5G无线通信系统:前景和挑战 5G：个人移动互联网超越手机对电话的影响外文翻译资料

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5G无线通信系统:前景和挑战

5G：个人移动互联网超越手机对电话的影响

摘要

蜂窝技术已经发生了巨大的变化我们的社会和我们交流的方式。首先,它影响了语音通话，然后侵入数据访问，应用程序，和服务。然而，今天互联网的潜在能力还没有得到充分发挥

被蜂窝系统所利用。随着我们将有机会跨越5G超出了目前的互联网能力。

动机

如果没有1990年以前的现代无线通信，生活将是难以想象的。它赋予了我们现代生活的力量，使现代社会能够有效地运行，并对现代政治、经济、教育、卫生、娱乐、物流、旅游和所有行业产生了重大影响。

为了有一个富有成效的生活，我们需要从各种来源获得和分享信息。值得庆幸的是，人类已知的大部分信息和数据已经以某种形式数字化，可供消费和共享。

因此，我们需要可靠和快速的数据通信来实时访问和共享这些信息，这些信息以各种格式和结构(文本、图像、音频和视频)存储和消费。

第一代和第二代移动通信网络以模拟信号为主，然后是数字音频信号和短信。第三代更多的是扩大语音通信和短信的用户数量，但却被不可预测的图像和视频内容海啸所淹没。这一趋势肯定会继续下去。

视频、音频和图像格式将变得更加丰富，需要更多的数据，很可能超出了编解码器技术的改进因此，对数据通信的需求将继续，我们的传输网络很可能仍然是瓶颈。因此，我们需要提供尽可能多的容量，并确保构建一个高效、智能的架构，以适应未来的数据通信需求。

此外，在机器领域，信息的前景已经大大扩展。有许多新的小工具和设备(在这里称为机器)是有价值信息的潜在来源。由于通信技术的进步，机器可以有效地连接和到达，并将迅速成为全球信息网络的组成部分。这肯定会推动对监测和传感数据和应用的需求不断增长。这些数据的本质与传统的人工生成内容不同，它们大多是短的、突发的、异步的。然而，这些设备的数量将比今天的传统通信设备大几个数量级。因此，我们需要构建我们的网络来处理数以百亿计的快速增长的设备，这些设备只受限于我们的网络的能力和容量。

除了交流和分享的需要，我们还需要控制我们周围的环境，因为小工具、传感器和机器帮助我们更有效地开展日常生活。一旦机器连接起来，下一个自然的飞跃就是远程控制它们。这将为控制通信产生一个全新的范例。

今天，我们享受着电话和数据通信的力量。我们的第四代(4G)网络可以实时访问更丰富的内容，并使机器式通信的早期应用成为可能，而控制通信还处于初级阶段。这篇文章提供了我们当前状态的回顾来激发和勾勒我们未来的愿景。

移动行业已经出现了一系列革命性的应用和技术，这些应用和技术改变了用户的日常生活。首先，对无线电话和实时无线通信的需求，主导了无绳电话的成功，其次是蜂窝通信。此后不久，由文本消息实现的双向分页成为另一个杀手级应用程序。随着无线局域网技术（基于IEEE 802.11标准的WiFi）、互联网浏览的成功，以及笔记本电脑在市场上的广泛采用，无限制的互联网数据连接成为现实，并最终成为每个人的必需品。这一现象为蜂窝宽带无线数据连接打开了市场。合乎逻辑的下一步是为移动应用的笔记本电脑功能的子集创造更好的用户体验，并将其与蜂窝电话合并，后者发展成为今天的智能手机。现在，我们可以随时随地通过指尖获取世界信息。但是，这就是结局吗？其他一切都是进化的吗？虽然很难预测，历史已经表明，未来变革和发明的时机已经成熟，尤其是因为我们远离一个理想连接的世界。

蜂窝概念首次被引入时，它并没有立即被采用，并且花了20多年时间才得以部署。商业上对消费者移动通信服务的业务可行性存在担忧。手机概念的一个主要问题是，电话已经无处不在，无处不在：在人们的家里、办公室、酒店、公共场所、每条街上的每一个街区，甚至在汽车上，如果你愿意付费的话（事实上，很少有人愿意付费，关于蜂窝概念的商业担忧）。换言之，最初人们并不认为蜂窝通信有商业案例或“杀手级应用”，因此不愿在实现这一目标所需的基础设施上进行更大的投资。另一个原因是，人们对半导体扩展前景的低估，导致人们在早期很长时间没有意识到这一机会。这使得移动电话的尺寸、价格和成本能够让每个人都能负担得起。因此，业界无法预测蜂窝通信将带来一种范式转变，这种转变将永远改变我们的生活。范式的转变是通信的个性化，以及呼叫人而不是地点的能力。没有人预测过蜂窝通信的影响规模，它将是人类历史上最大的业务之一，对所有经济体都有巨大影响[1]。

世界是否已经成熟，可以进行另一次范式转变？感觉的确如此。互联网和移动通信已经成为我们生活中不可或缺的一部分。然而，我们在这方面的经验是零碎的，远不理想，这与早期的电话技术和移动通信之前非常相似。

从连通性开始，体验很差，而且不可预测。我们需要了解网络（3G、4G、WiFi、蓝牙等），需要登录并配对才能访问，有时我们无法获得最简单的应用程序所需的连接，甚至浏览。4G蜂窝网络将在很大程度上解决这一问题，但对数据的渴求将继续下去，随着时间的推移，我们需要提供越来越多的容量，这远远超出了频谱效率的两到三倍，以及4G容量的一个数量级提升。

另一个机会领域是沟通的形式和背景。我们有很多联系他人的方式，这可能会让人非常困惑。我们需要达到这样一种状态：我们将在正确的时间通过正确的方式与正确的个人无缝连接。因此，绝不能诱使驾车者拿起电话接听电话或短信。应该了解背景，最好的沟通方式应该根据用户的语境来选择。我们的设备和小工具需要发展，以便能够使用可穿戴设备（手表、眼镜等）以最方便的形式呈现信息，许多物理对象应该能够发送、接收和呈现信息（智能表格、白板、屏幕等）。

内容发现是另一个需要进行根本性变革的领域。由于互联网和内部网上的信息量巨大，寻找相关信息和内容变得越来越困难互联网是对旧的内容分发广播模式的一种改进，因为它增加了我们的选择和覆盖范围，但它仍然远远不够理想。即使搜索引擎在速度和质量上的巨大改进也无法满足对相关信息的需求。搜索和发现的业务模式进一步影响了内容发现的质量。你支付的费用越多，你的内容对用户来说就越“相关”，并且会出现在用户列表的顶部。

但更重要的是，你必须反复、低效地搜索相关内容。

我们相信这就是移动通信下一个范式转变的所在。消费者不会上网，而是会上网，事实上，我们会成为互联网上的节点。我们将成为有价值信息的来源和高度个性化信息和内容的汇聚地。最终，为了实现这一点，所有人和他们所处环境的信息都需要彼此持续可用。

此外，环境需要在多个节点之间被理解和沟通，我们的设备和网络需要变得足够智能，以理解哪些内容与谁相关。显然，这需要实现新级别的安全性、完整性和安全性，以实现技术被接受和成功推出所需的隐私。

一个公认的趋势是将人与机器以及其他机器连接起来，称为机器对机器（M2M）或机器类型通信（MTC）。近年来，我们看到大量无线M2M应用正在部署（例如，在公共交通系统和自动售货机中）。然而，商业上的成功有些有限。为什么？以前的革命性应用显然是由满足人类对基本通信的需求驱动的，我们的网络是为语音和文本应用而设计的，而M2M从本质上来说，有一套非常不同的要求。蜂窝通信在M2M中的应用是事后才想到的。毫无疑问，我们将看到这方面的重大突破，我们应该这样做努力理解这些要求的优点。为了让M2M充分发挥其潜力，它需要一个为其优化的网络。我们的行业需要回答的一个大问题是，我们将拥有为人机通信设计的同一网络、新的专用机器网络，还是混合网络。

图1.市场上推出的单芯片闪存容量显示，按照摩尔定律，每18个月容量就会翻一番，每五年增加10倍

图2.无线路线图，显示了作者追踪的技术进入市场的情况

内容：无线路线图

到目前为止，电信主要用于传输各种内容（语音、视频、数据、电子邮件等）。大部分内容都是在设备中生成或存储的。在过去几十年里，移动电子设备的发展令人震惊。在移动设备中，内容主要存储在闪存中。根据摩尔定律，闪存的存储容量一直在增长：每18个月翻一番。这相当于每五年增加一个数量级（10times;），如图1所示。随着嵌入式内存的增长，传输越来越多数据的需求也在增长[2]。

在过去的二十年里，无线通信取得了巨大的进步。最简单的衡量指标是实现更高的数据增长率。如图2所示，带宽增加的趋势与半导体的摩尔定律一样呈指数增长。

WLAN系统用于家庭、办公室和热点的局域网宽带通信服务，峰值数据速率达到每秒数百兆比特。随着威格的出现，数据传输的速度和延迟还有可能再提高一个数量级。

蜂窝网络的巨大成功基于为语音和文本通信提供无处不在、可靠的广域覆盖。随着4G和移动计算设备的成功，该行业的目标是为网络浏览、音频和视频流等移动互联网应用带来同样的可靠性和普遍性。长期演进（LTE）已经提供了大约50MB/s的有效数据速率。

蜂窝网络和WLAN之间的数据速率差距为100times;（图2）。然而，设备上移动数据的使用案例已经出现会合。消费者只关心应用程序和服务，这要求底层网络变得完全透明。在里面换句话说，局域网和广域通信应用之间的区别将消失，我们将需要一个真正的异构网络，这将导致一个新的技术拐点[3]。

另一个重要的驱动因素是，对于具有合理传播特性的未经许可的WLAN系统，在100 GHz以外的毫米波范围内可获得大量频谱[4]，而许可的蜂窝系统可能仅限于低于100 GHz的频率。最近在低于100 GHz频段的研究结果表明，蜂窝热点覆盖的结果很有希望[5]。蜂窝系统的物理层设计受到许可频谱可用性的限制，而WLAN技术将在未许可频段拥有丰富的频率。然而，非常清楚的是，这与在下一代无线技术中，各种接入技术必须高度协调，并集成到无缝体验中，这与今天的零散体验不同。

为LTE及以后的发展奠定基础

考虑到10年内的技术和市场力量，我们必须能够应对10 Gb/s或更高的蜂窝速度。目前的广域接入技术不符合这一要求。在无线系统中使用正交频分多址（OFDMA）由于其高斯振幅分布，需要具有更高比特分辨率的模拟/数字转换。因此，对于即将到来的高数据速率，仅10位分辨率的模拟/数字转换就很可能代表一个功耗挑战，这是目前可用或预计的技术难以解决的[6]。这表明5G蜂窝通信可能需要一种新的物理层方法。

监控

通过监测我们的环境来收集信息，以了解当前状况或预测未来，这对我们在几乎所有行业的未来进步都具有重大价值。今天的许多智能手机应用满足了我们的一些需求（例如，提供位置、速度、商品价格和天气状况等信息）。许多新设备，如连接腕带，收集有关活动和生命体征的感官信息。显然，我们正处于这一趋势的早期阶段。有些应用程序可能会对我们的日常生活产生重大影响。例如，每个单独的工厂都可以被监控和分类。我们可以确保适当的光照和水分，以实现最佳生长和健康，并提高农业和粮食生产的生产率。这是食物链的顶端，似乎离科技最远。你可以扩展这个适用于许多其他应用程序。

为了使新的M2M应用在技术上和财务上可行，向设备添加连接必须非常便宜，设备的中央管理需要可靠且廉价。考虑到其中许多设备都有移动用例（例如身体传感器或车内传感器），这些设备中的大多数都需要广域连接。这些设备还有一个集体（或社交）网络方面，这可以进一步增强用例。根据每个滑雪运动员的实际情况（如滑雪运动、雪人的日常跑步状况等）来提供他们的信息，你可以拥有数千亿台联网设备，帮助人们进行日常生活、家务和工作[7]。

我们需要将M2M的行业愿景转化为需求，以达到我们可以预见的程度，并尝试就技术需求得出一些结论。理想的M2M设备只能在需要时激活，可以在小电池或能量回收装置上“永远”运行，并且只在需要时传输所需的信息量。数据传输的速率和通信的信息量在很大程度上取决于特定的用例。

智能电表用例的一个示例规范是每100秒发送一个25字节有效负载的数据包，以平均200micro;W的功率预算（2英寸太阳能电池）运行，并且能够提供比GSM至少高10 dB的链路预算。

为LTE及以后的发展奠定基础

我们认为，大规模提供M2M服务在技术和财务上都是可行的。然而，目前的蜂窝系统并非如此，因为它们的协议需要太多的通信开销来进行同步、信道分配和移动性/连接性管理。因此，它们远远不能满足大规模M2M蜂窝传感系统的功率要求。因此，需要LTE之外的新（5G）标准。

沉浸式转向和控制：触觉互联网

在本节中，我们将重点介绍一些实时服务的新用例。实时性是一个非常主观的术语，取决于用例。当通信响应时间快于应用程序的时间常数时，我们将服务定义为实时服务。我们考虑四种生理实时常数：肌肉、听觉、视觉和触觉。关于人类反应分析的文献，我们参考[8]，综述见[9]。

人类有能力利用我们的肌肉对突然的环境变化做出反应；例如，在汽车上踩刹车，或在触摸炉子上的热盘子后迅速把手向后拉，以应对突发的意外事件。反应有两个明显不同的时间尺度，这取决于是否对形势做好了准备。如果未做好准备，肌肉反应时间的传感范围为500 ms到1s。当将其转化为技术应用中的类似情况时，这将设定规格目标。一个容易理解的例子是交互式浏览网页。点击一个链接后的页面构建应该是这个时间的一小部分，这样我们就有了即时感。从今往后，如果在几百毫秒内点击一个链接就可以创建新的网页，那么就可以体验到实时浏览交互。更短的延迟时间（即，更快的网络反应时间）对于创建实时体验是不必要的，因为人类无法感知差异。最初的802.11b通常满足了这个反应时间以及3G蜂窝系统。

显然，如果人类做好了应对情况的准备，就需要更快的反应时间，比如在比赛中驾驶一级方程式赛车或在键盘上高速打字时。例如，在通信设置

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