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(jīng)開始推出第五代（5G），即最新一代的無線網(wǎng)絡(luò)[1]。對于當(dāng)今的消費者而言，轉(zhuǎn)向5G意味著訂閱5G網(wǎng)絡(luò)提供商的服務(wù)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(fù)雜的過程，它需要實施技術(shù)并且進行基礎(chǔ)架構(gòu)建設(shè)，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(dǎo)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。總部位于法國瓦爾邦的第三代合作伙伴計劃組織是由來自亞洲、歐洲和北美洲的7個電信標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織組成的聯(lián)盟，其中包括中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（China Communications Standards Association）、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，并開始涵蓋推動5G超越蜂窩網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)[3–5]。

美國加利福尼亞大學(xué)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(wǎng)絡(luò)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(guān)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(nèi)瓦的國際電信聯(lián)盟（ITU）負(fù)責(zé)制定有關(guān)5G技術(shù)應(yīng)具有的能力的全球標(biāo)準(zhǔn)，如某些移動寬帶速度或特定的延遲[1,6]。這些標(biāo)準(zhǔn)是通用準(zhǔn)則，可確保全球運營商在將其產(chǎn)品推廣為5G時提供一些基本水平的服務(wù)。在設(shè)置完這些通用標(biāo)準(zhǔn)后，3GPP組織就會構(gòu)思出由工程師開發(fā)的更為詳細(xì)的技術(shù)規(guī)范，這些規(guī)范概述了實現(xiàn)ITU標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序應(yīng)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(wù)的規(guī)范，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(wǎng)設(shè)備[1]。為了充分發(fā)揮5G的潛力，需要為無線網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域，從而促進了前所未有的高級應(yīng)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師、核心網(wǎng)絡(luò)和終端3GPP技術(shù)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(wǎng)絡(luò)以及服務(wù)和系統(tǒng)[7,8]。

第16版包括提高5G網(wǎng)絡(luò)和設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，以提供計劃的覆蓋范圍和對5G無線服務(wù)的訪問[3]。

5G的許多應(yīng)用（如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的廣泛使用）將需要更多的基站，用以在用戶和中央網(wǎng)絡(luò)之間中繼信息。這需要在基站與中央網(wǎng)絡(luò)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(xué)電氣和計算機工程專業(yè)教授Ahmed Eltawil說，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wù)。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(wǎng)絡(luò)，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(shù)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(biāo)準(zhǔn)”，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(shù)是網(wǎng)絡(luò)切片[3]，這是一種被稱為軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)的迭代。SDN使運營商可以通過編程軟件重新配置網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)新的情況和用途，而無需更改網(wǎng)絡(luò)的物理布置?！澳梢暂p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(xué)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(wǎng)絡(luò)切片提供了一種將單個網(wǎng)絡(luò)劃分為多個不同用途的獨立網(wǎng)絡(luò)的方法（圖1）[9]。Xinyu Zhang說，這還可以使運營商為某些用途預(yù)留帶寬，因此不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾或服務(wù)中斷的情況，如視頻停滯或通話中斷。輕松操縱網(wǎng)絡(luò)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(shè)備等多種應(yīng)用的支持的關(guān)鍵。

盡管第16版將5G規(guī)范擴展到新的領(lǐng)域，但許多技術(shù)細(xì)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(shè)備（包括網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(shù)問題，還需要克服政策、社會和物流領(lǐng)域的一些非技術(shù)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(guān)。5G使設(shè)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(wǎng)絡(luò)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?！?/p>

圖1.圖片顯示了5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)中最相關(guān)的元素。網(wǎng)絡(luò)切片是3GPP組織最新的5G標(biāo)準(zhǔn)，即第16版所描述的技術(shù)之一。該技術(shù)可將單個網(wǎng)絡(luò)劃分為多個獨立的網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)不同的用途。運營商可以通過軟件編程對網(wǎng)絡(luò)進行操作，而無需更改網(wǎng)絡(luò)的物理布置。來源：Wikimedia Commons（公共領(lǐng)域）。

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