[導讀] 各方都一致認為5G需要一種新的空中介面來滿足其雄心壯志，因為5G并不向后相容于目前的4G LTE。業界至今已提出了6種主要的建議了，預計在3GPP于2018年藉由完成Release 15版本發布第一個主要的5G標準之前還會有更多的提議浮出臺面。

德國德勒斯登工業大學（Tu Dresden）教授兼Vodafone Chair Mobile Communications Systems計劃主持人Gerhard Fettweis確信已為下一代5G蜂窩網絡空中介面作好準備。他認為通用頻分多工（GFDM）優勢明顯，可以支持他所說的觸覺網際網絡，這同時也是物聯網（IoT）的未來，目前并已經獲得了包括華為（Huawei）、英特爾（Intel）、國家儀器（NI）、沃達豐（Vodafone）和賽靈思 （Xilinx）等多家公司的支持。

各方都一致認為5G需要一種新的空中介面來滿足其雄心壯志，因為5G并不向后相容于目前的4G LTE。業界至今已提出了6種主要的建議了，預計在3GPP于2018年藉由完成Release 15版本發布第一個主要的5G標準之前還會有更多的提議浮出臺面。

大多數的提議都是目前正交頻分多工（OFDM）技術的變化版本，有利于進一步增強支持者的力量。一些專家認為，空中介面方面的競爭并不至于像為大規模天線陣列定義全新的技術以及支持6GHz以上頻率的工作那樣激烈。

盡管如此，許多公司和研究機構開始側重于采用他們認為可為整個產業和他們自己帶來最大好處的空中介面。這些空中介面之間的差異涉及無線通訊技術方面的微妙權衡。

編碼機制的“選美比賽”

“這有點像選美比賽，最后可能會采納多項提議的部分內容，但其實并不至于太復雜，因為該技術存在基本的實體定律，我們無法針對所有方面進行最佳化，”經驗豐富的研究員兼企業家Arogyaswami Paulraj在最近舉行的IEEE 5G高峰論壇上表示。

高通公司（Qualcomm）研究部門Qualcomm Research負責5G的資深工程總監John Smee同意上述觀點。各種提議無非是在開啟與過濾OFDM訊號上做文章，他指出。

盡管如此，高通最近也發表了自家的提議。它的統一OFDM介面采用的是使用多種技術的混合方法，可支持2次冪的眾多符號，因而更適于半導體設計。高通并針對資源有限的物聯網提出了另一種5G方法。

Fettweis將高通的統一介面形容為研究人員研究多年的時間/頻率程式碼分割概念變化版。他認為這種方法可能不具有最高的能效，而是形成功耗相對較大的類比元件，如ADC和射頻（RF）晶片。

高通在最近發表的白皮書中描述對于5G空中介面的看法（來源：Qualcomm）

映射空中介面圖

GFDM旨在透過混合方法支持多載波

與其它方法一樣，斯堪地那維亞半島（Scandinavia）的研究人員和公司都表示支持“多載波濾波”（FBMC）技術。Paulraj表示，FBMC方法可提供最佳的頻外輻射性能，但由于其視窗太長，并不利于為5G規劃的大天線陣列。

通用濾波多載波（UFMC）途徑在頻外輻射性能方面也不是很好，但在基地臺共用上行鏈路方面的表現較好，Paulraj指出，“就像打沙袋一樣，你從一側打一拳過去，另一邊就鼓出來。”

據Fettweis透露，阿爾卡特-朗訊（Alcatel-Lucent）支持UFMC，并稱其為可在次載波通道上支持多載波系統的一種途徑。如果采用其“去尾”（tail-biting）方法進行濾波，還能相容于其GFDM，他表示。

華為據稱支持一種稱為頻譜過濾的OFDM途徑，其優勢更接近于“香農理論”（Shannon’s Law）的容量極限。不過，Fettweis指出，這種方法需要更復雜的接收器和天線陣列。

至少有一家新創企業提出了一種除了OFDM以外的全新方法，那就是Cohere Technologies公司。該公司采用創新的數學概念，能夠更精確地提供通道估計，進而提高頻譜效率。Cohere公司目前正開始準備白皮書，計劃首度公布這一概念的部份細節。

Paulraj表示，“在所有事情塵埃落定之前我們需要更多的想法。”

低延遲實現觸覺網際網絡

Fettweis將其GFDM視為一種超集合途徑，可根據其細節的建置方式相容于多項提議。其關鍵的元件之一是用于濾波模組的環繞式處理方法，據稱這有助于保持資料封包較短，進而實現毫秒級的延遲。

Fettweis解釋，“我們提出了環形濾波的技術，因此，如果一個資料封包是70ms長的話，過濾整個資料封包的時間仍然是70ms長。”

這種途徑還能保持在較低的峰均功率比值，從而確保功率放大器執行于低功耗狀態。“我們業已表明這個比值不會變差，而且在大多數情況下使用我們的方法還會有顯著的改善。”Fettweis指出。

這種途徑為物聯網開啟了新的使用案例之門。Fettweis和其它研究人員將這些用例歸納在一個他們稱為觸覺網際網絡的概念中。這些用例包括無線版本的多用戶游戲、虛擬實境、零售產品展示以及各種遠端系統管理的工業、機器人和醫療控制。

Fettweis開發了一種新應用案例，只有毫秒級的延遲

舉例來說，鑒于目前的無線延遲高達150ms，用戶無法使用虛擬實境（VR）頭戴式顯示器作出及時的反應。但當延遲減少到5ms時，這樣的任務就相當輕松了。

愛立信（Ericsson）與倫敦國王學院（King’s College London）的研究人員們目前也針對觸覺網際網絡的開發展開合作。例如，該實驗室無線通訊部門的Mischa Dohler表示，他們希望進一步推動觸覺編解碼器與編碼器的標準化。

觸覺網際網絡可以衍生出物聯網版本的Facebook，Fettweis把它稱之為Thingbook——與智慧物件互動的一種網絡介面。

“目前有5家大公司每年在GFDM上投入數百萬美元，顯示有一個很大的群體正廣泛接受GFDM。”目前正透過沃達豐申請GFDM專利的Fettweis透露，“華為就有一大幫人正拼命地撰寫有關GFDM的專利。”

追求低延遲也招徠了不少人的批評。例如高通公司表示，GFDM需要復雜的接收器來處理干擾，而且還必須為多工服務提供較大保護頻段。

云端無線接取網絡（C-RAN）的支持者們認為，GFDM的低延遲可能與其目標沖突。C-RAN旨在將基地臺轉變成簡單的天線陣列，然后將訊號反饋至巨量資料中心并在標準伺服器上進行處理。這種方法可以免于蜂窩天線塔通常需要空調的大型系統機柜需求。

目前正為搜尋引擎巨擘Google搭建無線通訊業務的Google Access資深主管Tibor Boros表示：“C-RAN十分理想，因為它們可以降低基礎設施的功耗和成本，讓任何人都能為蜂窩網絡編寫軟體，而且虛擬化蜂窩網絡十分令人振奮。”

“然而，如果延遲很低，C-RAN就沒這么理想了，因為實體層必須更接近邊緣甚至核心網絡，”Boros指出。

Fettweis把C-RAN稱為“一個美好的概念，然而，一旦基地臺有許多天線就會崩解，因為每根天線都需要Gbit/s鏈路連接到云端伺服器。因此，如果未來使用5G時可提供100根基地臺天線，那么從基地到C-RAN訊號處理引擎將需要數個Tbit/s級的鏈路。”

盡管如此，Fettweis認為，仍有許多方法可以用來消除C-RAN和低延遲之間的沖突。舉例來說，營運商可以在網絡邊緣安裝云端伺服器，他估計那也許是距任何C-RAN無線頭端一英哩的范圍內。

（參考原文：5G Idea Opens IoT Horizons，by Rick Merritt）