未来的数据网络

2015-10-15

CHIP新电脑 2015年10期

对于快速发展的IT行业来说，投重注于未来是比较危险的，因为如果对于未来的预测出现错误或者目标无法实现，那么后果可能很严重，甚至可以摧毁一个全球性的公司，正如我们在诺基亚和摩托罗拉身上所看到的。而目前移动通信行业正在投注一场革命，一场甚至可能影响人类文明的革命：移动通信行业正逐步构建终极无线网络，这个预期是在2020年建成的5G网络速度非常快，并且随时随地可以使用，不仅能够将所有智能手机接入网络，而且每一辆汽车、每一个电子设备和穿戴设备上的每一个传感器都可以通过5G网络彼此互连。这个计划要求对无线网络进行大规模的扩展，并对使用光纤技术的核心网络进行升级，确保它可以应付即将增加的流量。下面，CHIP将详细为大家介绍IT行业计划如何押注在未来的5G网络以及如何进行这一场豪赌。

用于所有设备的

无线网络

2020年，数十亿的人与设备将可以通过5G网络以千兆的速度通信。

毫无疑问，iPhone的推出对于智能手机、移动计算设备以及无线网络的发展起到一定的推动作用。而2020年，移动通信行业计划继续推动无线网络的发展，推出称为5G的无线网络，该网络将不仅连接智能手机，所有的设备也都可以通过无线网络芯片进行连接。今天，我们通过LTE传输移动数据，4G网络的速度似乎已经让所有用户都感觉很满意，但4G网络只是迈向未来的一步。以往，在2G（GSM）网络和3G（UMTS等）网络中，电话和数据网络是分开的，而4G网络中的电话同样是基于IP数据包通过LTE语音的数据交换实现的。因此，实际上LTE只有一个单一的网络：互联网。而5G网络就进一步扩展了这一概念：连接所有的网络设备。

按照思科等移动通信行业巨头等预测，未来5年移动网络数据流量将增加10倍。这种预测不仅基于日益增加的智能手机，更多的是由于大量的芯片设备和传感器设备经由互联网相互通信，这包括自动驾驶车辆、遥控路灯以及戴在手腕上的健身腕带等。而且，需要通过网络通信的类似“设备”才刚刚开始出现，专家们也难以预计未来将有多少这样的“设备”需要通过网络通信，对于2020年的预测，大概的数字是约500～1500亿，不只是人和设备，整个世界都将逐渐连接在一起。

5G网络路线图

到目前为止，各大院校和网络设备公司的科研部门，例如爱立信、诺基亚、三星和华为都只是有一些可以归类在5G之下的零星开发概念。2015年的年初，“下一代移动网络”（Next Generation Mobile Networks，简称NGMN）联盟开始提出5G路线图，已经开始标准化的工作。NGMN联盟成员包括网络供应商以及移动通信供应商，例如西班牙电信和沃达丰等企业。首先的计划是开发一个用于2020年的5G技术标准，目前基本的框架已经建立：网络传输速率应达到10Gb/s，响应时间应该只需1ms，必须能够每平方公里灵活地连接数10万参与者。无论是看高清电影的高流量用户还是只传输几个字节的节能型传感器，5G都必须能够兼顾。此外，5G设备必须能够使用多种不同的无线技术进行通信，因此，智能手机应该能够直接在通信期间从蓝牙无缝地切换到无线网络，用户可以完全不用考虑相关的问题。

当然，这只是愿景，在现实中还有相当多的问题没有解决，其中包括一个最基本的问题：5G无线网络在什么频率传输数据？在频段的低端彻底无望，目前各国允许用于LTE的频段空间虽然有所提高，例如德国联邦网络管理局将增加600MHz和700MHz之间的DVB-T的频率，但是这仍然是不够的。根据简称LTE-U（U代表无牌）的计划，市场领先的移动芯片厂商高通计划用5GHz的频率用于LTE。对于他们来说，除了军事目的频率，其他频率可以不受限制。AC标准的WLAN也通过5GHz频率传输数据，这是可以让该标准的无线网络有足够的带宽实现高速数据传输的唯一频率。

最终，5G网络将切换到超过5GHz的频率范围，因为也只有这个范围可以提供足够的空间用于千兆无线信号。但是，频率越高，就越易受干扰地传输信号。如果LTE在800MHz频率传输数据，那么发射塔可以覆盖几公里之遥。但如果切换到超过5GHz的频率，那么最大距离将不太可能超过百米。诺基亚也在试验通过超过70GHz的频率传输数据，目前已经有使用这种高频率的无线网络技术：IEEE 802.11ad标准的WLAN，速度可以高达7Gb/s，但它只能够覆盖十几米的距离。这是因为AD标准的WLAN通过大约60GHz的频率发送数据，因而无法穿过天花板或墙壁。对于5G网络来说，切换到超过5GHz的频率范围意味着基站必须变得更小并且更接近用户，意味着将需要大量地使用小基站。目前，小基站已经用于常规的移动通信网络很长一段时间了，主要用于加强本地信号。它们的尺寸和形状大多非常相似，类似于爱立信用于移动通信世界大会展示5G网络的装置。

高频发射

从技术角度来看，高频率也有优点，因为信号波长随着频率的增加而缩短，这将可以让终端设备的天线降低到更理想的尺寸。如果通过28GHz频率传输，终端设备只需要1.5cm左右的天线。遗憾的是，很难不受干扰地接收28GHz的信号。它强烈偏转并且反射衰减的程度比较严重，一个单独的天线不可能足够清晰地接收信号。针对此问题的解决方案被称为大规模多输入多输出（Massive MIMO），一个普通的多输入多输出（Multi-input Multi-output，简称MIMO）已经可以优化WLAN和LTE接收，但往往只能发送2～4个信号，并在同一时间并行接收。5G网络的频率之高使得移动设备能够容纳几十个小天线并通过大规模多输入多输出传输更多的信号，不过，从来自华为和瑞典隆德大学的第一个原型来看，还有很多小型化领域的工作要做。其他相关的概念刚刚开始实施，同样有许多问题需要解决，如在一组微小的天线中信号定向和入射角的问题。

高频率和小基站的组合非常适合未来服务的要求，因为很多时候可靠性和快速的响应时间比高数据传输速率更重要，如在高速公路的自动驾驶，由电脑控制的车辆将彼此经由路边的小基站通信，这种设备与设备（Device2Device）的通信目前已经在LTE标准的新版本中实现。对于传输实时视觉信号的所谓“触觉互联网”应用，可靠性和快速的响应时间同样重要，例如，德国德累斯顿工业大学5G实验室目前的工作项目是一个通过远程控制设备结合一副虚拟现实护目镜并通过网络远程控制救援机器人或者急诊医生执行远程手术的项目。

相关信息

10倍的数据量

网络设备供应商思科公司在其移动通信预测报告中预测，无线网络中传输的数据量将提高10倍以上。

新的无线网络将在5年内开始

许多大型设备供应商和网络服务供应商是下一代移动网络联盟的一部分，该联盟已提出了一完善5G标准的路线图，将在2020年开始实施。

更高的频率和更多的带宽

5G网络需要千兆带宽的数据传输速率，为了实现这个目的，需要使用有大量空间的频率，唯一的可能是使用更高的频率，因为较低频率已经非常杂乱。

第一个千兆无线原型

领先的设备提供商爱立信已经制作了第一个原型，开发了庞大的5G试验装置1以及匹配的发射器单元2。

相关信息

数百条天线的

MIMO

5G网络在高频发送信号，这意味着距离很短。由于波长小，所以最佳的天线尺寸也很小。这使得在一个接收装置中可以安装数百条天线，以增加传输范围。隆德大学已经研制了一个原型。

5G网络中的新应用

5G网络不仅可以让我们通过网络对话，而且自动驾驶汽车也可以相互通信1。同时，还可以传输实时的视觉等信息，实现所谓的“触觉互联网”，人们可以像德国5G实验室一样远程控制设备2。

5G网络闪电般的响应速度以及光纤网络的上网速度，极大地扩展了网络通信的应用。

速度更快的光纤

5G无线网络的实现离不开核心网络的升级，新的光纤技术数据吞吐量将会大幅度提高。

规划中的5G网络不仅引起了人们对未来无线网络技术可行性问题的探讨，而且核心网络的性能是否能够得到保证也是需要探讨的问题，这里所说的核心网络也就是5G网络通过电缆远距离连接各个本地基站的部分。思科已经对需要的光纤传输数据量进行了预测：2018年核心网络的数据量将增加3倍，其中约有40%来自通过电缆连接的个人电脑，其余部分将来自于5G网络的新参与者：智能手机、平板电脑和其他的各种联网设备。如果核心网络没有进行扩展，那么5G网络的梦想必然会落空。与无线网络频率不同，光纤网络有足够的高频带宽可以用于光波：目前，光纤远距离传输每个100GHz宽的通道速率可以高达100Gb/s，波长在1260nm～1675nm之间。由于一根光纤电缆能以96通道同时通过波分复用，所以可以实现最高速率为9.6Tb/s的惊人速度。

突破光波范围

然而，这只是当前技术可以达到的极限，并不是那么容易达到的。在欧洲，欧盟委员会的目标是到2020年达到1000Tb/s的传输速率才能够满足未来宽带的需求。不过，这个雄心勃勃的目标以目前的技术是无法实现的，尤其是核心网络需要跨越几公里长的距离。如上所述，如此大的距离，一根光纤电缆能够清晰地传输信号，其速度的极限是9.6Tb/s。虽然可以使用多个光信号并行传输的多模和多芯光纤来提高传输速率，但是它们的工作距离只有几米。在更长的距离，这些并行传输的信号将互相干扰。在多模光纤中，并行传输的光波被以不同的角度发送，使它们反映在不同的纤维壁上，并由接收方在收到时加以区分。多模光纤电缆可以提供80～100个不同的模式，为此，纤芯中传导的光需要提高到50μm～100μm。而另一方面，多芯光纤电缆则具有若干条单独的光纤维，每条光纤维的直径约为8μm～10μm。由于直径超过0.2mm的光纤电缆已被证明是过于脆弱，多芯光纤电缆中的光纤维数量不能任意增加，因而多芯光纤电缆光纤维将会受到光纤电缆直径和信号的干扰限制。在实验室中虽然一根多芯光纤电缆可以容纳12～19条纤维，但对于大范围的实验多芯光纤电缆通常只容纳7条纤维。

研究机构和相关企业正试图进一步优化多芯光纤和多模光纤以支持更长的距离，应对不断上升的数据吞吐量。2014年夏天，国际高速光通信组织使用日本电信NTT公司的光纤电缆，将速度纪录刷新到43Tb/s，这里使用的是一种容纳7条纤维的多芯光纤电缆。几个月后，来自荷兰和美国的一个国际研究小组公布的新研究成果再一次将该纪录刷新至255Tb/s。他们采用的是一种不同类型组合的电缆，所使用的多芯光纤电缆同样只有7条纤维，但每条纤维可以通过3种模式发送数据，每一条纤维的周围通过小孔保护发送的光信号。以往，很少多模和多芯电缆的组合能够在1km的距离并行传输21组信号。

光纤MIMO技术

这种在同一频率同时经由多模和多芯电缆传输多个信号的光传输技术复用方式称为空分复用（Space Division Multiplexing，简称SDM），它的原理类似于WLAN和LTE的MIMO。SDM可取代两个旧方法：时分复用（Time-Division Multiplexing，简称TDM）和波分复用（wavelength-division multiplexing，简称WDM）技术。TDM可以根据时间划分成多个时隙供多个低速信道轮流使用，WDM能够将频率分割成多个通道（颜色），从而数据可在不同的频率同时进行发送。各个通道由激光器负责一种颜色，以不同波长发送并保持一定的距离，使得它们不会互相干扰。正常情况下，在实现255Tb/s的速度记录时，它们的峰值将保持在50GHz～100GHz之间。2014年，测试表明这种光纤技术可以成功跨越数百公里，如果在同一频率范围内能容纳更多的WDM信道，那么就可以实现更长距离的传输。网络设备公司阿尔卡特朗讯与英国电信现场测试过程中将信号峰值降低到35GHz～50GHz之间，这将使得255Tb/s的速度记录有可能从255Tb/s刷新到365Tb/s。

如果要实现5G网络，仅仅提高核心网络的带宽是不够的，还需要优化数据的传输。无源光网络（passive optical network，简称PON）将肩负这一重任，千兆无源光网络（gigabit passive optical network，简称GPON）负责将传入信号经由TDM传送到各终端设备。在只使用TDM的情况下，通常各个用户的连接速率只有10Gb/s。通过增加TDM并行发送信号通道，可以显著提高这一速度。根据输出设备的不同，还可以定义这些信道的频率范围。更高的频率意味着更高的数据传输速率和更短传输范围。2015年2月，华为测试了这样的WDMPON并将其集成到LTE网络。该WDMPON具有32个信道，每个信道能以10Gb/s的速度将数据发送到终端设备。多个通道的捆绑可以大幅提高数据传输速率，为终端客户提高足够快的传输速率。对于5G网络来说这些都是必不可少的，否则未来的5G无线网络将因为核心网络的问题而受挫，NGMN在2020年将无法获得它的赌注。

相关信息

光纤电缆的物理结构

光在核心玻璃中传送，核心玻璃具有比表层玻璃更高的折射率，因此光可以几乎无损耗地行进，是否可以同时发送多少个光信号取决于电缆的类型。