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2021/4/23 19:18

五分钟技术趣谈 | 带你揭开5G技术神秘面纱

移动Labs  

导读:当前中国5G发展已经进入冲刺阶段,作为一项跨时代的移动通信技术,5G将构筑起万物互联的基础设施,赋予经济增长新动能,支撑智慧社会新发展。随着5G技术的到来,将会有更多颠覆性的产品和应用落地,5G让人们的生活变得更精彩。

作者:李利伟

单位:中移系统集成有限公司-数智创新发展部

Part 01

●  概述  ●

2019年被称为5G商用元年,6月6日,工信部中国移动中国联通中国电信和中国广电四家公司发放5G商用牌照。随后三大运营商开始紧锣密鼓布局5G规划和建设,并于10月31日共同宣布启动5G商用服务,发布相应的5G套餐,5G浪潮正式进入中国千家万户。尽管2019年5G建设受中美贸易摩擦的影响有所波动,但整体仍呈现出在波动中向上发展的大趋势。

历史规律告诉我们,每一项革命性技术的大规模普及,都会给人类社会带来重大变革。煤炭和电力的广泛应用,使得机器替代了大规模的人力劳动,人类从此开启了工业时代;互联网和数字化的广泛应用,颠覆了传统的信息获取和传递方式,造就了当今的信息时代;5G,将使移动连接深度覆盖到人类社会的方方面面,开启万物广泛互联、人机深度交互的新时代。

Part 02

●  5G网络介绍 ●

2.1  5G是什么?

5G,就是5th Generation Mobile Networks(第五代移动通信网络),也可以称为5th Generation Wireless Systems(第五代无线通信系统)。顾名思义,5G是我们当前正在使用的主流通信技术4G的下一代深度演进。

2.2  5G的技术指标

国际电信联盟(ITU-T)启动5G标准研究之初,曾面向全球征集5G的指标要求,以及大家对5G的需求。在经历了多轮讨论后,最终ITU综合各国意见,确认了5G的8个可量化关键指标,归纳为“蜘蛛网模型”。具体指标如下图所示,从峰值速率、流量密度、端到端时延、连接密度等全维度,较4G都有巨大的提升:

数据对比如下:

都说量变产生质变,基于上述5G技术指标,ITU-T进一步结合现实应用规划,分析总结出了三大应用场景,并针对性在三大场景提出了更加具有针对性的技术指标要求,也就是给某些技能加buff,如下图:

2.3  5G的三大应用场景

2015年9月,ITU0正式确认了5G的三大应用场景,分别是eMMB,uRLLC和mMTC:

- 增强移动宽带(eMBB, Enhance Mobile Broadband)

eMBB场景就是现在人们使用的移动宽带的升级版,主要是服务于消费互联网的需求。在这种场景下,强调的是网络的带宽。前面所说的5G指标中,速率达到10 Gbps以上,就是服务于eMBB场景的。

- 低时延高可靠通信(uRLLC,Ultra Reliable& Low Latency Communication)

主要是服务于物联网场景的。例如:车联网、无人机、工业互联等等。这类场景有一个共性,那就是对网络的时延和可靠性有很高要求。例如车联网,如果时延较长,网络无法在极短时间内对数据进行响应,就有可能发生严重的交通事故,甚至危害人身安全。

- 海量机器通信(mMTC,Massive Machine Type Communication)

这个也是典型的物联网场景,如智能家具、智能电表、智能穿戴设备等,在单位面积内有大量的终端,要求网络能支持这些终端同时接入,同时要求智能设备很大程度上降低联网待机的功耗。

2.4  小结

①三大应用场景,只有一个是主要为人联网服务的,另外两个都是以物联网需求为基础衍生的,这也就给5G做了一个定性,5G的物联网属性要强于人联网的属性。所以说,5G是一种给社会带来变革,为社会经济发展赋能的一项技术。

②三大应用场景并不是指三种不同的网络。网络只有一张,技术标准只有一种,那就是5G。三大场景,是指5G采用网络切片技术,从逻辑上将一张网切割为多个专网,为各自服务的领域针对性提供网络能力,使一张网同时为不同的用户提供服务,所以说,5G是一张整合了多种关键技术于一身,真正意义上的融合网络。

Part 03

●  5G关键技术介绍 ●

相信还有人记得十几年前畅销全球的摩托罗拉手机,那句经典的“Hello,Motor”曾经在2G年代风靡全球。然而到了3G时代,曾经不可一世的摩托罗拉被以三星苹果为代表的智能手机打的毫无还手之力,流畅的操作体验,丰富的软件应用,全屏触控显示和人机交互,无一不是智能手机的撒手锏。到了4G时代,随着2011年摩托罗拉以125亿美元的价格将移动业务卖给了谷哥,“Hello,Motor”从此成为一个时代的烙印,一代巨人从此退出历史舞台。

说了这么多,我们类比一下。在1G-4G时代,各种通信设备便如同传统的塞班系统手机,软件都是厂家内置的,在设备出厂阶段便绑定在一起。这么做对厂家有一个明显的好处,那就是各厂家自己圈地为营,不同厂家之间有极高的技术壁垒,这样通信设备就不会被白盒化从而提高厂家议价权。

然而,5G时代,以SDNNFV为代表的网络架构却打破了这一局面。

3.1  NFV & SDN

- NFV(Network Function Virtualization)

网络功能虚拟化,通过标准的IT虚拟化技术,把网络功能软件化,统一到标准的高性能、大容量的服务器虚拟化软件上;以便能根据需要安装、移动到网络中任意位置,让网络功能从专有硬件中解放出来,实现了网络资源的池化。从而降低网络昂贵的设备成本,实现新业务的快速开通和部署,并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。

NFV示意图

- SDN(Software Defined Network)

软件定义网络,将设备的控制平面和用户平面进行解耦分离。区别于传统网络中的各个路由转发节点各自为政,独立工作的现状,SDN引入了中枢控制节点:控制器,用来统一指挥下层设备的数据往哪里发,下层网络设备只需要照着执行即可。这样一来,就像网络有了大脑一样,可以实现控制和转发分离,网络灵活性和可扩展性大为增强。

SDN示意图

典型的,如互联网的DCI设备,互联网客户天生具备极强的软件基因,厂家只需要按需提供网络硬件和控制器,提供通信管控接口,互联网厂家便可深度挖掘设备潜力,按需开发网络功能。

基于SDN和NFV架构的网络,便如同当今的智能手机,手机(通信设备)本身只是一个硬件处理平台,它的功能是由软件或用户定义的,从而极大地激发了应用创新和技术迭代,在可见的未来,通信网络将迎来创新大潮。

3.2  网络切片

如果说4G网络是一把军刀,足可削铁如泥、吹毛断发,那么5G网络就是一把瑞士军刀,灵活多变,多功能、多用途。1921年人类发明了面包切片机,从此切片面包开始流行起来,100年后的今天,继切片面包之后,人类又在切片上搞了一件大事情,那就是我们的网络切片。

网络切片示意图

- 网络切片的定义

网络,就像一块吐司面包。横切分层物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层;纵切分面,处理控制流程和信令的控制面和负责数据转发的用户面 ;竖切,就是切片。每个切片拥有完整的协议栈结构,各个网络层次以及用户界面和数据面,性能相对较弱,但是逻辑上独立于整体,可按需分配资源。两者结合就是通过虚拟化技术,将一个物理网络分成多个虚拟的逻辑网络,每个虚拟网络对应不同的应用场景,从而提供“高能效、易部署”的网络解决方案。

就好比一打信纸,我们把它撕成好几份使用,分别用来打草稿、记笔记、写作业,实现了一件东西在不同场景下多功能、专用,网络也可以做到这点,那么通过什么手段撕呢?虚拟化技术。撕开之后有什么优点呢?相互之间逻辑隔离,同样的东西可以用做不同的用处。

手撕信纸很容易,那么网络切片是如何实现的呢?这里我们就得说到虚拟化技术的本质:对软硬件资源的再分配。如某个交换机Mac地址是16k,通过软件限制,我们限制其中4k只能用于某项服务,那么相当于在这台交换机上虚拟出了一台小交换机,其他资源类似。

从以上描述我们分析出,网络切片的特点总结起来就是:麻雀虽小五脏俱全。

网络切片的每个片是隔离的,并且都包含设备、访问、传输和核心网络等关键环节,从而提高可靠性和安全性。此外,无需考虑网络其余部分的影响就可以对切片内容进行更改和添加,可以将不必要的功能移除,或者在需要的地方添加新技术,从而实现更好的成本效益。

- 网络切片的实现基础

NFV的软硬件解耦和动态伸缩+SDN的控制与转发分离。

- 网络切片的优点

网络资源利用最优化;动态分配资源;提升网络灵活性;提升网络安全性。网络切片使网络运营商可以选择每个切片所需的特性,例如更少的延迟、更高的吞吐量、连接密度、频谱效率等。并针对客户差异化的需求,提供每个切片网络中差异化的资源配置和服务定价,对资源的使用更具成本效益,有助于降低总体成本,同时提高客户体验。

3.3  Massive MIMO和波束赋形

自从1894年苏联科学家波波夫成功发明天线之后,迄今已有124年的历史。在这漫长的历史长河之中,它对人类社会发展和进步做出了卓绝的贡献。天线利用电磁波完成数据传递和信息通信,而电磁波之所以如此广泛应用,主要原因有两个:(1)能够不依赖任何介质进行传播,即使在真空中也能来去自如;(2)速度快,跟光一样每秒3*10的8次方米,信息转瞬即至。

在无线电设备中,天线就是用来辐射和接收无线电波的装置,本质是一个“转换器”,把传输线上传播的导行波,变换成在自由空间中传播的电磁波,接收时进行相反的变换。

- 毫米波

电磁波频率越高,能实现的传输速率就越高,随着1G、2G、3G、4G的发展,使用的电波频率是越来越高的。5G的频率国际上主要使用28GHz进行试验↓↓

这便是5G的第一个技术特点--毫米波。

- 频率提升带来的影响

(1)能实现更高的传输速率,随着1G、2G、3G、4G的发展,使用的电波频率逐渐提高。根据3GPP规定,5G主要使用两段频率:FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450MHz-6GHz,又叫sub 6GHz频段,是当前正在应用的技术;FR2频段的频率范围是24.25GHz-52.6GHz,通常称为毫米波。5G国际上主要使用28GHz进行测试试验。

(2)频率越高,承载的信息量越大,波长也就越短。从传播的角度讲,就是越趋近于直线传播,绕射能力差,类似光线,不能拐弯和穿透。

我们知道,一个基站包至少包含了天线+RRU+BBU+机房配套,这一整套下来成本超10W,5G移动通信使用了高频段。由此带来一个问题:覆盖同一个区域,需要的5G基站数量,将大大超过4G,极大增加建网投资成本。从4G到5G的基站变化如下图。根据行业估算,城区内5G基站需求密度约为4G的3-5倍。运营商分配到的频率越低,网络建设就越省钱,竞争起来就越有利。这就是为什么这些年,电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流。

我国三大运营商当前获得商用的5G频段如下:

※ 辟谣小贴士:到了5G时代,微基站会遍布在各个生活场景,几乎随处可见,曾经有人质疑如此大密度的建设基站,是否会对人体健康产生影响。答案是:不会。

恰恰相反,基站数量越多,辐射反而越小。

讲了这么多,终于到我们的主角了,下面有请Massive MIMO 和波束赋形闪亮登场~~~

- Massive MIMO(大规模天线技术)

MIMO就是“多进多出”(Multiple-Input Multiple-Output),在发送端和接收端都使用多根天线,构成多信道天线系统。

MIMO的一个显著特点就是具有极高的频谱利用效率,而代价则是增加了发送端和接收端的处理复杂度。随着系统集成技术和编码技术的的进步,5G时代,天线数量不是按根来算了,而是“天线阵列”,一个阵面密密麻麻的全是天线,极大提高频谱利用效率和信号的可靠性。

5G天线阵列图

- 波束赋形

灯泡发光是向四周发射的,4G基站也是一样,大量未被接收的电磁波的能量和资源都浪费了。

5G时代,在基站上布设天线阵列,通过对射频信号相位的控制,使得电磁波的波瓣变得非常狭窄,并指向它所提供服务的手机,就像这样,而且能根据手机的移动而转变方向。这种空间复用技术,由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,不同波束之间不会干扰,在相同的空间中提供更多的通信链路,极大地提高基站的服务容量,这就是波束赋形。

波束赋形示意图

3.4  MEC:移动边缘计算

MEC(Mobile Edge Computing),移动边缘计算的基本思想是把云计算平台迁移到移动接入网的边缘,利用无线接入网络就近提供电信用户IT所需服务和云端计算功能,而创造出一个具备高性能、低延迟与高带宽的电信级服务环境,加速网络中各项内容、服务及应用的快速下载。将传统电信蜂窝网络与互联网业务进行深度融合,进而给电信运营商运作模式带来全新变革,并建立新型的产业链及网络生态圈。

相比于集中部署的云计算服务,边缘计算解决了时延过长、汇聚流量过大等问题,为实时性和带宽密集型业务提供更好的支持。在众多5G垂直行业新兴业务中,目前智能制造、智慧城市、直播游戏和车联网 4 个垂直领域对边缘计算的需求最为明确。

3.5  技术彩蛋 – WiFi6

共享单车的出现,解决了人们通勤最后1公里的问题,获得商业上的巨大成功。5G虽强,却也有解决不了的场景,那就是移动通信最后的500米。Wifi6的出现,完美的解决了5G环境下高速率家庭宽带接入的难题。

- WiFi的发展史

WiFi 6是符合802.11标准通信协议的无线通信技术,于2019年9月16日,WiFi联盟宣布启动WiFi6认证计划,前面几代分别为:

- 2个核心改进:

(1)OFDMA

当前wifi5路由器是按照时域进行划分信道,同一时间只能1台设备传输数据,大家分时段获得数据,在同一时间如果接入的设备过多,难以避免的会有拥塞;

WiFi5:OFDM

wifi6将无线信道划分为多个子信道(子载波),形成一个个频率资源块,用户数据承载在每个资源块上,而不是占用整个信道,实现在每个时间段内多个用户同时并行传输;

WiFi6:OFDMA

(2)BSS信道识别

增加6bit的头部标识符,相当于给每个区块染色,以区分不同的AP,同一个信道的BSS,AP收到非自己的报文时不作处理即丢弃文件包,从而避免冲突,这样使用信道资源更有序、更确定,从而大幅提升密集环境中系统整体性能。

WiFi5

WiFi6

- WiFi6具有5G不可替代的优势:

网络覆盖:5G网络使用高频的毫米波和C-Band,穿墙能力弱,WiFi6可以进入室内接力信号最后500米;

网络容量:5G基站承载太多终端设备会加大设备负荷,WiFi6可以分担基站的承载压力;

连接:很多终端设备不支持SIM卡,需要通过WiFi实现联网。

-  WiFi6小结

相比WiFi 5,WiFi 6网络带宽提升4倍,并发用户数提升4倍,网络时延从平均30ms降低至20ms。而且,最关键的,WiFi6解决了“大量设备”连接到网络时出现的拥塞和容量问题,无线接入点(AP)能同时处理多达12个的WiFi流。基于这点,WiFi6具备广阔的工业应用前景。

综上,5G技术和WiFi6将会形成优势互补,通过家用和工业网络边界的有效管控与触达,更好服务相关应用场景,推动工业4.0发展应用。

Part 04

●  结语 ●

其实5G的关键技术远不止上述所列举的,5G是一张综合能力极强的融合网络,其他诸如:移动边缘计算、新型多址接入、全双工、先进编码调制、C-RAN、D2D技术等,均为5G不可或缺的关键技术,这里就不一一列举了。

基于上述对5G相关技术的介绍,最后总结一下5G和4G的关键不同之处:

(1)技术不同:基于无线技术和网络架构创新,5G相对于4G性能有显著提升;

(2)应用场景不同:移动物联网场景(mMTC、uRLLC)为5G首创;

(3)商业模式不同:运营商由4G时代单一的2C流量经营模式转向为5G时代差异化的2B甚至2B2x的切片经营模式;5G赋能垂直行业将衍生出新的商业模式;

(4)行业生态不同:5G时代参与者更广泛,共同探索5G与新技术、垂直行业的融合应用。

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