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使用 5G 无线技术连接未来


5G无线技术即将到来;但我们需要先完成关键的基础设施升级。

过去几年来,围绕5G网络技术进行的大肆宣传不断升级。如果您闭目塞听(或与世隔绝),情况大概会是这样:它规模宏大,即将到来并将改变一切。

在这种情况下,这种戏剧性实际有迹可循。在5G世界中,虚拟医生和家庭检查系统甚至能为全球最偏远的地区带去价格实惠的高品质医疗服务。精密的全息图和增强现实体验将会开辟新的艺术和娱乐途径,而实时数据流则将改变从制造业到农业的各个行业。

斯坦福大学工程教授兼无线系统实验室主任Andrea Goldsmith表示:“随着数十亿设备彼此互联以及连接云,下一代无线技术有望做到随时随地实施检测,处理海量数据,并从使用这些数据的设备中获取信息。但能否真正实现您在新闻中看到的那种前景,则取决于对无线技术开发的投资。”

具体来说,这些投资包括重新考虑如何测试和建设通信基础设施,比如支撑前几代无线技术的蜂窝基站。在这个过程中,不仅需要具备构建电信基础设施的深厚专业知识,还需要创造性地开发解决方案,满足一些非常复杂的要求,利用5G无线技术提供无处不在的连接。

另一个代沟

随着我们能够提供更高的速度和带宽,以及市场寻求缩小产品尺寸,导致电信基础设施的扩展成本越来越高,也越来越复杂,而5G的出现开始推动电信行业不断创新。

以5G基站中使用的无线电为例:为了与网络上的大量新设备进行通信,其通道数比4G产品多16倍。所以,其中使用的硅芯片非常多。这使得它们的质量更重,价格更昂贵,且需要耗费大量电能。

尽管存在这些挑战,但5G基站将成为推出新一代网络的决定性因素。电信服务提供商和制造商贸易组织5G Americas的总裁Chris Pearson表示:“网络密度是决定5G的关键因素之一,我们需要的不仅仅是增加数千个站点,而是增加成千上万。”

“网络密度是决定5G无线技术的关键因素之一。我们需要的不仅仅是增加数千个站点,而是增加成千上万。”

Chris Pearson

总裁 | 5G Americas

见证发展浪潮

随着5G的到来,我们将迎来一个高速度、低延迟、大规模连接的时代。虽然它将改变每一个行业,但其造成的影响在城市环境中尤其明显,并将为未来的智慧城市铺平道路。

与4G相比,5G本质上有两大改进;在更低和更高的频率,以及毫米波(mmWave)频段提供大规模多路输入、多路输出(MIMO)后者特别适合密集型城市环境。

Massive MIMO

Massive MIMO

mmWave

mmWave

一般来说,毫米波是指30-300 GHz之间的射频频段,其波长以毫米为单位。对于5G,5G标准组织(称为3GPP)定义的毫米波频段为24-100 GHz,未来可能考虑更高频率。

5G Bandwidth Opportunity
资料来源:“5G 生态系统:DoD 风险和机遇”,防务创新委员会,2019 年 4 月。

5G毫米波技术主要针对高频段,这些频段含有更多的可用频谱。毫米波频率更高时,波长更短,这意味着需要更小的天线和设备,以便在较小的城市区域轻松设置更多的毫米波基础设施。




ADI公司汽车、通信和航空航天集团高级副总裁Greg Henderson了解电信公司面临的巨大需求。他表示:“如果成倍增加这些通道,那么基站中的设备基本也会成倍增加。所以运营商面临的挑战,就是需要以过去4G基站大致相同的外形尺寸,同样的成本和功耗实现扩容目标。这需要完全重新考虑射频系统,从采用分立式组件和滤波器的传统射频架构转变为新型直接变频系统,通过架构和高级软件算法简化了设计。”

“运营商所面临的挑战,就是需要以过去4G基站大致相同的外形尺寸、同样的成本和功耗实现扩容目标。”

Greg Henderson

汽车、通信和航空航天集团高级副总裁 | Analog Devices

ADI在射频和微波通信等技术领域具有悠久历史,在推出前几代无线技术的过程中发挥了关键作用。从1G发展至今,我们开发了各种关键硬件,助力实现速度越来越快的高速数据转换和通信,这不仅是部署新通信网络的关键,对于证实全新性能水平的测试设备也至关重要。

“我们不只是在开发组件。我们实际上是在试图解决与整个系统相关的问题。我们拥有一定水平的系统架构专业知识,以及非常强大的技术组合,这让我们能够以非常独特的方式解决极具挑战性的问题”,ADI通信部副总裁Joe Barry表示。

该公司运用其专业经验来满足5G网络技术的独特需求,创建了一种软件定义收发器形式的全新通信架构。这项技术最初是为4G开发的,它将复杂、甚至笨拙的信号链集成到一个微芯片中。通过这种方式,建造5G基站所面临的规模、功率和成本方面的挑战(阻碍实施的关键因素)得以迎刃而解。

“我们在这些基站中使用的物理空间基本相同,但每个能量单位获得的比特数要比4G高出一个数量级。所以我们需要部署一些非常复杂的射频天线处理技术。在5G的下一个阶段,可能会出现一些基于边缘的云系统,从而能够为不同的业务类型提供动态服务。所以在工业4.0等领域可能会出现新的商业模式,届时5G可能会成为任务关键型工厂自动化连接的基石”,ADI公司总裁兼首席执行官Vincent Roche表示。

更好的基站

5G 毫米波需要重新考虑目前用于无线通信的基站架构,重点是实现更大的密度。自 2015 年以来,美国公司已经建造了 3 万个 5G 基站,未来几年还将建造更多。

154K
目前美国的基站数量
800 K+
预计到 2026 年,将会建造超过 80 万个小型 5G 基站

来源:“第五代( 5G )通信技术:国会议题”,国会研究服务,2018 年 1 月;“消除基础设施投资障碍,加快无线宽带部署”,美国联邦通信委员会,2018 年 9 月

下一回合

奠定基础之后,5G无线技术就可能改变所有这一切。根据卡内基梅隆大学的研究,通过5G网络提供支持的交通管理解决方案可以使车辆的等待时间缩短40%,使温室气体排放量降低21%。在工业领域,5G将为大规模物联网铺平道路,提供超低延迟无线连接,使制造商能够更智能、更快、更高效地工作。一些研究预测,到2022年,物联网设备的数量将达到15亿件,其应用范围将涵盖从车队管理到农业等诸多领域。另一些人则认为到2025年这个数字将高达640亿。

“如果您把迈向5G之路比作一场棒球比赛,我们现在可能处于第二局。但我们可能很快会进入第四或第五局,在未来一两年,还会有更多的国家制定部署规划。到2020年,全球大约有3700万5G用户,而这只是冰山一角。它将会飞速发展。”

Chris Pearson

总裁 | 5G Americas

我们还必须升级连接各蜂窝基站,以及连接全球通信网络的网络,以实现全面部署5G的承诺。随着这些系统能够以更远的距离提供越来越高的数据速率,需要实施精准控制来管理复杂的激光器、调制器和检波器序列。针对这种需求,ADI公司高度集成的精密电子和电源解决方案具有核心作用,能够使光学网络达到每秒数百千兆的速度,同时耗电量低于前代产品。此外,ADI公司的先进时钟产品能够助力提供所需的增强同步,以满足5G网络的精准时序要求。

5G 城市

5G 和毫米波对于推动未来实现智慧城市起着非常关键的作用。这些技术可以通过减少能源使用、燃料成本等节省多达 1600 亿美元。

5G City
5G City Smart Buildings

智能楼宇

照明和空调等公用设施可以根据在场人数自动调节,从而减少能源消耗。

Reduced Gridlock

减少交通堵塞

智能交通信号灯可以与车辆连接,以改善交通流量,将通勤速度最高加快26%。

Safer Streets

提高街道安全

智能传感器和其他物联网设备可与AI算法配合使用,以缩短紧急响应时间。

资料来源:“智能交通信号”,卡内基梅隆大学。

随着企业跨越5G难关(按照皮尔森的比喻,到达棒球赛的第九回合),像ADI公司这样的合作伙伴也已开始关注通信领域的下一步发展。“5G只是一个开始,我们期待着未来进一步超越5G,实现每秒几十千兆、延迟极低的6G或7G通信。对这些系统的需求才刚刚开始显现。但很明显,它们将需要再次进行全面重组,以充分发挥它们的潜力”,Henderson表示。