自 1957 年第一个 蜂窝网络 问世以来，如今无线通信网络的容量已 增长了 100 万倍 。
不过，这种提升并非源于 WiFi、2G、3G 等连接技术的改进；这些技术仅带来了 5 倍的增长。利用额外的射频频谱承载网络流量，带来了 25 倍的提升；而贡献最大的一项改进，则是通过缩小构成网络的“蜂窝”单元，使容量提升了 1,600 倍。换言之，就是安装更多实体网络塔、转发器及其他设备，构建节点更密集、能够承载更多网络流量的网络。
但这种做法成本高昂——挖掘铺设电缆、架设塔和基站、安装与维护，以及所有相关的规划和官僚程序。因此，下一代 5G 移动网络设计很大程度上着眼于从现有设施中挤出更高的速度和容量，而无需承担增建基础设施的成本。
发送与接收解耦
正在研究的一个方向是下行链路（DL）和上行链路（UL）解耦的概念；一些共同发明者将其称为 DUDe。从第一代移动网络到最新的 4G，任何通信会话的下行链路（接收）和上行链路（发送）连接一直是耦合在一起的。这意味着手机一次只与一个基站关联，数据通过同一连接发送和接收。
从历史上看，这种方式近乎最优，因为这样基站和手机就能建立双向都可提供的最强连接。然而，随着移动网络日益多样化，不同尺寸的网络小区和发射功率各异的发射塔混合部署，如今将两者分开更有意义。手机可以通过高功率的大型网络小区接收信息，以获得最高速度；同时利用较小的小区，通过低功率无线电发送数据。这样可使容量翻倍，并使连接的可靠性最高提升至原来的 10 倍。
让双工能力加倍
另一个正在研究的方向是 全双工 无线电传输。全双工指的是能够同时在同一频率上发送和接收，就像我们能够在传统模拟固定电话上彼此同时说话一样。
卫星、广播和移动网络行业中用于扩大网络覆盖范围的这类转发器，数十年来一直采用全双工。但这是通过使用两根相距足够远的天线实现的，以确保强劲的发射信号不会干扰较弱的接收信号。谁能设计出可实现全双工运行的单天线系统？
关键在于使用 信号回波消除技术。首个里程碑式成果 发表于 1978 年 ，但直到 20 世纪 90 年代才投入实际运行。所有这些系统的核心，都是从较弱的接收信号中消除强劲的发射信号，以排除干扰。不过，这种技术只能在相当窄的带宽内工作，大约为几 MHz。
直到最近，才具备了在宽带宽上提供全双工的能力，范围从 10 到 100 MHz；消除干扰既在模拟域进行，也在数字域进行。
在这一领域处于领先地位的一家公司是 Kumu Networks。这家由斯坦福大学工程师创立的衍生公司，在 信号反转消除 技术的首次全双工演示 四年前获得成功后，募集了 1,500 万美元投资。该技术完善了现有理论成果，并符合现实世界蜂窝系统的要求。这是从提议中的功能迈向可行产品的重要一步。
哥伦比亚大学的工程师采用类似技术，最近已 在单芯片上实现了这一功能，首次将全双工所需电路微型化并集成到一块硅芯片上。在这种规模下，这项技术有望应用于手机或平板电脑，从而提升性能——这可能成为改变行业格局的时刻，因为在现有手机或平板电脑中增加硅芯片相对容易。经过一些额外调校后，如果普遍采用，这项技术基本上可以让我们一夜之间使网络容量翻倍。
天线数量大幅增加
另一种方法是大规模多天线系统，即 Massive-MIMO。该技术由 贝尔实验室的 Tom Marzetta发明；它会在基站和手机中尽可能塞入数量极多的天线。我们说的是数千根天线，而不是如今常见的三到六根。与直觉相反，从理论上说，这实际上会 消除干扰 ，并显著提高网络容量和可靠性。
目前，所有这些方法仍处于早期阶段，面临相当大的挑战。不过，虽然这些 5G 设计需要进行一些软件和硬件升级，但它们不需要做的一件事，就是挖坑铺设电缆。
本文由 The Conversation合作发表。发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中的观点。
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作者：Mischa Dohler 是英国伦敦国王学院无线通信讲席教授。
图片：一名女子在纽约第五大道等待过马路时使用 Apple iPhone。路透社/Lucas Jackson。
