未來的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

對于快速發(fā)展的IT行業(yè)來說，投重注于未來是比較危險的，因為如果對于未來的預(yù)測出現(xiàn)錯誤或者目標(biāo)無法實現(xiàn)，那么后果可能很嚴重，甚至可以摧毀一個全球性的公司，正如我們在諾基亞和摩托羅拉身上所看到的。而目前移動通信行業(yè)正在投注一場革命，一場甚至可能影響人類文明的革命：移動通信行業(yè)正逐步構(gòu)建終極無線網(wǎng)絡(luò)，這個預(yù)期是在2020年建成的5G網(wǎng)絡(luò)速度非?？欤⑶译S時隨地可以使用，不僅能夠?qū)⑺兄悄苁謾C接入網(wǎng)絡(luò)，而且每一輛汽車、每一個電子設(shè)備和穿戴設(shè)備上的每一個傳感器都可以通過5G網(wǎng)絡(luò)彼此互連。這個計劃要求對無線網(wǎng)絡(luò)進行大規(guī)模的擴展，并對使用光纖技術(shù)的核心網(wǎng)絡(luò)進行升級，確保它可以應(yīng)付即將增加的流量。下面，CHIP將詳細為大家介紹IT行業(yè)計劃如何押注在未來的5G網(wǎng)絡(luò)以及如何進行這一場豪賭。

用于所有設(shè)備的

無線網(wǎng)絡(luò)

2020年，數(shù)十億的人與設(shè)備將可以通過5G網(wǎng)絡(luò)以千兆的速度通信。

毫無疑問，iPhone的推出對于智能手機、移動計算設(shè)備以及無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到一定的推動作用。而2020年，移動通信行業(yè)計劃繼續(xù)推動無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，推出稱為5G的無線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將不僅連接智能手機，所有的設(shè)備也都可以通過無線網(wǎng)絡(luò)芯片進行連接。今天，我們通過LTE傳輸移動數(shù)據(jù)，4G網(wǎng)絡(luò)的速度似乎已經(jīng)讓所有用戶都感覺很滿意，但4G網(wǎng)絡(luò)只是邁向未來的一步。以往，在2G（GSM）網(wǎng)絡(luò)和3G（UMTS等）網(wǎng)絡(luò)中，電話和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是分開的，而4G網(wǎng)絡(luò)中的電話同樣是基于IP數(shù)據(jù)包通過LTE語音的數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)的。因此，實際上LTE只有一個單一的網(wǎng)絡(luò)：互聯(lián)網(wǎng)。而5G網(wǎng)絡(luò)就進一步擴展了這一概念：連接所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

按照思科等移動通信行業(yè)巨頭等預(yù)測，未來5年移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量將增加10倍。這種預(yù)測不僅基于日益增加的智能手機，更多的是由于大量的芯片設(shè)備和傳感器設(shè)備經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)相互通信，這包括自動駕駛車輛、遙控路燈以及戴在手腕上的健身腕帶等。而且，需要通過網(wǎng)絡(luò)通信的類似“設(shè)備”才剛剛開始出現(xiàn)，專家們也難以預(yù)計未來將有多少這樣的“設(shè)備”需要通過網(wǎng)絡(luò)通信，對于2020年的預(yù)測，大概的數(shù)字是約500～1500億，不只是人和設(shè)備，整個世界都將逐漸連接在一起。

5G網(wǎng)絡(luò)路線圖

到目前為止，各大院校和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備公司的科研部門，例如愛立信、諾基亞、三星和華為都只是有一些可以歸類在5G之下的零星開發(fā)概念。2015年的年初，“下一代移動網(wǎng)絡(luò)”（Next Generation Mobile Networks，簡稱NGMN）聯(lián)盟開始提出5G路線圖，已經(jīng)開始標(biāo)準化的工作。NGMN聯(lián)盟成員包括網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商以及移動通信供應(yīng)商，例如西班牙電信和沃達豐等企業(yè)。首先的計劃是開發(fā)一個用于2020年的5G技術(shù)標(biāo)準，目前基本的框架已經(jīng)建立：網(wǎng)絡(luò)傳輸速率應(yīng)達到10Gb/s，響應(yīng)時間應(yīng)該只需1ms，必須能夠每平方公里靈活地連接數(shù)10萬參與者。無論是看高清電影的高流量用戶還是只傳輸幾個字節(jié)的節(jié)能型傳感器，5G都必須能夠兼顧。此外，5G設(shè)備必須能夠使用多種不同的無線技術(shù)進行通信，因此，智能手機應(yīng)該能夠直接在通信期間從藍牙無縫地切換到無線網(wǎng)絡(luò)，用戶可以完全不用考慮相關(guān)的問題。

當(dāng)然，這只是愿景，在現(xiàn)實中還有相當(dāng)多的問題沒有解決，其中包括一個最基本的問題：5G無線網(wǎng)絡(luò)在什么頻率傳輸數(shù)據(jù)？在頻段的低端徹底無望，目前各國允許用于LTE的頻段空間雖然有所提高，例如德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)管理局將增加600MHz和700MHz之間的DVB-T的頻率，但是這仍然是不夠的。根據(jù)簡稱LTE-U（U代表無牌）的計劃，市場領(lǐng)先的移動芯片廠商高通計劃用5GHz的頻率用于LTE。對于他們來說，除了軍事目的頻率，其他頻率可以不受限制。AC標(biāo)準的WLAN也通過5GHz頻率傳輸數(shù)據(jù)，這是可以讓該標(biāo)準的無線網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ活l率。

最終，5G網(wǎng)絡(luò)將切換到超過5GHz的頻率范圍，因為也只有這個范圍可以提供足夠的空間用于千兆無線信號。但是，頻率越高，就越易受干擾地傳輸信號。如果LTE在800MHz頻率傳輸數(shù)據(jù)，那么發(fā)射塔可以覆蓋幾公里之遙。但如果切換到超過5GHz的頻率，那么最大距離將不太可能超過百米。諾基亞也在試驗通過超過70GHz的頻率傳輸數(shù)據(jù)，目前已經(jīng)有使用這種高頻率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：IEEE 802.11ad標(biāo)準的WLAN，速度可以高達7Gb/s，但它只能夠覆蓋十幾米的距離。這是因為AD標(biāo)準的WLAN通過大約60GHz的頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，因而無法穿過天花板或墻壁。對于5G網(wǎng)絡(luò)來說，切換到超過5GHz的頻率范圍意味著基站必須變得更小并且更接近用戶，意味著將需要大量地使用小基站。目前，小基站已經(jīng)用于常規(guī)的移動通信網(wǎng)絡(luò)很長一段時間了，主要用于加強本地信號。它們的尺寸和形狀大多非常相似，類似于愛立信用于移動通信世界大會展示5G網(wǎng)絡(luò)的裝置。

高頻發(fā)射

從技術(shù)角度來看，高頻率也有優(yōu)點，因為信號波長隨著頻率的增加而縮短，這將可以讓終端設(shè)備的天線降低到更理想的尺寸。如果通過28GHz頻率傳輸，終端設(shè)備只需要1.5cm左右的天線。遺憾的是，很難不受干擾地接收28GHz的信號。它強烈偏轉(zhuǎn)并且反射衰減的程度比較嚴重，一個單獨的天線不可能足夠清晰地接收信號。針對此問題的解決方案被稱為大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MIMO），一個普通的多輸入多輸出（Multi-input Multi-output，簡稱MIMO）已經(jīng)可以優(yōu)化WLAN和LTE接收，但往往只能發(fā)送2～4個信號，并在同一時間并行接收。5G網(wǎng)絡(luò)的頻率之高使得移動設(shè)備能夠容納幾十個小天線并通過大規(guī)模多輸入多輸出傳輸更多的信號，不過，從來自華為和瑞典隆德大學(xué)的第一個原型來看，還有很多小型化領(lǐng)域的工作要做。其他相關(guān)的概念剛剛開始實施，同樣有許多問題需要解決，如在一組微小的天線中信號定向和入射角的問題。

高頻率和小基站的組合非常適合未來服務(wù)的要求，因為很多時候可靠性和快速的響應(yīng)時間比高數(shù)據(jù)傳輸速率更重要，如在高速公路的自動駕駛，由電腦控制的車輛將彼此經(jīng)由路邊的小基站通信，這種設(shè)備與設(shè)備（Device2Device）的通信目前已經(jīng)在LTE標(biāo)準的新版本中實現(xiàn)。對于傳輸實時視覺信號的所謂“觸覺互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用，可靠性和快速的響應(yīng)時間同樣重要，例如，德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)5G實驗室目前的工作項目是一個通過遠程控制設(shè)備結(jié)合一副虛擬現(xiàn)實護目鏡并通過網(wǎng)絡(luò)遠程控制救援機器人或者急診醫(yī)生執(zhí)行遠程手術(shù)的項目。

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10倍的數(shù)據(jù)量

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商思科公司在其移動通信預(yù)測報告中預(yù)測，無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量將提高10倍以上。

新的無線網(wǎng)絡(luò)將在5年內(nèi)開始

許多大型設(shè)備供應(yīng)商和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商是下一代移動網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟的一部分，該聯(lián)盟已提出了一完善5G標(biāo)準的路線圖，將在2020年開始實施。

更高的頻率和更多的帶寬

5G網(wǎng)絡(luò)需要千兆帶寬的數(shù)據(jù)傳輸速率，為了實現(xiàn)這個目的，需要使用有大量空間的頻率，唯一的可能是使用更高的頻率，因為較低頻率已經(jīng)非常雜亂。

第一個千兆無線原型

領(lǐng)先的設(shè)備提供商愛立信已經(jīng)制作了第一個原型，開發(fā)了龐大的5G試驗裝置1以及匹配的發(fā)射器單元2。

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數(shù)百條天線的

MIMO

5G網(wǎng)絡(luò)在高頻發(fā)送信號，這意味著距離很短。由于波長小，所以最佳的天線尺寸也很小。這使得在一個接收裝置中可以安裝數(shù)百條天線，以增加傳輸范圍。隆德大學(xué)已經(jīng)研制了一個原型。

5G網(wǎng)絡(luò)中的新應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)不僅可以讓我們通過網(wǎng)絡(luò)對話，而且自動駕駛汽車也可以相互通信1。同時，還可以傳輸實時的視覺等信息，實現(xiàn)所謂的“觸覺互聯(lián)網(wǎng)”，人們可以像德國5G實驗室一樣遠程控制設(shè)備2。

5G網(wǎng)絡(luò)閃電般的響應(yīng)速度以及光纖網(wǎng)絡(luò)的上網(wǎng)速度，極大地擴展了網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用。

速度更快的光纖

5G無線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)離不開核心網(wǎng)絡(luò)的升級，新的光纖技術(shù)數(shù)據(jù)吞吐量將會大幅度提高。

規(guī)劃中的5G網(wǎng)絡(luò)不僅引起了人們對未來無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可行性問題的探討，而且核心網(wǎng)絡(luò)的性能是否能夠得到保證也是需要探討的問題，這里所說的核心網(wǎng)絡(luò)也就是5G網(wǎng)絡(luò)通過電纜遠距離連接各個本地基站的部分。思科已經(jīng)對需要的光纖傳輸數(shù)據(jù)量進行了預(yù)測：2018年核心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量將增加3倍，其中約有40%來自通過電纜連接的個人電腦，其余部分將來自于5G網(wǎng)絡(luò)的新參與者：智能手機、平板電腦和其他的各種聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。如果核心網(wǎng)絡(luò)沒有進行擴展，那么5G網(wǎng)絡(luò)的夢想必然會落空。與無線網(wǎng)絡(luò)頻率不同，光纖網(wǎng)絡(luò)有足夠的高頻帶寬可以用于光波：目前，光纖遠距離傳輸每個100GHz寬的通道速率可以高達100Gb/s，波長在1260nm～1675nm之間。由于一根光纖電纜能以96通道同時通過波分復(fù)用，所以可以實現(xiàn)最高速率為9.6Tb/s的驚人速度。

突破光波范圍

然而，這只是當(dāng)前技術(shù)可以達到的極限，并不是那么容易達到的。在歐洲，歐盟委員會的目標(biāo)是到2020年達到1000Tb/s的傳輸速率才能夠滿足未來寬帶的需求。不過，這個雄心勃勃的目標(biāo)以目前的技術(shù)是無法實現(xiàn)的，尤其是核心網(wǎng)絡(luò)需要跨越幾公里長的距離。如上所述，如此大的距離，一根光纖電纜能夠清晰地傳輸信號，其速度的極限是9.6Tb/s。雖然可以使用多個光信號并行傳輸?shù)亩嗄：投嘈竟饫w來提高傳輸速率，但是它們的工作距離只有幾米。在更長的距離，這些并行傳輸?shù)男盘枌⒒ハ喔蓴_。在多模光纖中，并行傳輸?shù)墓獠ū灰圆煌慕嵌劝l(fā)送，使它們反映在不同的纖維壁上，并由接收方在收到時加以區(qū)分。多模光纖電纜可以提供80～100個不同的模式，為此，纖芯中傳導(dǎo)的光需要提高到50μm～100μm。而另一方面，多芯光纖電纜則具有若干條單獨的光纖維，每條光纖維的直徑約為8μm～10μm。由于直徑超過0.2mm的光纖電纜已被證明是過于脆弱，多芯光纖電纜中的光纖維數(shù)量不能任意增加，因而多芯光纖電纜光纖維將會受到光纖電纜直徑和信號的干擾限制。在實驗室中雖然一根多芯光纖電纜可以容納12～19條纖維，但對于大范圍的實驗多芯光纖電纜通常只容納7條纖維。

研究機構(gòu)和相關(guān)企業(yè)正試圖進一步優(yōu)化多芯光纖和多模光纖以支持更長的距離，應(yīng)對不斷上升的數(shù)據(jù)吞吐量。2014年夏天，國際高速光通信組織使用日本電信NTT公司的光纖電纜，將速度紀錄刷新到43Tb/s，這里使用的是一種容納7條纖維的多芯光纖電纜。幾個月后，來自荷蘭和美國的一個國際研究小組公布的新研究成果再一次將該紀錄刷新至255Tb/s。他們采用的是一種不同類型組合的電纜，所使用的多芯光纖電纜同樣只有7條纖維，但每條纖維可以通過3種模式發(fā)送數(shù)據(jù)，每一條纖維的周圍通過小孔保護發(fā)送的光信號。以往，很少多模和多芯電纜的組合能夠在1km的距離并行傳輸21組信號。

光纖MIMO技術(shù)

這種在同一頻率同時經(jīng)由多模和多芯電纜傳輸多個信號的光傳輸技術(shù)復(fù)用方式稱為空分復(fù)用（Space Division Multiplexing，簡稱SDM），它的原理類似于WLAN和LTE的MIMO。SDM可取代兩個舊方法：時分復(fù)用（Time-Division Multiplexing，簡稱TDM）和波分復(fù)用（wavelength-division multiplexing， 簡稱WDM）技術(shù)。TDM可以根據(jù)時間劃分成多個時隙供多個低速信道輪流使用，WDM能夠?qū)㈩l率分割成多個通道（顏色），從而數(shù)據(jù)可在不同的頻率同時進行發(fā)送。各個通道由激光器負責(zé)一種顏色，以不同波長發(fā)送并保持一定的距離，使得它們不會互相干擾。正常情況下，在實現(xiàn)255Tb/s的速度記錄時，它們的峰值將保持在50GHz～100GHz之間。2014年，測試表明這種光纖技術(shù)可以成功跨越數(shù)百公里，如果在同一頻率范圍內(nèi)能容納更多的WDM信道，那么就可以實現(xiàn)更長距離的傳輸。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備公司阿爾卡特朗訊與英國電信現(xiàn)場測試過程中將信號峰值降低到35GHz～50GHz之間，這將使得255Tb/s的速度記錄有可能從255Tb/s刷新到365Tb/s。

如果要實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)，僅僅提高核心網(wǎng)絡(luò)的帶寬是不夠的，還需要優(yōu)化數(shù)據(jù)的傳輸。無源光網(wǎng)絡(luò)（passive optical network，簡稱PON）將肩負這一重任，千兆無源光網(wǎng)絡(luò)（gigabit passive optical network，簡稱GPON）負責(zé)將傳入信號經(jīng)由TDM傳送到各終端設(shè)備。在只使用TDM的情況下，通常各個用戶的連接速率只有10Gb/s。通過增加TDM并行發(fā)送信號通道，可以顯著提高這一速度。根據(jù)輸出設(shè)備的不同，還可以定義這些信道的頻率范圍。更高的頻率意味著更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更短傳輸范圍。2015年2月，華為測試了這樣的WDMPON并將其集成到LTE網(wǎng)絡(luò)。該WDMPON具有32個信道，每個信道能以10Gb/s的速度將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端設(shè)備。多個通道的捆綁可以大幅提高數(shù)據(jù)傳輸速率，為終端客戶提高足夠快的傳輸速率。對于5G網(wǎng)絡(luò)來說這些都是必不可少的，否則未來的5G無線網(wǎng)絡(luò)將因為核心網(wǎng)絡(luò)的問題而受挫，NGMN在2020年將無法獲得它的賭注。

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光纖電纜的物理結(jié)構(gòu)

光在核心玻璃中傳送，核心玻璃具有比表層玻璃更高的折射率，因此光可以幾乎無損耗地行進，是否可以同時發(fā)送多少個光信號取決于電纜的類型。

光纖電纜的變種

單芯電纜可以提供良好的信號長距離，多模和多芯電纜可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，但傳輸距離一般只有幾米，更長距離的傳輸，信號將互相干擾。

多模和多芯電纜組合

2014年，一個國際研究小組成功地將光纖最大數(shù)據(jù)傳輸速率提升到255Tb/s，他們使用了一種包含7條纖維的多芯光纖電纜，每條纖維以3種模式傳輸，纖維的周圍有細小的氣孔保護信號。

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發(fā)送光信號的復(fù)用技術(shù)

時分復(fù)用（TDM）劃分成多個時隙供多個低速信道輪流使用，更有效的波分復(fù)用技術(shù)（WDM）能夠?qū)㈩l率分割成多個顏色通道，可以在不同的頻率同時發(fā)送信號。

使用較窄的通道

WDM通道之間距離50GHz和100GHz，在2014年英國電信現(xiàn)場測試過程中將距離減少到35GHz，這可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

每個端口都獲得適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)速率

千兆無源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）現(xiàn)在可以通過TDM發(fā)送數(shù)據(jù)，未來，WDM PON將做到為每個場景提供不同的數(shù)據(jù)速率。