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5G与下一代移动通信对政策与竞争的启示

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来源: 作者: 2018-11-29 14:44:52

世界各国的产业界、学术界以及政府部门都在发展下一代无线络技术上投入了大量的精力。5G代表了独一无二的机会,囊括了诸多先进技术,并对无线络的承载能力和适应性进行了大幅扩展。5G络不是专供移动宽带之用,它应是一套高速连接多种不同设备的络系统。

美国信息技术与创新基金会(ITIF)的本篇报告将讨论5G络以及其在潜在部署与竞争引入方面会为通信市场带来什么。除此之外报告给出了一些政策制定的建议。

(一) 无线络的历史发展

在讨论无线络将向何方发展之前,我们需要理清其发展历史以及当前发展状态,从而构建一个共同的讨论基础。

1.关于分代

对移动通信演变的讨论就是将各种技术划归到不同的“代”中。第一代移动通信技术如今看来十分落后,主要关注单纯的基础语音服务,由模拟信号传输数据。第二代移动通信技术仍然只关注语音服务,但标准数字信号取代了模拟信号。第三代移动通信技术超越了单纯的语音通信,引入了数据服务、多媒体、短信息以及有限的互联访问。直到进入第四代(4G)之后,移动通信才有了以完整互联协议为基础的数据服务规范。当前的4G协议LTE是为移动宽带连接而设计,是当今主流通信行业标准。

到目前为止第五代通信技术(5G)尚未被定义,但可以肯定,对5G的定义绝非一份简单的标准就可以完成的。

2.当前的挑战

设计4G络主要为解决移动宽带连接,5G则允许工程师们寻找移动互联外更多新的用途。

5G的发展是由当今络面临的挑战驱动的。这些挑战可以大致划分为主要满足人类的新需求还是机器用户的新需求。5G的应用场景可以划分为三类:增强移动宽带;物联(IoT);关键基础设施或公共安全。

1)人类用户——增强移动宽带

对于人类用户,更大的络容量与更少的延迟是提升用户体验的关键。移动数据流量的需求将持续上升,思科的视觉络指数预测,全球的移动数据流量在2015到2020年间将增长8倍。

移动运营商为增大数据流量、提升络速度能采取的措施十分有限。首先是考虑信号频段,信号频段是限制无线络容量的重要因素,但频段分配是一个漫长且困难的过程,需要国会立法、FCC授权,而且使用新的频段需要对设备进行升级,费用十分昂贵。另一个可以提升无线络整体容量的方法是提升频段效率,但其存在边界限制,而且我们的工程师目前已经很接近这一边界。此外,频段的重新利用也曾被运营商用来提升络容量,但这一方法同样面临巨额资金、设备投入,同样受到限制。

2)机器用户——大规模物联

机械设备间的络连接种类远比人类用户使用的连接种类多,这类连接通常只传输很少量的数据,但需要持续传输。随着物联的发展,需要接入络的设备数量急剧升高,这样的大规模物联需要进行大量的实时通信,另外能源效率也是物联发展面临的挑战之一,安装远离电源线路、可长时间使用的传感器需要尽可能长的电池寿命。各种物联设备需求不一,5G络应该能够应对不同设备,有更高适应性。

3)关键通信与公众安全

构想中5G络的另一重要用途是关键通信,这些通信任务对络可靠度依赖度很高,可能用来提升公众安全服务。公众安全领域将会是下一代无线络技术的重要应用。我们已经远离公用的时代,移动通信设备逐渐转变为公众安全的保证途径之一。因此5G络必须具有足够的可靠性和稳健性。

图 1 5G发展三大领域

5G还将是支持自动驾驶汽车的重要工具,预测显示,2025年无人驾驶汽车将为5G络贡献300万客户。

3.5G目标——确立基准

为了满足以上人们所设定的5G络用途,络需要达到若干个基准。在络容量方面,联合国国际电信联盟(ITU)提出的基准是,峰值下载速度达到20Gbps,每个用户都能保证有100Mbps的下载速度。络延迟是指信息在络系统中传输的时间,这也是5G络关注的重点。举例来说,云应用要求络延迟在100毫秒以内,语音呼叫要求络延迟在150毫秒会比较流畅。如今人机实时交互的应用越来越多,这些都对5G的低延迟性提出要求。物联也提出了特殊的要求,为保证设备的使用时间,设备的电耗应尽量低,其中自然包括通信过程中的耗电。同时,随着大量的设备接入络,用户会要求费用仅可能节省,对运营商资费设定有下行压力。

(二) 5G关键技术

从经验看,每一次互联技术换代都是一个设定标准的过程。当一个新的标准被确立之后,运营商需要更换新的设备,用户则需要更换新的终端,就像4G LTE出现时的情况,这样可以彻底与上一代通信技术划清界限。

我们向5G发展的两大趋势分别为:络基站的高密度化,以及以软件为中心的络带来的更高的灵活性,这主要涉及以下三方面的话题。

1.高频频段

5G络利用了极高频的频段,这是人们对5G络讨论最多的一点。通信频段可大致划分为低频、中频和高频三个频段。低频指1GHz以下的频段,中频指1GHz到6GHz之间的频段,目前为5G络规划的高频段是指从6GHz直到24GHz之间,这一频段的电磁波波长在毫米量级,因此又被称为毫米波。此前,这一频段范围被视为无法用于通讯,因为其传播受到极大限制,建筑物和树木都会阻碍毫米波的传播,甚至降雨都会对其产生影响。但随着天线技术的发展,这一频段的挑战逐渐被克服,使其可以被移动业务所用。

2.天线技术

高频段通信在与先进天线技术融合后才能发挥作用。天线的尺寸是与其对应通信频段频率成反比的。在研究毫米波通信时,研究人员设计了比当今使用的天线更加微小的天线,这也使得其更容易安装在设备中。另外,研究人员还利用多个天线系统传输单条信息,信息被分解为很多部分,分别经由多组不同的天线系统传输,接收后再经整合复原,这一技术被称为多输入多输出技术(MIMO),它极大地增加了设备数据吞吐量,提高了络可靠性。

3.软件络

近年来,软件定义络系统被越来越多地应用,这一技术提升了数据中心性能,提高了灵活性,更加有效地分配络资源移动屏风
。虽然技术本身看似晦涩,但这些对于络向5G的发展至关重要。

高频频段通信、先进的天线技术与灵活性更高的基于软件的络系统是5G发展道路上至关重要的技术。

目前,4G LTE技术仍将继续存在,很多相关技术尚未完全发展,这些技术成熟后4G络才能完全发挥其性能。

(三) 5G标准化进程

5G络的很多技术已经在研发进程中,这些技术将逐渐被整合到无线络系统中,此后将开展更加正规化国际化的5G络定义过程。未来两年中,ITU仍将致力于订立性能要求和评价技术领域出现的无线界面规范。同时ITU还需直接与各国政府展开合作,为区域通信技术发展创造良好的外部环境。政府的支持与政策导引对于5G发展固然重要,但是由业界主导的标准制定过程可以激励研究人员发现更多新的技术,此外还可发掘经济效益最大化的发展方向。(四) 5G环境下的合作与竞争

近些年,新的无线技术出现后往往冲击原有市场,有些技术降低了络设备部署成本,有些则需要另外投资巨额资金,例如用于高频频段通信的毫米波雷达的部署,肯定会发生巨额费用。除此之外,对于各项事宜的谈判商议需要付出高额的交易费用。元非绑定、铁塔等基础设施共享可以显著降低成本。

5G络一旦部署成功将带来巨大的经济效益与消费者红利,更会创造一个新的创新平台。这意味着率先完成5G布局的国家将获得先发优势路基箱租赁
。因此,许多国家都在争先发展5G技术,既是为了追求经济利益,也是希望成为技术发展的领头羊。这一国际竞争绝非“零和博弈”,它对于全球合作有着巨大好处,不同国家根据市场结构、国内成本特性都会找到适合自身的发展方向,这会促进国际投资。

(五) 5G政策建议

由于5G络元素仍存变数,仍在探寻技术发展方向,政府对其的监管更应该放在创造环境方面而非急于制定完整的行业政策。

频段:政策制定上唯一应率先走出的一步是对高频频段的分配。运营商应获得高频频段长期使用许可,从而保证大额投资稳健,构建更可靠的络系统。对高频频段的许可拍卖价格不应该过高,否则将阻碍对新技术的投资。而除了高频频段,中低频频段也同样重要。政府应加强对频段的综合部署、管理。

基础设施建设:5G发展初期需要大量的基础设施建设投入,多方合作可以保证资金的高效利用镀锌铁卡
,政府应对其持支持态度。比如涉及小蜂窝部署的电线杆和路灯,FCC、CTIA和各州政府等有关各方可以携手合作,协调管理。

(六) 总结

技术的可能性是一个未知的海洋,无线通信技术尤其是这样。5G络将大幅扩展络容量,技术的融合使其适应性更强,有效地提供大量的新功能。随着有线络与无线络特性逐渐重合,我们将看到更加激烈的竞争。另外,物联作为5G的延伸应用将有助于经济的垂直整合。我们对5G发展拭目以待。

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