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深度|迎接無線 5G 的世界,你準(zhǔn)備好了嗎?

本文作者: 奕欣 2016-10-21 10:00
導(dǎo)語:以高通為代表的一些公司正在重新定義網(wǎng)絡(luò)——一個可以連接一切事物的網(wǎng)絡(luò),從無人機到外科手術(shù)器械,一切皆有可能在無線 5G 網(wǎng)絡(luò)里實現(xiàn)。

編者按:以高通為代表的一些公司正在重新定義網(wǎng)絡(luò)——一個可以連接一切事物的網(wǎng)絡(luò),從無人機到外科手術(shù)器械,一切皆有可能在無線 5G 網(wǎng)絡(luò)里實現(xiàn)。本文發(fā)布于 FastCompany,作者 Sean Captain,由莫小夏和何忞編譯,雷鋒網(wǎng)做了不改動原意的編輯,未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。

深度|迎接無線 5G 的世界,你準(zhǔn)備好了嗎?

Michael Coghlan/Flickr 

無線技術(shù),解釋起來得用一大堆縮寫、術(shù)語還有數(shù)字。如果要進(jìn)行市場推廣,可能讓人聽起來一頭霧水,于是業(yè)界將其簡化為“4G”,就是現(xiàn)在我們手機使用的技術(shù)(也被稱作“LTE”,即“長期演進(jìn) Long-term Evolution”的簡稱)。

而目前,眾多高科技公司已經(jīng)開始談?wù)?5G 的發(fā)展。其中的佼佼者高通發(fā)布了它的第一個 5G 調(diào)制解調(diào)器芯片——Snapdragon X50,應(yīng)用于手機及其他設(shè)備中。毋庸置疑,5G 會比 4G 更快。但是更令人興奮的是,5G 技術(shù)可以為我們帶來數(shù)百個甚至數(shù)億個新的在線設(shè)備發(fā)明。

對于普通人來說,談到 5G,我們會想到更快的下載速度,更流暢的高像素視頻效果,但其實新的標(biāo)準(zhǔn)所帶來的將是一個全新的互聯(lián)世界。在新世界里,無人機可以成隊列飛行;幾十億個無線傳感器可以持續(xù)不斷地監(jiān)測地球的各個方面情況;地球這一端的醫(yī)生可以遠(yuǎn)程指揮另一端的機器人在手術(shù)臺上操縱手術(shù)刀……最終,國界將會消失,家庭和辦公室的界限也不再明顯。

這些并不只是對未來世界的推測,其中的一些場景已經(jīng)發(fā)生?!?G 仍然是基于 LTE 概念發(fā)展的,”技術(shù)研究公司 Gartner 的無線技術(shù)調(diào)查員 Akshay Sharma 說。很多目前應(yīng)用于 4G/LTE 的技術(shù),比如為手機加裝額外的天線以實現(xiàn) GOOSE 實時通信,仍會是 5G 技術(shù)的基礎(chǔ)。

深度|迎接無線 5G 的世界,你準(zhǔn)備好了嗎?

 高通的新產(chǎn)品 X50 芯片使得 5G 技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)程更加明朗

工程師兼高通產(chǎn)品經(jīng)營投資伙伴 Serge Willenegger(他擁有超過 50 個無線技術(shù)專利) 說:“新的技術(shù)實際上是一個梯度,是很多個過去技術(shù)進(jìn)步階梯的一個總和?!盨napdragon X50 調(diào)制解調(diào)器包含了新的 5G 技術(shù)和其他正在發(fā)展的技術(shù)。

但是,你的下一個手機,或者下下一個手機,應(yīng)該還都不是 5G 制式的。因為高通預(yù)測,X50 調(diào)制解調(diào)器使用的技術(shù)特點最早會在 2018 年形成一個開放的全球性的標(biāo)準(zhǔn)。Willenegger 說:“不進(jìn)行測試的話,你什么都不會知道。所以應(yīng)盡早開始該領(lǐng)域的實驗?!?高通認(rèn)為,現(xiàn)在離實驗開始的時間越來越近了,設(shè)備制造者和無線運營商大約會在 2017 年下半年開始嘗試新技術(shù)。

如果一切進(jìn)展如高通所愿,那么這個芯片將會在 2018 年進(jìn)入最終產(chǎn)品。盡管韓國希望在2018年冬季奧運會上展示5G 網(wǎng)絡(luò),但實際上,5G 技術(shù)可能會在2019年以后得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)然,Qualcomm 公司也會面臨來自其他芯片制造者的激烈的競爭,比如英特爾和三星,并且它可能并沒有正確地預(yù)測最終的標(biāo)準(zhǔn)。英特爾不再為 5G 技術(shù)實驗和樣機提供可改編程序的芯片,在能夠提交一個可以與 5G 移動網(wǎng)絡(luò)部署相一致的芯片設(shè)計之前,它會一直等待。

物理學(xué)原理、政府法規(guī)、企業(yè)興趣等等方面的復(fù)雜交纏使得 5G 技術(shù)需要重新考慮不僅僅是公眾可以如何應(yīng)用,而是這個商業(yè)應(yīng)該如何運轉(zhuǎn)。5G 技術(shù)正在面臨的挑戰(zhàn)甚至可能需要等到未來的 6G 技術(shù)來解決。

 不僅僅是多了一個G

如果你只是聽說過 5G,你第一時間想到的應(yīng)該是它的速度。目前,最好的 4G 或是最先進(jìn)的 LTE 技術(shù),普通下載速度可以達(dá)到 225M/s,技術(shù)演示上可達(dá) 1G/s。這個結(jié)果已經(jīng)很驚人了,因為回到 2010 年 LTE 剛剛起步的時候,最快的速度僅僅是12M/s。這期間該領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步,接著 5G 技術(shù)將這些進(jìn)步綜合起來,未來可達(dá)到 10G/s。

如此快的速度會導(dǎo)致什么結(jié)果呢?我們尚不可知,但是至少有兩件事情一定會發(fā)生。Willenegger 說:“更高性能的產(chǎn)品會以一種完全不同于設(shè)想的方式為我們所用?!?/strong>

回想十幾年前開始的 4G 技術(shù)時,他如是說:“2004 年十一月,有一個關(guān)于現(xiàn)在應(yīng)該叫做 4G 技術(shù)的研討會,”高通工程高級副總裁 Durga Prasad Malladi(他擁有多達(dá) 233 個專利)回憶道,“我跟 Willenegger 都在。我記得那天是選舉日,小布什贏得了第二個任期,一個名叫奧巴馬的無名政治家突然聲名鵲起,我們面臨著將要消除種族歧視迎來新總統(tǒng)的時刻,正在談?wù)摕o法預(yù)知的未來。(正像當(dāng)時對 4G 技術(shù)無法預(yù)知一樣迷茫)”

距離 4G 的第一次研討會兩年之后,蘋果公司發(fā)布了 iPhone,開啟了智能手機的變革時代,之后的智能膠囊、無人機、智能手表、健身追蹤器、虛擬現(xiàn)實、Snapchat、Tinder、Pokemon Go等等基于 4G 的應(yīng)用便如雨后春筍般出現(xiàn)。在大多數(shù)人還在使用 3G (第一代 iPhone 還不支持)時開始研究 4G 技術(shù)師是很了不起的一件事。

但是 5G 的另一種速度可能更加重要——快速響應(yīng)時間。每一個網(wǎng)絡(luò)都有延遲,在你點擊網(wǎng)頁或者計算機接收信號的時候。現(xiàn)今,延遲的數(shù)量級在數(shù)十毫秒。測試公司 OpenSignal 發(fā)現(xiàn)美國 Sprint 電話公司的 4G 最短延遲在66ms;AT&T延遲最長,為85ms。在語音通話情況下,這個延遲是可以接受的(100ms以下均可接收)。但是對于不久的將來,這個時間還是太長。比如,汽車和貨車的制造商已經(jīng)著手研究共享信息的自動車隊,當(dāng)車隊需要離得更近時,頭車速度會減慢。

5G 技術(shù)將使用更小的數(shù)據(jù)包和更快的處理過程(基于摩爾定理),希望使延遲先減小到 5ms,如果有必要,將減至 1ms,這基本上就能達(dá)到“即時”了。對每個無線數(shù)據(jù)這樣處理會產(chǎn)生一些技術(shù)上的負(fù)面作用,但是 5G 網(wǎng)絡(luò)可以在有需要的情況下實現(xiàn)這樣低的延遲時間。比如,一個亞馬遜的無人機編隊,在擁擠的城市飛行時,如果出現(xiàn)數(shù)十毫秒的延遲,將可能發(fā)生問題。 

這個技術(shù)的全名叫做“超可靠低延遲通信技術(shù)(ultra-reliable low latency communication )”。這到底有多可靠?錯誤率大致低于一億分之一,這個錯誤率已經(jīng)安全到可以讓外科醫(yī)生通過互聯(lián)網(wǎng)來控制手術(shù)器械。“當(dāng)然,”Malladi 說道,“我們還有很長的路要走。但是,如果我們有了這個能力,我們一定會這么做?!?/p>

盡管,5G 技術(shù)廣為人知的是它快速移動龐大數(shù)據(jù)能力,但是 5G技術(shù)也是為新設(shè)備較慢地傳輸少量數(shù)據(jù)而設(shè)計的,比如環(huán)境或其他功能的傳感器。便宜的云網(wǎng)絡(luò)和強大的人工智能技術(shù)正在為傳感數(shù)據(jù)的發(fā)展創(chuàng)造一個大有作為的環(huán)境。

舉例來說,行星上或工廠機器上的傳感器會收集并形成大量的數(shù)據(jù)流。但是其他地方如農(nóng)場的土壤濕度傳感器或水深測量傳感器,每小時只會發(fā)出少量信號。目前,網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作正處在與設(shè)備進(jìn)行聯(lián)系的重要起步階段。電話或是視頻流的可靠性非常重要(無人機隊和機器人手術(shù)的可靠性當(dāng)然也非常重要)。對傳感器到網(wǎng)絡(luò)間傳輸數(shù)據(jù)偶然的錯誤是很致命的,這種錯誤可能會毀掉一個布滿傳感器的行星上的網(wǎng)絡(luò)。

5G技術(shù)使用一種“無連接接入”的方法,它要求更少的網(wǎng)絡(luò)連接。諾基亞 (這家曾經(jīng)的手機公司現(xiàn)在專注于研發(fā)網(wǎng)絡(luò)硬件)的5G 發(fā)展經(jīng)理 Jason Elliott說:“簡單從字面上理解,假設(shè)有一個數(shù)據(jù)包和一個電臺頻道,只需要電臺對準(zhǔn)數(shù)據(jù)包,我們就能得到它。‘無連接接入’就像是你向朋友扔球,無需先把球放在盤子里再遞給對方,你可以直接扔給他?!?/p>

偉大的光譜追逐

眾所周知光速是恒定的,但通過使用更高效的算法和更強大的芯片來編碼和解碼信號,無線工程師們找到了使網(wǎng)絡(luò)更快的方法。 5G 的真正提升來自于載波聚合——同時使用幾個無線信號,如 700 MHz頻帶和 1900 MHz頻帶的光譜。簡單的說這就像在高速公路增加更多車道,不過它更像是從幾個不同的、可能相隔數(shù)英里的高速公路來進(jìn)行組合車道?!斑@樣你才能聚合所有你可以找到的無線電資產(chǎn),以便遞送出可能實現(xiàn)的最高速率,”Willenegger 說。

早在 4G 時代,這個過程就已經(jīng)開始了,它集合了任何兩個 20 或更多可能的頻段的手機,可以下載大型電視游戲,或者上傳高清 Snapchat 視頻。5G 想做的遠(yuǎn)不止這些。我們知道 iPhone 7 有兩個天線,三星 Galaxy S7 有四個,他們的下一代 5G 產(chǎn)品則可能有 36 個或更多,而所有這些都集成在一個一毛錢硬幣大小的芯片上。

深度|迎接無線 5G 的世界,你準(zhǔn)備好了嗎? 

5G 的毫米波頻率足以支持 800 MHz 寬的信道,而 4G / LTE 則僅為 60 MHz 

猶如開放西部邊疆一樣,政府、企業(yè)正在為 5G 開發(fā)更多的無線頻率—— 11 GHz ,多出的光譜目前用于地球上所有無線數(shù)據(jù)服務(wù)。 (大部分是在 20 GHz 及更高的頻率,通常稱為“毫米波”)。眾多光譜還能用于搭載更多數(shù)據(jù),無線信道寬度可達(dá) 800 MHz 寬,相比而言 4G 下僅為 60 MHz 寬。

之前沒有人做這樣的嘗試,其實是有原因的。 “這是個可怕的光譜,”Willenegger 說。 “物理學(xué)定律并不支持我們(這么做)”,Malladi 補充道。 從 3G 、4G ,到現(xiàn)在的 5G 技術(shù),兩人已經(jīng)有超過 15 年的合作; 二人在溝通上極有默契。

短波信號無法傳播得太遠(yuǎn),畢竟它們會反射。“如果你用錯誤的方式拿手機,可能會完全失去信號覆蓋,”Malladi 說。 Willenegger 笑著說起史蒂夫·喬布斯在告誡因天線位置不佳而失去信號的 iPhone 4 使用者時說的那句著名的話“別這樣拿手機就好”。

介質(zhì)移動時,無線系統(tǒng)需不斷地跟蹤這些小玩意兒的軌跡。這就需要很多信號傳送器。 這種盒狀的傳送器只有一個 iPad Mini 大小,遍布建筑物和街道周圍,而并非人們想當(dāng)然的信號發(fā)射塔。障礙物越多,需要的傳送器越多。每一個單元和移動設(shè)備都指揮著信號——這個過程被稱為“波束成型”——哪怕是在拐角處活躍著的信號也只能束手就擒。 這也是他們需要這么多天線的原因之一:大量的天線被用來相互作用,以引導(dǎo)波束。 這真是物理學(xué)上的一道難題。

深度|迎接無線 5G 的世界,你準(zhǔn)備好了嗎?波束在角落周圍反射信號

“為什么要去那里?開發(fā)一個新區(qū)域的結(jié)果很可能是自食其果,”Willenegger 說?!霸驘o非是為了獲取資源。那里有石油,但鉆井的成本正在增加,”他用能源工業(yè)做了個比喻?!拔覀儸F(xiàn)在碰到的難題是水力壓裂,”Malladi 補充道。

他們也在其他地方“鉆井”,例如在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻率上運行的,用于 Wi-Fi 的頻率。大多數(shù) Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)仍然使用較低的頻率,留下大量 5 GHz 左右的容量。5G 設(shè)備可將它用于蜂窩信號,也可能只是搭載 Wi-Fi 的額外容量,因為一些通信公司也運營公共 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然也可能兩種情況兼而有之。

網(wǎng)絡(luò)是一個應(yīng)用程序

動態(tài)交錯的頻段和無線標(biāo)準(zhǔn)(權(quán)衡了延遲度,精確度和方便度的算法)需要一種迥然不同的網(wǎng)絡(luò),而不僅僅是另一個版本的 4G 。 它是從具有特定職責(zé)的“硬件模塊”到被稱之為“軟件定義網(wǎng)絡(luò)”的飛躍。 “這并不像買一個特定的盒子,去實現(xiàn)一個功能這么簡單,”Elliott 說,“我們需要一個帶服務(wù)器機架的數(shù)據(jù)中心,您可以在這些服務(wù)器上部署不同的功能”。 (和“軟件定義網(wǎng)絡(luò)”以及很多東西一樣,5G 已經(jīng)在 4G 系統(tǒng)中雛形化。)英特爾公司不僅希望能為 5G 應(yīng)用出售大量的調(diào)制解調(diào)器芯片,它更希望服務(wù)器的 CPU 、RAM 和固態(tài)硬盤驅(qū)動器都能大賣一筆。

軟件定義的網(wǎng)絡(luò)仍涉及硬件的各個方面。例如,有物理路由器,但它們可以在聯(lián)機狀態(tài)時重新配置,以響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)需要,加寬或縮窄它們之間的連接。

如果 5G 開始耗盡容量,可重復(fù)編程網(wǎng)絡(luò)將變得更加重要,這并非危言聳聽。應(yīng)對這種不測的辦法之一是共享無線電波,舉例來說,如果一臺 Verizon 手機在幾毫秒內(nèi)沒有使用任何一個頻率,AT&T(美國電話電報公司)在此間隙能偷偷運行幾個數(shù)據(jù)包。美國軍方坦言,這將制造出高達(dá) 1000 倍的帶寬增加,他們正在發(fā)起一項用于贊助工程師開發(fā)這些頻譜共享技術(shù)的比賽。“包括學(xué)術(shù)界的整個行業(yè)都頗為關(guān)注?!盡alladi 說。

Willenegger 開玩笑說,頻譜共享可能是 6G 標(biāo)準(zhǔn)。 不過他思索了一下又接著說,新技術(shù)肯定在 5G 的基礎(chǔ)上不斷疊加、累積,量變產(chǎn)生質(zhì)變,然后 6G 才會應(yīng)運而生,頻譜共享可能就是其中疊加的技術(shù)之一。 “未來將會產(chǎn)生 5G + ,5G Advanced,5G Turbo 諸如此類的增量。”Willenegger 說,“有人說,人類已經(jīng)窮極所想,做了能做的一切,世界上不會產(chǎn)生什么 6G 了?!?/p>

“那可說不準(zhǔn),”Malladi 接道。

via fastcompany

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