重新定义一切，5G NR技术与格局浅释

2017年10月17日是注定要被载入移动通讯史册的一天——高通宣布在面向移动端的骁龙X50 5G调制解调器，完成了人类史上首次28GHz毫米波上的5G数据连接。一同发布的，还有首款5G智能手机参考设计。

在联发科、三星和华为等竞争对手还在跟进千兆LTE的时候，高通完成5G数据连接的潜台词，是高通已经做出了面向移动设备的端到端5G设计了。大家或许连4G+都还没用上，高通就已经开始把的5G概念实体化了。根据预计，高通骁龙X50 5G NR调制解调器系列，将于2019年上半年出现在移动设备上。

移动通讯是高通的主场，这也是极少数一直以超越摩尔定律速度增长的领域。即将到来的5G被业界寄予了厚望，部分厂商把5G誉为继蒸汽机和电力之后，下一个开启人类新纪元的变革。但5G有什么足以改变世界的特性呢？

无线通讯：在频率与波长的镣铐下的舞蹈

说到网络演进就不得不提3GPP（3rd Generation Partnership Project，即第三代合作伙伴计划）这个专门负责制定标准的组织了。高通、爱立信、华为等众多芯片和手机厂商都是其成员。3GPP的标准由诸多“Release”构成，从2010年开始的LTE-A（国内称4.5G）就已经发展Rel-10/11/12了，对应的产品是大家已经很熟悉的高通骁龙X10/X12/X16等LTE调制解调器，其标志是利用MIMO多发多收和载波聚合技术。

再往后的演变中，千兆级LTE、窄带物联网、C-V2X都属于Rel-13/14，而现在还未正式成型的5G NR则是Rel-15。5G NR中文译称5G新空口技术，当中的后缀“NR”指代new radio（新无线电通信），其和4G LTE是相互相容和递进式的技术，它们很可能会在一段时间内同时演进。

无论演进到多少代，无线通讯的原理都是发射端人为制造有规律的无线电，接收端进行解码。对于大家最关心的速度，影响最明显的是频率和带宽两个指标。从最开始的模拟信号语音传输，到2G数字语音，再到GPRS、CDMA、LTE和即将到来的5G，万变不离其宗的是，要提高数据传输速度、密度和数据量，就得提高信号的频率。

为了规范电磁波的使用，人类人为硬性划分了不同的频率范围（即频段）。大家熟知的CDMA800/GSM850/900，指代的就是频率。而为了同时运送更多的信息，最简单粗暴的方式就是增加频率段，也就是带宽。在4G时代，Band 42/43已经从用到了3.8GHz的高频了，而5G为了避开低频的拥堵环境、降低延时和提高速度，其频率超过了6GHz，当中最被看好的28GHz和60GHz已经跨进了毫米波的领域。

超高频和毫米波，决定并衍生出5G的众多与众不同的特性：高频就意味着可以做到更低的时延，4G时代的数十毫秒网络响应，在5G中会低于1毫秒；因为频率越高衰减越快，高频的无线电环境极其干净，且可以使用的带宽极大，28GHz频段的可用频谱宽度高达1GHz，而 60GHz频段更是达到了2GHz，对比4G只有100MHz的可用频谱宽度，但这一项就能让传输速率翻10倍了。

早期的5G“预设速度”是1Gbps，这个数字其实高通在骁龙835上所搭载的X16 LTE调制解调器已经达到了，随后的骁龙X20 LTE 调制解调器更是达到了1.2Gbps。但这个数据规格究竟有多快呢？以机械硬盘的SATA 3接口为例，其速度也仅有6Gbps，速度被以后继续演进的5G标准超越，只是时间问题。为了应对超高频率的新特性，后面提到的基于OFDM的波形优化、大规模MIMO、毫米波、微基站、新的信道编码、授权和共享/非授权频谱等多种技术应运而生。

5G NR，暴力的速度与超低时延

《5G经济》研究报告预计，5G相关的产品和服务，在2035年将会创造2200万个工作岗位，创造的总价值达到12万亿美元，已经持平全美国在2016年的全部消费支出了。为了面向未来留下余量，5G除了速度和吞吐量之外，还被设计成成向下兼容、功能众多的统一连接构架。

针对5G，业界提出的需求主要是增强型移动宽带（EMBB）、海量物联网（MIoT）、关键业务型服务（MCS）3个。而增强型移动宽带，主要是针对现在4G的瓶颈进行的改进，是对普通用户日常影响最大的升级。主要体现在高速度、低时延和大连接（高吞吐）上。

在5G上，将会再次印证“仅仅是速度就足够改变一切”的老话。5G增长数倍的传输速度，可以在几秒内传完一整部高清电影，这是支撑4K乃至8K的超高清视频流的基础。真正意义上的云服务、活动直播、视频会议、远程手术，乃至全息视频都会直接受益。

传输速度之外，还有时延的概念。4G的网络延迟在数十毫秒，而5G则可以低于1毫秒。低时延不但有利于需要及时响应的网络游戏，对于每秒钟需要进行90-120次刷新的VR/AR领域，更是意义非凡。配合传输速度，VR/AR头显就能通过5G代替那碍事的数据线了。而事实上，5G演进中，高通已经通过60GHz频段的802.11ad技术完成了5G需要的毫米波的商业化了，而且后者同样已经被用于代替VR头显上的线缆了。

速度和时延之外，最容易被用户忽略的是吞吐量。虽然4G已经超越了很多家庭的宽带速度，但在人多的演唱会和赛事场馆中，4G吞吐量不足的问题就凸显出来了。5G的目标是10倍的吞吐量、100倍的数据容量提升，足以应对之后一段时间的应用需求。

运行网络速度的极致提升，对于应用程序开发商同样是无法忽视的机遇。每一次的网络速度的跃升，都会催生了大量全新的用例、应用和服务，到时云端app、云储存等概念，极有可能会以同样原理，但完全不同的体验回归。

5G提供的低时延无线千兆连接，已经模糊了有线和无线之间隔阂，可以在很多场合代替笨重和麻烦的线缆。5G甚至可以反哺有线网络，在光纤到户不发达的部分地区国家，用 5G固定接入（FWA）代替传统的网线和光纤，是比光纤更便宜、更方便、更适合完成的“最后一公里”的技术工具。

再一次改变世界，意想不到的5G用途

除了传统的上网工具，5G网络也为物联网和关键业务开拓了不一样的可能性。面向数以亿计即将接入网络的海量物联网（MIoT）应用，或许是大众最意想不到的5G用途。在Rel-12中，出现了基于蜂窝网络的IoT物联网技术，当中的Cat-M1和NB-IoT（窄带物联网，也叫Cat-NB1）标准化工作已完成，今年就会进入商业化进程，高通也已经推出了对应的MDM9206调制解调器。它们作为推动5G技术演讲的一部分，最后很可能会被归并到5G的IoT技术当中。

IoT的需求是低功耗和成本，在5G IoT中，支持免许可的小数据传输、免去分配专用资源的信号开支、异步传输、海量的连接拓展、下行仍基于OFDM等多种特性，而且能与其他服务共存。未来的路灯、电表、水表，乃至若干智能穿戴设备都能受益。

而关键业务型服务（MCS），指代的是自动驾驶、无人机、工业机器人等需要高可靠、超低时延连接以及高安全性与高可用性的领域。这些全新的领域中，任意一个都是极有可能改变人类文明进程的，而5G则是可能改变它们发展路径的技术。当中相当关键的，是从自动驾驶延伸的C-V2X技术（蜂窝网络车辆相互通信）。

因为高通是全球5G汽车联盟（5GAA）的创始成员之一，其核心的D2D（终端到终端通讯）和V2V（车车直连）技术源自高通在LTE时代进行的拓展。作为驾驶辅助系统（ADAS）的摄像头、雷达和激光雷达的补充，5G下的C-V2X技术可以让车辆间的距离、相对速度、角度、周围信息等，跳过基站，在车辆间进行数据传输从而降低时延。在100km/s速度下，即便是LTE网络也能把时延从30-60ms降低到17ms。

另一类关键业务型服务，则是工业自动化控制。工业4.0环境下，遍布传感器和机器人的厂房、操作间、码头等地方，都需要数据连接，而且工业领域对可靠性、时延都非常敏感。

面向用途之外，对于运营商和网络生态链来说，5G都是效率更高且志在必行的。5G当中，为了应对高频信号的衰减问题，提出了天线阵列和束波成型技术，让信号指向性地发射，提高信号利用率并降低了对周边电磁空间的干扰。

5G里还涉及到了共享频谱的概念，这个在LTE演进的过程中，骁龙X20调制解调器当中的CBRS就是当中的一个例子。5G需要极高的带宽需求，但往往单个运营商是很难拿到数百MHz的带宽，也不是所有地区都有这么宽的带宽可用。

通过共享频谱，几个运营商可以共享部分频段以拓宽带宽。此外，对于基站来说，为了应对突发状况，基站要留25%余量，其平时网络数据量在15-20%之间，共享频谱可以有效提升基站利用率，算是通讯领域的共享经济。

难点重重，5G路上的披荆斩棘

虽然5G 的未来很美好，但它仍然是个仍未完全确立的标准，还有不少技术难题有待解决。在每个重点的技术点上，几乎都有相应的技术难点。最本初的，需要让毫米波更加适用于移动通讯，这首先得应对毫米波高频衰减快的问题，需要波束成型技术提高信号发射效率，随后就会遇到快速波束追踪、快接入点波束切换等多种难题。

为了提升速度，需要正交频分多路复用（OFDM）的可扩展波形、基于互易性的多用户多输入多输出（MIMO）技术。为了提升信息密度，需要更先进的LDPC信道编码，需要根据需求迅速变换上下行带宽分配的自适应独立TDD子帧和全新灵活的低时延时隙结构。

在拓宽带宽，进行MIMO操作时，需要合并授权、非授权和共享频谱，并横跨从低频段（6GHz以下）到毫米波高频段范围的可用频谱。除了技术之外，还需要标准制定方的巨大的号召力，才能让原授权方进行共享。

而多用户多输入多输出的MIMO技术配合毫米波之后，天线配合波长变小后，需要大规模的天线阵列。相对应的，基站端也得从原来的单扇区2/4根大天线，变成128甚至256根天线的天线阵列，且基站布置密度需要大幅提升。而好消息是，天线变小之后就可以在很小的面积布置天线阵列，即便无法向高通的毫米波原型那样，在一分钱硬币中放入24根天线，其体积也不会太大，可以容易地融入建筑和其他公共场合。

毫米波的另外一个挑战，是其在RF射频前端中功率放大的效率很低，以前6GHz频段下可以做到70%-90%效率，现在的效率还低于20%，这会导致移动设备发射/上传信号时功率过高，带来续航和发热的问题。强如高通，也花了近一年的时间，让骁龙 X50 5G调制解调器从原来面向固定接入点，变成面向移动设计的产品。

此外，4G LTE和5G新空口，它们是同时演进的技术，早期阶段肯定会出现类似现在2/3/4G相互交融类似的情况，调制解调器需要提供新的“全网通”能力。而5G又是囊括智能终端、可穿戴设备和物联网的大一统连接方式，还得考虑垂直兼容等问题。

提前10多年的投入 高通的先发优势

发展到5G，网络制式已经不是一两家大厂商就能决定的事情，但注定少不了高通这个主导2G和3G时代的玩家，高通也是最可能主导5G标准的厂商。高通的商业模式是商业模式是对行业发展进行早期预判并确立标准。预判未来10到15年后需要的技术，这种前瞻性，需要大量前瞻性的研究、大规模和基础性的发明，这些是建立在巨大的风险、雄厚的技术、人才和财务能力之上的。

早在3G都还没部署的时候，高通已经开始了4G的基础研发。而2006年，4G还没部署的时候，高通已经在5G的研发了。系统架构、系统的编码和调制方式，是高通的专长和其一直在做的事情，通讯领域的技术积累上，地球上无出其右。现在那么多5G关键技术都和高通相关，背后是10几年的研发投入。高通在通讯领域的研发投入，超过了全球任何一家公司，过去30多年，高通的研发投入已经超过了440亿美元。

在5G核心可扩展OFDM参数、多用户大规模MIMO、独立TDD子帧、低时延时隙结构设计、LDPC信道编码等部分，高通都有大量的专利研究和成品，骁龙X16 LTE调制解调器除了移动设备外，也被网件等网络设备厂商用在路由产品上，OFDM、毫米波和大规模MIMO技术，都已经通过802.11ad产品的进行商业量产了。

高通作为3GPP组织的核心成员之一，其是 3GPP 5G New Radio (NR)标准的积极贡献者和倡导者，5G相关的大量关键技术都离不开高通的努力。而刚刚完成的首个面向移动端的5G数据连接，已经成为5G新空口 3GPP标准化的一部分了。

另外，在5G新空口规范匹配的OTA测试和互操作性测试，以及之后的组网，都离不开世界各地运营商和设备供应商。而要说合作伙伴的话，地球上也没有几家厂商能和高通这种顶端的上游供应商相提并论了。

调制解调器和射频前端的领先优势，对5G至关重要，这些同样是高通本来的强项。另外，5G刚开始部署的时候，肯定会需要和4G进行大规模组网，调制解调器需要提供优秀的4G LTE连接能力，按照高通现在领先对手2-3代的节奏，5G到来之后，极有可能还是高通的主场。

网友早就戏言，网络才是马洛斯需求金字塔最低端的部件。如今大半个人类文明都建立在了网络的基础上，5G作为移动网络的下一个变革，其意义再怎么强调也不为过。在5G即将成为功能众多的统一连接构架的情况下，高通的宣传语或许很快会成为现实：过去30年我们连接了人与人，未来30年我们将连接万物。