5G的杀手级应用将是6G
2021-09-15
当前关于5G 的大部分讨论都集中在它为社会提供的潜力上：例如闪电般的下载速度、几乎没有延迟，以及虚拟现实和自动驾驶汽车等新技术和改进技术。
然而，在这些讨论背后，一个惊人的事实几乎被忽视了，那就是5G 的基本技术突破：毫米波技术、小型蜂窝密集化和大规模多输入多输出 (massive-MIMO) 天线系统正在为未来几十年的无线行业铺平道路。
随着我们进入无线认知和人性化计算时代，这些技术将共同推动无线网络的未来发展。相信在未来20 年的时间里，无线网络将以人类大脑的速度传输信息。
为了充分了解 5G 时代的革命性以及它对无线行业未来的影响，让我们先回顾一下过去的 10 年。在那段时间里，全球蜂窝网络上数据容量和数据消耗的增长远远超过了库珀定律（Cooper's law）。由工程师马丁·库珀 (Martin Cooper) 创造的“定律”最初建议蜂窝电话链路的容量大约每 30 个月增加一次（每十年增加16 倍）。
而事实上，过去多年里，平均下载速度都在服从与库珀的法律从2010年的每秒几兆比特增加至2020年的每秒约50 Mbps。然而，同一时间范围内的峰值吞吐量数据速率已扩大了 1000 倍以上，从每秒兆比特到每秒千兆比特。事实上，无线行业贸易协会CTIA已经表明，从 2010 年到 2019 年，美国蜂窝网络承载的总容量惊人地增长了 96 倍，2019 年智能手机用户平均每月消耗9.2 GB 的数据。
令人震惊的是，运载能力几乎增加了近百倍，至少在美国，过去 10 年，随着消费者接受智能手机，可用频谱仅增加了 40%。更重要的是，它发生在业界采用关键 5G 推动因素之前：小型蜂窝、毫米波频谱和 M-MIMO 天线技术。100 GHz 以上频率的大量可用频谱资源有望在未来几十年仅在美国就增加许多数量级的频谱。
就像摩尔定律在过去四十年来给处理器带来了数百万次以上的处理能力，5G的三大支柱技术将会引发爆炸式的增长，这将在未来几十年带来巨大的新能力和使用情况。5G 将支持每个用户的平均和峰值数据速率增加。这样在十年后，行业指标肯定会是今天水平的 100 倍——而且说实话，最有可能接近两三百倍。这意味着 2031 年智能手机用户的平均每月消耗可能超过 1 TB，而当今新兴 5G 网络中典型的 2 至 3 Gbps 峰值无线下载速度将在 2031 年接近每秒 1 TB 的峰值数据速率。
在美国联邦通信委员会（FCC）看到了立法需求，使无线运营商能够快速致密整个美国网络的明确需要。该机构的2018 年小型蜂窝订单使小型蜂窝成为最终将支持未来每秒太比特无线通信的三大关键技术支柱之一。
FCC在 2019 年通过其Spectrum Horizons 命令开放该频谱时，也看到了 95 GHz 以上频谱的需求和潜力。在英格兰，通信办公室(Ofcom) 跟随 FCC 的步伐，在 2020 年首次开放了 100 GHz以上的频谱，并在这个亚太赫兹区域寻求更多可用频谱。
最后，5G 的第三个技术支柱，即大规模 MIMO，将基站天线从 2×2 天线单元转变为 16×16 阵列，最终达到 64×64 阵列及更高，大大增加单个基站的容量。世界各地的运营商已经在使用时分双工技术在中频段部署大规模 MIMO（这只是意味着基站和用户之间的信号共享完全相同的频率，但在时间上间隔开，以免发生冲突）。未来几年，该技术将进入毫米波和亚太赫兹无线系统。
这就是所有这一切真正重要的原因：与流行的看法相反，宽带数据传输在毫米波和太赫兹频率下比在前四代蜂窝技术中使用的较低频率下表现更好。在 NYU Wireless，我们表明，在 6 GHz 以下和 140 GHz 频率之间，城市无线电信道的传播路径损耗在不同频率下并没有真正不同，考虑到辐射信号的第一米传播距离。这意味着一旦无线电信号到达所谓的“远场”（换句话说，超过第一米左右），频率对信号在城市和室内信道中传播时的衰减几乎没有影响- 除非恶劣的大气条件，如雨，或易于被分子共振吸收的频率。这也意味着，如今密集化蜂窝站点的大量工作将为未来运行在 100 GHz 以上的网络带来巨大收益。网络不太可能需要进一步的密集化，而且今天的 5G 新塔站点将在未来几十年内可用，而无需建造更多站点。
无线行业群体传统上认为全向天线是无线通信的标准。但是从 5G 开始，无线系统正在使用定向天线，这些天线在每个链路的移动端和基站端都具有高天线增益和窄波束宽度。随着我们转向毫米波、亚太赫兹和最终太赫兹频率，这为每个用户提供了更多而不是更少的信号强度。
此外，对于给定的行进距离，随着我们增加到毫米频率以上，无线电能量在自由空间中变得更加有损，这是一个神话。我们已经证明高达 400 GHz 左右，典型的空气每公里只有 10 db的损失。这仅仅是每 100 米仅损失 1 db，这大约是当今典型 5G 小基站的范围。即使高达 900 GHz，我们已经证明大部分频谱会遭受100dB/km 的损失，或者，对于小型蜂窝，100 米以上的损失仅为 10 db。在如此高的频率下，使用定向天线可以相对容易地弥补 10 dB。虽然雨水和树叶是有问题的，但一旦设计了 5G 蜂窝以减轻雨水对高达 70 GHz 的传输的影响，除了高达 1 THz 的频率之外，不会有进一步的退化。这再次表明，部署 5G 的努力将持续数十年。
所有这一切的结果是，当使用特定于站点的部署来避免大规模障碍物时，这些 5G 技术的额外链路增益可以抵消任何无线电信道损失。大多数事物在毫米波频率及以上变得反射，从而使定向天线有更多机会寻找和组合信号路径。这改进了射频功率预算，然后可用于提供更宽带宽的信道，与当今的无线系统相比，信道的信噪比不会恶化。
反过来，这意味着随着我们转向更宽的带宽通道和更高的载波频率，可以使用现有的 5G 塔基础设施支持更宽的带宽通道。值得注意的是，cell密集化的三大技术支柱所提供的优势，更宽的带宽信道和大规模 MIMO 将允许 5G 系统的工程和部署在未来几十年继续推进，因为在亚太赫兹和太赫兹频段上开放了更多频谱。实际上，我们在近十年前就预测到了这一点。
未来的 6G 和 7G 蜂窝网络将能够使用 5G 所需的相同蜂窝基础设施以及无线电电路和天线技术方面的相同基本突破。然而，这些蜂窝世代将以更高的数据速率实现这一目标，这将在未来几十年创造出海量的数据容量和新的用例。仅此一项就应该激励政府、资助机构、无线提供商和公民将 5G 的推出作为优先事项。
最重要的是，5G 及更高版本的强大功能也应促使行业和政府制定新的架构，如 Open RAN，以及对安全性的新重视。构建当今的 5G 网络存在着大量的机会，随着我们越来越依赖这些无形的波浪，在未来几十年中受益。
