Erika K. Carlson

Senior Technology Writer

自20世紀(jì)70年代末引入1G無線網(wǎng)絡(luò)以來，大約每隔10年，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就會經(jīng)歷一次更新?lián)Q代[1]。如今，各企業(yè)已經(jīng)開始部署5G無線網(wǎng)絡(luò)，這是最新一代的無線技術(shù)[2,3]。過去無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要是通過加速服務(wù)和增加帶寬來增強(qiáng)蜂窩通信，而從4G向5G的躍進(jìn)有望實現(xiàn)更多的功能。5G在大大改善移動寬帶服務(wù)的同時，還能為前沿應(yīng)用提供一個關(guān)鍵的平臺，而且這些應(yīng)用絕不僅限于“更智能”的智能手機(jī)。

“5G是非常新穎的技術(shù)”，西雅圖華盛頓大學(xué)的電氣和計算機(jī)工程學(xué)副教授Jacques Rudell說道。他致力于研究無線網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的微電子設(shè)計?！八冗^去幾代的技術(shù)都要更加全面?！?/p>

過去幾代無線技術(shù)主要管理單個設(shè)備和中央網(wǎng)絡(luò)之間的連接，而5G能夠讓大量設(shè)備彼此連接并互相交流。這種設(shè)備間的通信對于實現(xiàn)自動駕駛汽車和智慧城市等未來技術(shù)而言是必不可少的，這些強(qiáng)大的應(yīng)用都要依賴5G。但是，要讓5G充分發(fā)揮其潛能，我們?nèi)孕钁?yīng)對一些挑戰(zhàn)，而且并非所有的挑戰(zhàn)都屬于技術(shù)問題。

Rudell表示，自動駕駛汽車面臨的主要問題不是5G技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。在自動駕駛汽車廣泛投入使用之前，我們還需要制定許多政策。但是，一些5G應(yīng)用技術(shù)，如那些采用了以前無線網(wǎng)絡(luò)沒有使用過的高頻無線電波的技術(shù)仍在開發(fā)中。代表移動網(wǎng)絡(luò)運營商的行業(yè)組織——全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會發(fā)布的一項報告稱，5G技術(shù)或在2024—2034年為世界經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)2.2萬億美元，特別是在制造業(yè)和公用事業(yè)部門以及在專業(yè)服務(wù)和金融服務(wù)領(lǐng)域有巨大貢獻(xiàn)[4]。

負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)全球電信運營和服務(wù)的聯(lián)合國機(jī)構(gòu)國際電信聯(lián)盟（ITU）已就三類主要應(yīng)用場景確定了5G應(yīng)具備功能的標(biāo)準(zhǔn)[5]。首先是增強(qiáng)型移動寬帶，這也是大多數(shù)消費者和手機(jī)營銷商關(guān)注的重點。ITU表示，5G移動寬帶的上傳速率峰值應(yīng)高達(dá)10 Gb·s-1，而下載速率峰值應(yīng)高達(dá)20 Gb·s-1[5]。這比現(xiàn)在4G智能手機(jī)的上網(wǎng)速率快數(shù)百倍，下載電影也只需幾秒鐘，而不是幾分鐘[1]。

第二類應(yīng)用場景是低時延超高可靠通信（URLLC）。ITU表示，5G應(yīng)該能夠在時延（即一臺設(shè)備對另一臺設(shè)備響應(yīng)的滯后時間）大于1 × 10-3s的情況下進(jìn)行通信[5]。自動駕駛汽車（圖1）等應(yīng)用需要具備這種響應(yīng)速度。Rudell說道，為了確保安全行駛，此類車輛的通信時延需要很小，以便車輛相互協(xié)調(diào)。

圖1. 自動駕駛汽車的安全使用。這輛Waymo公司（美國加利福尼亞州山景城）的克萊斯勒Pacifica混合動力多功能休旅車正在美國加利福尼亞州洛斯阿爾托斯進(jìn)行測試。5G網(wǎng)絡(luò)使設(shè)備間通信時延很?。ㄐ∮? × 10-3 s），從而可以讓自動駕駛汽車相互協(xié)調(diào)。圖片來源：Dllu，Wikimedia Commons（CC BY-SA 4.0）。

第三類應(yīng)用場景是海量機(jī)器類通信（mMTC）。ITU指出，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠保持高密度的設(shè)備之間的連接，高密度是指每平方公里內(nèi)有100多萬臺設(shè)備[5]。該功能的應(yīng)用將包括智慧城市。在智慧城市中，遍布整個城市的無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將收集相關(guān)信息，用于近乎實時優(yōu)化資源的使用情況（圖2）。加州大學(xué)洛杉磯分校專攻無線通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的電氣和計算機(jī)工程學(xué)教授Danijela Cabric表示：“你基本上可以把它想象成將電子設(shè)備大規(guī)模地嵌入到環(huán)境中?！背丝朔撛诘碾[私問題，這一應(yīng)用的挑戰(zhàn)還在于設(shè)計功耗盡可能低的獨立式設(shè)備，因為不斷給大量設(shè)備更換電池可能不切實際。

為了達(dá)到預(yù)期的速度，5G運行的無線電波頻率將比前幾代更高[1,6]。無線通信主要通過無線電波傳遞信息，無線電波的頻率為3 kHz～300 GHz，波長為1 mm～100 km [7,8]。但是，Rudell表示，移動網(wǎng)絡(luò)目前覆蓋的無線電波范圍很小，使用的頻率大約為一至幾吉赫。這是因為無線電波的頻率越低，波長越長，所需的電子設(shè)備就越大，無法適用于移動網(wǎng)絡(luò)。另一方面，較高的頻率會出現(xiàn)傳輸或路徑損耗的問題[9,10]。電磁波從發(fā)射天線傳播到接收天線時會損失功率密度，而這種影響在較高頻率下會更加明顯。對于移動網(wǎng)絡(luò)而言，使用大約一到幾吉赫的頻率是一個很好的折中方案：頻率足夠高，可以使發(fā)送器和接收器的體積保持小巧，但頻率足夠低，可以控制路徑損耗。

5G將在電磁波譜的毫米波范圍內(nèi)使用更高的頻率，包括數(shù)十吉赫的頻率[1,11]。Rudell表示，為了減少路徑損耗，5G網(wǎng)絡(luò)將使用毫米波波束成形，即通過采用天線陣列，用相長干涉來增強(qiáng)信號，從而克服路徑損耗的問題。

圖2. 位于珠江三角洲的中國南方的廣東省南沙市，由高速公路、火車和輪船與廣州、深圳、香港和澳門等鄰近城市相連。該地區(qū)大部分區(qū)域已建造完畢，它體現(xiàn)的是一種新型城市發(fā)展模式，它將依靠5G網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化其效率、可持續(xù)性和宜居性，從而打造環(huán)境友好的智慧城市。圖片來源：Wikimedia Commons（CC BY-SA 3.0 DE）。

除了提高速度外，使用更高頻率無線電波的另一個好處是，5G可以避免5 GHz以下頻譜的擁擠部分。但是，更高的頻率也使5G支持者與使用該頻段無線電波的其他用戶產(chǎn)生了沖突，尤其是使用24 GHz頻段的用戶[11,12]。氣象學(xué)家擔(dān)心，移動服務(wù)公司計劃使用的部分頻段（24.25～24.45 GHz和24.75～25.25 GHz）過于接近用于追蹤和預(yù)測天氣的重要無線電頻率。由于大氣中的水蒸氣以23.8 GHz的頻率發(fā)出微弱的輻射，氣象學(xué)家在其模型中使用衛(wèi)星測量的輻射數(shù)據(jù)來預(yù)測天氣和潛在的危險風(fēng)暴。地球上的大量設(shè)備在發(fā)射該頻率附近的無線電波時可能會蓋過微弱的水蒸氣信號，氣象學(xué)家便無法準(zhǔn)確預(yù)測天氣[11,12]。

2019年11月，ITU在埃及沙姆沙伊赫召開2019年世界無線電通信大會時，這一潛在問題就已被提上了議程[13,14]。當(dāng)時，針對無線網(wǎng)絡(luò)的基站在24 GHz頻段內(nèi)可以發(fā)射多少輻射的問題，代表們投票決定施加-33瓦分貝（dBW）的噪聲限制。對于2027年9月1日之后安裝的基站，該限制將降至-39 dBW [15]。這些限制是否足以消除對水蒸氣問題的潛在干擾還有待觀察，因為這兩項限制都比世界氣象組織為避免干擾氣象衛(wèi)星觀測結(jié)果而建議的-55 dBW更寬松[12]。

無論如何，我們已經(jīng)開始了向5G網(wǎng)絡(luò)的過渡。Cabric說：“我們已經(jīng)實現(xiàn)了增強(qiáng)型移動寬帶的接入。”截至2020年2月，至少有34個國家的城市已經(jīng)部署了一些5G計劃（圖3）[4,16]。盡管2019年的新型冠狀病毒大流行可能會延遲部署的進(jìn)程[17,18]，但根據(jù)GSM協(xié)會2020年3月的報告，到2025年，5G可能占全球網(wǎng)絡(luò)連接的20% [4]。Cabric表示，URLLC和MMTC的5G應(yīng)用可能需要先獲得行業(yè)和消費者的更多支持，然后才能得以廣泛使用?！拔艺J(rèn)為，某些延遲并不是因為這項技術(shù)無法實施，更多的是因為人們接受5G的態(tài)度。這里的人們指的是會說‘好的，我愿意基于5G部署這項服務(wù)’的利益相關(guān)者?！?/p>

圖3. 向5G網(wǎng)絡(luò)的過渡已經(jīng)開始。截至2020年2月，至少有34個國家的城市已經(jīng)部署了一些5G計劃[4]，如圖中顯示的2019年8月在德國卡爾斯魯厄的一個基站進(jìn)行的5G升級（3.5 GHz，n78頻段）。圖片來源：Tomas Freres，Wikimedia Commons（CC BY-SA 4.0）。