自從第一個蜂窩網路出現以來，大約每十年左右，製造移動裝置的公司和連線它們的網路都會制定新的需求，定義傳輸速度、容量和其他技術特性。每一組新的需求都被稱為最新的“代際”。
當今的第四代，或 4G，無線數字網路使智慧手機和平板電腦能夠以每秒數百萬位元的頻寬進行語音和資料通訊。具體的資料速度因運營商而異，但大多數網路都允許使用者在不到 10 分鐘的時間內下載包含完整電影的檔案——大小超過 1GB。
下一代——5G 無線技術——必須在效能上實現巨大的飛躍，以處理激增的行動網路流量，其中大部分將是大型多媒體檔案。根據思科系統公司最新的視覺網路指數 (VNI)，2014 年至 2019 年間，全球移動資料流量將增長 10 倍，到 2019 年全球每月將達到 24.3 艾位元組。（一個艾位元組是十億吉位元組。）
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
5G 的細節離最終確定還很遙遠，但預計它將提供比當前 4G 長期演進 (LTE) 無線通訊標準快 40 倍的網際網路連線，並且在全球範圍內至少具有四倍的覆蓋範圍。即使沒有 5G 的明確定義，測試也在進行中或正在籌備中，地點包括芬蘭、俄羅斯和韓國。
正在考慮的最有前景的潛在 5G 技術之一是使用高頻訊號——在毫米波頻段——這可以分配更多頻寬來提供更快、更高質量的影片和多媒體內容。其他研究方向旨在使單個移動裝置能夠同時連線到多個無線網路，以提高連線性和速度。
穆斯塔法·岑克·古爾索伊，雪城大學工程與計算機科學學院的副教授，以及俄亥俄州立大學的研究人員已獲得美國國家科學基金會約 678,000 美元的資助，用於研究在未來三年內更有效地訪問無線電頻譜的方法。*《大眾科學》與古爾索伊討論了 5G 的需求以及毫米波頻率可能發揮的作用。
[以下是經過編輯的採訪記錄。]
為什麼我們需要新的無線標準？
新標準背後的動機是無線技術的指數級增長。我們談論的是數十億使用者、數十億裝置和數十億連線。這是新標準必須解決的問題，因為 4G 不足以有效地處理如此大的增長，其中大部分是由於移動影片流量。智慧手機、平板電腦、社交網站和影片共享網站已幫助移動影片流量佔所有移動流量的一半以上。
最重要的是，人們對無線服務抱有很高的期望。他們希望獲得高水平的可靠性、低延遲 [內容上傳或下載延遲] 和持續的連線——隨時隨地。物聯網（新型裝置以數字方式連線）以及移動技術在醫療保健、智慧電網和車載網路中的日益普及，都對無線技術提出了新的期望，尤其是在速度和可靠性方面。
向 5G 無線技術的任何轉變都還需要數年時間。在現階段，我們應該瞭解該標準的哪些方面？
在過去一年中，人們對 5G 的興趣有所增加，特別是來自研究界。美國、歐洲、韓國、中國和日本的電信公司都對設計、測試和實施此類系統感興趣，因此肯定正在形成某種勢頭。5G 的具體內容尚不確定，但人們正在討論候選技術以及下一代無線標準中需要解決的問題。而且它可能不會太遙遠——一些公司正在考慮在 2020 年之前啟動並執行 5G 系統。時間真的不多了。
5G 與 4G 有何不同？
一個區別是 5G 可能會將無線訊號轉移到更高的頻段，在無線電頻譜上以 30 到 300 吉赫 (GHz) 之間的毫米波長執行。這將開闢巨大的頻寬，並緩解對無線流量擁塞的擔憂。雷達、衛星和一些軍事系統目前正在使用頻譜的這一區域，但它肯定比目前使用的頻譜佔用更少。此外，雖然 4G 支援每秒數百兆位元的資料速率，但 5G 有望實現每秒千兆位元範圍的資料速率。它可能不會在所有時間和所有地點都支援這些更高的速率，但它將總體上降低延遲率。
在如此高的頻率下執行的無線裝置是否存在缺點？
一般來說，當您移動到更高的頻率時，傳輸範圍會變短——數百米而不是公里。而且訊號無法輕易穿透牆壁。一些硬體元件，例如模數轉換器，也可能很昂貴。我們仍在學習毫米波，並正在測試其功能。另一個挑戰是，如果發射器和接收器沒有視線連線，則訊號會發生大量衰減 [損失]。我們正在進行效能分析，以更好地瞭解通訊可靠性，並計劃在秋季在波士頓舉行的IEEE 車輛技術會議上發表一篇論文。
可以採取哪些措施來克服這些限制？
已經出現了小型蜂窩的趨勢 [行動式基站，通常稱為微蜂窩、毫微微蜂窩或微微蜂窩，具體取決於其範圍]。毫米波可以利用這些技術，因為它們更適合在相對較短的距離內傳輸。高頻訊號也可以在網路中由不同的蜂窩在短距離內重複使用，這意味著可以更有效地利用可用頻譜。此外，天線尺寸與頻率尺寸成反比，因此較高頻率的訊號將需要較小的天線。您可以將更多天線裝入裝置中。這實現了定向傳輸——您實際上可以將訊號引導到特定方向。這可以克服一些訊號傳輸強度的損失。在同一頻率範圍內執行的多個天線也可以傳送多個數據流，從而提高資料速率。
您和您的同事在毫米波領域正在進行哪些研究？
在第一年，我們正在學習毫米波頻率範圍內的通訊特性，並對毫米波網路進行一些效能分析。對於短距離，對於位置固定的裝置，毫米波可以將裝置連線到網路。挑戰在於為步行或駕駛的使用者提供此服務。我還想了解在移動環境中使用毫米波實際支援多媒體流量的網路場景。
毫米波如何提高能源效率？
在基站和移動裝置之間使用定向傳輸減少了訊號干擾，這可能解釋了我們看到的能源使用量減少的原因。當您建立直接連結並抑制干擾時，您可以在給定的傳輸能量水平下以更高的速率傳送資料。因此，單位能量的吞吐量增加，從而提高了能源效率。在此類分析中，同樣重要的是要考慮到由於在高頻率下執行可能導致的硬體能耗增加。能源效率在這裡也非常重要，因為使用者和裝置數量的增長——並且任何新標準都應考慮效率。
*編者注（2015 年 6 月 23 日）：此句在釋出後經過編輯，以更正 NSF 資助金額。俄亥俄州立大學的研究人員獲得了約 460,000 美元的資助，而岑克的雪城大學團隊獲得了超過 218,000 美元的資助。