原型验证将使5G从概念变成现实

5G无疑地将使我们的无线网路升级到从未想像过的高度，但是实现5G之路并不平坦，而是充满各种挑战。研究人员不仅要解决前所未有的无线资料传输速率要求，还要找到网路延迟和回应性的解决方案，同时将网路容量提高一千倍。除此之外，服务营运商还要求以更少的能耗来实现这些想法。

那么我们如何着手解决这些复杂的挑战？答案就在于原型，更具体地说，是能够使无线研究人员测试使用真实系统在实际场景中验证其实验性想法的5G原型。如果运用得当，这些5G原型将为企业加快产品上市的速度奠定基础。

设定新的标准

目前有大量关于5G网路的说法，3GPP等全球标准化机构最近开始致力于将5G概念转化为现实。IMT-2020、NGMN和3GPP描绘的愿景无疑是非常广泛的。5G研究人员必须建立一个架构来重新定义现有各个领域的标准——无论是汽车和轨道交通系统还是制造、能源、医疗监测。

为此，研究人员正采用新的设计方法来协助解决在随机接取网路中定义、开发和部署5G技术所面临的挑战性任务。大多数人都认识到使用传统方法来审查5G技术既耗时又耗钱。因此，在这个过程的初期建立一个原型和进行概念验证有助于加速商业化的进度。美国国家科学基金会(National Science Foundation；NSF)专案主任Thyaga Nandagopal已经注意到能够为科研提供支援的测试系统的重要性，他表示："一个灵活可变的原型对于某个概念的成功或失败起着越来越重要的作用。"

另辟新科研路径

为了缩短构建工作原型所需的时间，许多研究者都采用了包含统一设计流程的平台设计方法。 该方法从数学和模拟开始，然后将系统和工作硬体中的演算法进行映射匹配。

三星(Samsung)开发了全球首批多天线技术展示系统之一，该系统的基地台(BTS)包含了32支天线单元，称为"全尺寸多输入多输出"(FD-MIMO)。FD-MIMO使用一支2D天线网路形成一个3D通道空间。借助FD-MIMO，服务营运商可以将天线网路放置在较高的位置，如建筑物或电线杆上，并将天线波束瞄准地面或邻近建筑物的用户，持续地提供更高的资料传输速率。

瑞典隆德大学(Lund University)的研究人员将这一多天线概念提升到一个新的高度，开发了一个大规模的MIMO原型。大规模MIMO将蜂巢式基地台的天线数量增加到数百个。天线网路由低成本技术构成，直接将能量聚集在用户处，同时使用数百支天线来更加灵敏地探测来自行动设备的微弱讯号。另外，大规模MIMO(Massive MIMO)使用线性编码技术来简化基地台的处理。

增加基地台天线的数量可增强行动使用者资料体验，我们可以使用理论知识来证明大规模MIMO可显着减少基地台和行动设备消耗的功率。由于多个低成本基地台天线发射的总功率比采用单一天线的方式更低，因此基地台所消耗的功率可以降低10倍甚至更多。

根据香农(Shannon)关于通道容量的理论，资料速率的增强和容量的增加受到频谱的限制。 更多的频谱可产生更高的资料速率，协助服务营运商容纳更多的用户。因此，全球服务营运商已经为频谱支付了数十亿美元来为客户提供服务，但低于6GHz的当前可用频谱几乎已经被用尽。目前研究人员正在研究部署高于6GHz的蜂巢式网路的可能性，特别是毫米波频段。

值得注意的是，毫米波频谱资源非常丰富，而且基本上处于免授权状态，这意味着世界各地的服务营运商都可以使用这一频谱。纽约大学无线研究中心(NYU Wireless)的Ted Rappaport教授一直在研究毫米波(mmWave)作为2000年代中期以来行动网路演演路径的可能性。其开拓性的通道测量工作使得全球各地的研究人员开始重新思考毫米波行动网路不切实际或不可行的假设。

此外，诺基亚网路(Nokia Networks)的研究人员也在研究毫米波技术，并取得了令人振奋的初步成果。在2015年，Nokia Networks展示了一个可完全工作的毫米波原型，提供有史以来最快速的行动接取速率。Nokia Networks的原型由一个基地台和使用者设备组成，在73.5GHz的频率下以超过10Gbps的速率传送资料。Nokia Networks的成果为毫米波和5G描绘了一个前途光明的未来。

未来就在这里

5G提供了很多令人振奋的新可能，透过更庞大、紧密的连接来最终提高我们的生活品质，并释放出巨大的经济价值。但是如果要切实获得这些好处，研究人员需要一个更快速的原型验证方法。传统的方法通常过于昂贵且耗时甚久，而人们已经开始没有耐心了。

基于平台的设计方法提供了更快速开发的可能性，正如隆德大学、Nokia Networks、纽约大学无线研究中心和三星等机构的研究人员已经展示的那样。现在是时候加入这一创新浪潮，看看它会把我们带入什么样的新天地。