很多年中，發(fā)揮5G的全部潛力是可能的。Eltawil說：“不管是從2G到3G，還是從3G到4G，每一代的發(fā)展始終與前一代息息相關。5G使設備數(shù)量和連接數(shù)量大大增加，使得我們需要重塑無線網絡的使用方式。5G的發(fā)展進入了一個全新的階段，并以一種完全不同的方式改變著世界。”

圖1.圖片顯示了5G網絡切片架構中最相關的元素。網絡切片是3GPP組織最新的5G標準，即第16版所描述的技術之一。該技術可將單個網絡劃分為多個獨立的網絡，以實現(xiàn)不同的用途。運營商可以通過軟件編程對網絡進行操作，而無需更改網絡的物理布置。來源：Wikimedia Commons（公共領域）。

圖2.在V2X通信中，車輛能夠與其他車輛、行人、網絡和基礎設施之間進行無線收發(fā)數(shù)據。V2V：車輛到車輛；V2P：車輛到行人；V2N：車輛到網絡；V2I：車輛到基礎設施。來源：Vehicular Communication（CC BY-SA 4.0）。