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5G之后的通信未来
信息来源:2020-07-29


今年的IEEE VLSI技术和电路研讨会(VLSI 2020)包括NTT Docomo的演讲,它对蜂窝通信的未来进行了展望,为通信行业的广泛转变奠定了基础。


这绝非易事。 5G才刚刚进入商业世界,尤其是在更高的毫米波(mmWave)频率的情况下,要实现其全部潜力还有很长的路要走。 即便如此,一些研究人员和行业成员仍在寻找5G以外的东西,以找出下一步的发展。

NTT Docomo的中村刚宏(Takehiro Nakamura)既对5G如何通过“演进”阶段进行扩展又对6G将会发生什么进行了尝试。 他认为5G演进(5GE)和6G都将继续朝着增加带宽,增加覆盖范围和增加数据量的趋势发展。 [注:在美国,一些公司在5G之前将4G扩展称为“ 5GE”,这可能造成混乱。 NTT Docomo对5GE的引用遵循了继5G之后的更传统的含义。]


Nakamura首先提醒我们,5G于去年3月投入使用,并且它将在2020年代成为主导技术。 他说6G是2030年代的技术,尽管日期和定义可能会有所不同,具体取决于供应商。


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去年,随着橄榄球世界杯在日本启动了5G预服务。 商用服务将于2020年3月25日正式开始。来源:IEEE / NTT Docomo


推出的部分内容包括使用更高的频率,该频率可以承载更多数据,但不会走得太远,也不会弯腰。 电路实现也将更具挑战性。 确切地说,当我们转向毫米波时,各国会有所不同,因为每个国家都在拍卖自己的频谱分配。


作为一家日本公司,NTT能够说出其在日本的计划-目前尚无特定的截止日期。 中村说:“将在2019年4月在日本分配的3.7 GHz,4.5 GHz和28 GHz新频段将视具体情况部署用于5G,” 特征,共存条件等。”


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5G将使用比上一代产品更高的频率。 对于毫米波频率(28 GHz及更高),它们将更高,提供更多带宽,但带来新的实施挑战。 资料来源:IEEE / NTT Docomo


推动下一代发展的部分动力来自我们对5G的了解。 Nakamura确定了三个特定的挑战:mmWave的覆盖范围和移动性,上行链路性能以及行业用例的需求。 特别是,他设想了一个周期,该周期在很大程度上仅反映了物联网(IoT)带来的模型,仅具有更多的数据和高性能。 他描述了一个周期,在周期中,数据是从现实世界中的实体中提取的,类似于IoT传感器,然后传递给云端,从而做出决策。 这些决策的结果被送回地面以采取行动,或者从字面上讲,是采取行动。


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在物理世界中获取的数据将被传输到网络世界,在网络世界中进行决策,并在可能的情况下预测未来。 然后可以将该预测用于在物理世界中发起动作。 资料来源:IEEE / NTT Docomo


然后,6G将专注于解决社会问题,并通过扩展的更高带宽的通信选项集以及物理和网络领域之间更复杂的融合来实现对物理世界和网络世界的紧密融合。


技术含义

Nakamura指出,虽然早期的无线世代具有特定的技术差异,但对后来的世代并没有那么清晰地加以描述。相反,现有方法已得到完善和改进。 5G及其演进的特点是:

扩展频率范围;

从MIMO转向大规模MIMO(mMIMO);

移至控制信道的极地码和数据信道的低密度奇偶码(LDPC),以及超可靠的低延迟通信(URLLC)和大型机器类型通信(mMTC)的出现。

6G甚至可以将频率范围扩展到太赫兹范围,并且它可能带有新的波形来补充或替代正交频域复用(OFDM)。新的网络拓扑将需要提供最大的覆盖范围,增强5G新技术并使AI随处可用。


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早期的蜂窝技术彻底取代了现有技术。 下一代在较早的一代的基础上,选择性地添加或增强新技术以应对特定挑战。 资料来源:IEEE / NTT Docomo


网络本身的设计可能会发生变化。现有的放置单元的方法存在折衷,即最大化覆盖范围,同时最小化相邻单元之间的重叠。他看到了未来的变化,重叠的单元将利用多个传播路径来提高带宽和可靠性。


鉴于毫米波带来的挑战,进入毫米波领域带来了机遇。由于增加了视线要求,因此有必要反射光束以确保覆盖“较暗”的角落。但是材料在更高的频率下并不总是能发挥预期的作用,因此很难创建毫米波反射器。


Nakamura展示了一些利用超材料(即自然界中不存在的人类工程材料)创建反射器的作品。通过创建这些材料,工程师可以设计特定的折射率,并确定反射信号的方向和形状。实际上,不仅材料对于反射器上的不同位置具有不同的折射率,而且甚至可以动态地控制那些折射率,从而使反射器适应性更强。


一个极端的例子是能够将光线路由到物体周围,从而有效地掩盖了它-即使其不可见。通过控制反射信号与透射信号的比率,可以使表面交替透明或不透明。

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具有折射率的工程材料可以创建有效的隐形斗篷。 资料来源:IEEE / NTT Docomo

 无线接入技术(RAT)也将进行一些升级,首先是通过扩展mMIMO技术。除了这一革命性举措之外,还将部署新技术以实现比奈奎斯特(FTN)更快的通信。在奈奎斯特准则下进行通信意味着使用正交编码来避免符号间干扰(ISI)的问题。但是,我们需要为清洁操作权衡带宽。这个想法是,通过允许一些ISI,我们可以在通道中填充更多数据,并保持相同的误码率(BER),直到通道最终变得太拥挤为止。已经提出了与最终的ISI对抗的新算法,该算法由先进的硅技术实现,与以前可行的方法相比,它可以使电路更快,更复杂。

5GE和6G的另一个发展将是私有工业网络的可用性。如今,所有蜂窝用户(无论是消费者还是公司实体)都使用同一网络。因此,从理论上讲,观看视频的人们可能会干扰或挤占大量任务关键型数据的工业上行链路。通过创建专用网络,工业公司可以更好地控制其性能,并保证可用性和响应性。移动网络运营商(MNO)也可能在这些网络中发挥作用。

覆盖范围将通过许多其他技术来增强,其中有些可能不是蜂窝技术。特别是机载或天基收发器将发挥更大的作用。目前正在使用对地静止(GEO)卫星,中村(Nakamura)在低地球轨道(LEO)和高空伪卫星(HAPS)(也称为大气卫星或大气卫星)中的作用日益增强。

这里的想法是提供大量的收发器,这些收发器可以从陆地或海上的任何地方访问,以为当前服务不足或根本没有覆盖的区域提供足够的覆盖范围。具有不同带宽特性的不同车辆可以解决当今尚未很好解决的各种情况。


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带宽范围从10 Mbps到超过10 Gbps,不同的车辆将能够满足广泛的应用。 资料来源:IEEE / NTT Docomo

最后,在这种观点下,人工智能将无处不在。 下图显示了AI可以增加价值的领域范围。 这些领域中的大多数与网络本身的运行有关,但是对AI的一般访问仍然是希望的一部分。


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人工智能将发挥重要作用,主要是为了网络的高效运行,也将为企业甚至个人提供服务。 资料来源:IEEE / NTT Docomo


重要要点

NTT Docomo同意这种观点,自然而然地专注于日本市场。 但是到目前为止,即使是探索性的工作,也将影响到所有涉及的公司和所有地区。 我们总结了一些总结要点,以达成协议,分歧或其他深度,以供其他一些公司发表评论。 这些要点和回应如下。

5G演进将专注于更好的上行链路和更多的交付保证(与“尽力而为”相反),并着重于超可靠的低延迟通信(URLLC)。

Rambus IP内核产品营销高级总监Suresh Andani表示同意。他说:“最初的5G用例将专注于为UltraHD,AR / VR,360度流视频等实现增强的移动宽带(eMBB)。” “在未来三到五年中,5G用例将需要实现大规模机器类型通信(mMTC)和超可靠的低延迟通信(uRLLC),以实现5G愿景。 uRLLC用例,例如智能交通,工业自动化和远程医疗保健,将需要保证(相对于最大努力)和5G机器与网络之间的最低延迟通信。由于4G和5G基础架构是Rambus重点关注的领域,因此我们为网络芯片和电信设备制造商提供了最低的确定性延迟接口,以有效地在网络上移动数据。

Cadence的AWR Software技术营销总监David Vye同样详细介绍了细节。 Vye表示:“ 5G的主要目标是将无线技术的覆盖范围和价值扩展到单个移动用户之外,以支持mMTC和URLLC。” “将连接性扩展到包括网络到智能设备通信,再结合人工智能和物联网,将迎来新的工业浪潮,并为工业和社会提供更大的商业价值。”

Vyte指出了当前技术中需要弥补的空白。 “ 5G部署和相关试验表明,有必要对非视距(NLOS)环境的覆盖范围和上行链路性能以及高流量用例进行改进。为了完全实现下一波通信的希望,需要持续增强以确保弥合网络世界与物理世界之间的差距所必需的高可靠性和低延迟。

对于基于边缘云计算的工厂运营技术和网络,要获得低于1ms的延迟以及高达99.9999999%的可靠性的URLLC性能,将需要大量的小型蜂窝无线接入点以及具有AI和ML控制波束控制的分布式天线。

“要大幅降低非正交网络的部署需求,将是降低波束成形天线阵列和复杂接收机的成本的需求,特别是如果应用了比奈奎斯特更快的信令技术,同时又要大大超越现有技术。尽力而为的上行链路技术,”他补充说。 “这种新的网络拓扑,再加上6G向更高的毫米波频谱(94GHz至3THz)转移,将带来各种各样的设计和集成挑战。”


5G演进将实现物理世界和网络世界之间的循环,其中将所有事物上的大量数据发送到云以进行处理并用于“预测未来”。 这些预测将导致动作(或致动)发回现实世界。

Cliosoft的营销主管Simon Rance表示同意。他说:“ 5G中的大数据分析将与物理世界和网络世界之间的循环相吻合,从而为关键技术和业务驱动器(如预测性维护和认知分析)提供帮助。” “通过利用AI,5G,云计算和大数据分析,预测性维护将有助于在故障发生之前进行预测,并将在通信,应用程序和许多其他领域中发挥关键作用。同样,通过利用机器学习,5G中的认知分析可以超越传统的描述性分析,并可以从上下文中实时学习并预测接下来会发生什么,或者说可以通过分析过去的行为模式来适应。认知分析与物理世界和网络世界之间的循环相结合,将有助于实时做出最佳决策,并将拥有从自动驾驶到未来智能应用的一系列应用。”

安达尼说,诸如电信数据中心和中央办公室等多路访问边缘数据中心将在物理世界和网络世界之间的这种循环中发挥重要作用。他说:“并非来自或来自物理世界的所有内容都应该(或需要)发送到云中。” “人工智能(即预测未来并采取行动)将在边缘和云之间分配,特别是对于uRLLC用例而言,将所需行动的等待时间保持在最低水平至关重要。云端/边缘的AI需要高速SerDes和存储器接口,例如400G以太网,PCI Express Gen4 / 5,HBM2 / 2E,GDDR6 –这些都是Rambus 4G和5G产品组合的一部分。”


6G将在2030年代推出。

安达尼说,一些国家已经开始对6G进行早期研究。 “预计6G商业部署将从2030年开始。但是,这很大程度上取决于5G和5G演进在这十年中如何推广。”

如今,我们拥有固定网络,其单元旨在最大程度地减少重叠。将来,我们会有重叠的单元格,可以动态地对其进行重新配置。

Vye对此进行了放大。 “ mmWave前端设计中的当前活动,包括封装内天线(AiP)相控阵,大规模波束成形RF集成电路(RFIC),多技术集成和系统级电磁(EM)分析,将有助于实现一种新的无线接入技术,该技术具有成本效益且易于安装,支持将实现URLLC性能的小型蜂窝网络。”

他指出,以前的蜂窝通信基于六边形蜂窝网络,它们之间的距离应足够远,以避免信号干扰相邻蜂窝。 “ 6G可以采用空间非正交,重叠和动态拓扑来增加路径选择。通过AI / ML进行波束控制将有助于降低小区间干扰,但会降低复杂性。这种架构还将需要新的天线设计(共形和相控阵)。转向6G更高的频段将有助于减小这些天线的尺寸,从而使缩小组件尺寸的工作变得更加容易。”

但是,天线,馈电网络和封装互连都将更容易受到寄生和意外耦合的影响。这将需要严格的EM分析和设计验证。 Vye说:“毫无疑问,将利用战略设计划分,最佳半导体工艺的利用以及多结构组件的组装,这需要一系列仿真技术,设计和制造流程以及工具的互操作性。”

安达尼(Andani)认为这是必须的。为了满足5G及更高版本的服务模型,基础架构无法承受固定的费用。为了满足所有启用5G的用例的服务级别协议,将需要可动态组合(可重新配置)的软件定义基础架构。” “例如,如果默认小区被超额订购,那么无线基础设施必须能够在不影响服务质量/体验的前提下为另一个小区提供服务。”

将部署高空伪卫星/大气卫星和低地球轨道卫星,以将覆盖范围扩展到空中,海上,甚至太空

安达尼说:“各种商业公司(例如Viasat,SpaceX,亚马逊等)已开始朝这个方向采取措施。”



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