當(dāng)前中國5G發(fā)展已經(jīng)進入沖刺階段，作為一項跨時代的移動通信技術(shù)，5G將構(gòu)筑起萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)設(shè)施，賦予經(jīng)濟增長新動能，支撐智慧社會新發(fā)展。隨著5G技術(shù)的到來，將會有更多顛覆性的產(chǎn)品和應(yīng)用落地，5G讓人們的生活變得更精彩。
作者：李利偉
單位：中移系統(tǒng)集成有限公司-數(shù)智創(chuàng)新發(fā)展部
上一期
Labs給大家科普了
“5G+AICDE”的相關(guān)知識
這期又有什么新的知識干貨呢？
......
關(guān)于5G的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？
這個大家都清楚嗎？
5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標(biāo)、應(yīng)用場景
你又知多少？
想了解的小伙伴
接著看下來吧~
Part 01
● 概述 ●
2019年被稱為5G商用元年，6月6日，工信部向中國移動、中國聯(lián)通、中國電信和中國廣電四家公司發(fā)放5G商用牌照。隨后三大運營商開始緊鑼密鼓布局5G規(guī)劃和建設(shè)，并于10月31日共同宣布啟動5G商用服務(wù)，發(fā)布相應(yīng)的5G套餐，5G浪潮正式進入中國千家萬戶。盡管2019年5G建設(shè)受中美貿(mào)易摩擦的影響有所波動，但整體仍呈現(xiàn)出在波動中向上發(fā)展的大趨勢。
歷史規(guī)律告訴我們，每一項革命性技術(shù)的大規(guī)模普及，都會給人類社會帶來重大變革。煤炭和電力的廣泛應(yīng)用，使得機器替代了大規(guī)模的人力勞動，人類從此開啟了工業(yè)時代；互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化的廣泛應(yīng)用，顛覆了傳統(tǒng)的信息獲取和傳遞方式，造就了當(dāng)今的信息時代；5G，將使移動連接深度覆蓋到人類社會的方方面面，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機深度交互的新時代。
Part 02
● 5G網(wǎng)絡(luò)介紹 ●
2.1 5G是什么？
5G，就是5th Generation Mobile Networks（第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)），也可以稱為5th Generation Wireless Systems（第五代無線通信系統(tǒng)）。顧名思義，5G是我們當(dāng)前正在使用的主流通信技術(shù)4G的下一代深度演進。
2.2 5G的技術(shù)指標(biāo)
國際電信聯(lián)盟（ITU-T）啟動5G標(biāo)準(zhǔn)研究之初，曾面向全球征集5G的指標(biāo)要求，以及大家對5G的需求。在經(jīng)歷了多輪討論后，最終ITU綜合各國意見，確認(rèn)了5G的8個可量化關(guān)鍵指標(biāo)，歸納為“蜘蛛網(wǎng)模型”。具體指標(biāo)如下圖所示，從峰值速率、流量密度、端到端時延、連接密度等全維度，較4G都有巨大的提升：
數(shù)據(jù)對比如下：
都說量變產(chǎn)生質(zhì)變，基于上述5G技術(shù)指標(biāo)，ITU-T進一步結(jié)合現(xiàn)實應(yīng)用規(guī)劃，分析總結(jié)出了三大應(yīng)用場景，并針對性在三大場景提出了更加具有針對性的技術(shù)指標(biāo)要求，也就是給某些技能加buff，如下圖：
2.3 5G的三大應(yīng)用場景
2015年9月，ITU0正式確認(rèn)了5G的三大應(yīng)用場景，分別是eMMB，uRLLC和mMTC：
- 增強移動寬帶(eMBB， Enhance Mobile Broadband)
eMBB場景就是現(xiàn)在人們使用的移動寬帶的升級版，主要是服務(wù)于消費互聯(lián)網(wǎng)的需求。在這種場景下，強調(diào)的是網(wǎng)絡(luò)的帶寬。前面所說的5G指標(biāo)中，速率達到10 Gbps以上，就是服務(wù)于eMBB場景的。
- 低時延高可靠通信(uRLLC，Ultra Reliable& Low Latency Communication)
主要是服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)場景的。例如：車聯(lián)網(wǎng)、無人機、工業(yè)互聯(lián)等等。這類場景有一個共性，那就是對網(wǎng)絡(luò)的時延和可靠性有很高要求。例如車聯(lián)網(wǎng)，如果時延較長，網(wǎng)絡(luò)無法在極短時間內(nèi)對數(shù)據(jù)進行響應(yīng)，就有可能發(fā)生嚴(yán)重的交通事故，甚至危害人身安全。
- 海量機器通信(mMTC，Massive Machine Type Communication)
這個也是典型的物聯(lián)網(wǎng)場景，如智能家具、智能電表、智能穿戴設(shè)備等，在單位面積內(nèi)有大量的終端，要求網(wǎng)絡(luò)能支持這些終端同時接入，同時要求智能設(shè)備很大程度上降低聯(lián)網(wǎng)待機的功耗。
2.4 小結(jié)
①三大應(yīng)用場景，只有一個是主要為人聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的，另外兩個都是以物聯(lián)網(wǎng)需求為基礎(chǔ)衍生的，這也就給5G做了一個定性，5G的物聯(lián)網(wǎng)屬性要強于人聯(lián)網(wǎng)的屬性。所以說，5G是一種給社會帶來變革，為社會經(jīng)濟發(fā)展賦能的一項技術(shù)。
②三大應(yīng)用場景并不是指三種不同的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)只有一張，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只有一種，那就是5G。三大場景，是指5G采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，從邏輯上將一張網(wǎng)切割為多個專網(wǎng)，為各自服務(wù)的領(lǐng)域針對性提供網(wǎng)絡(luò)能力，使一張網(wǎng)同時為不同的用戶提供服務(wù)，所以說，5G是一張整合了多種關(guān)鍵技術(shù)于一身，真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)。
Part 03
● 5G關(guān)鍵技術(shù)介紹 ●
相信還有人記得十幾年前暢銷全球的摩托羅拉手機，那句經(jīng)典的“Hello，Motor”曾經(jīng)在2G年代風(fēng)靡全球。然而到了3G時代，曾經(jīng)不可一世的摩托羅拉被以三星和蘋果為代表的智能手機打的毫無還手之力，流暢的操作體驗，豐富的軟件應(yīng)用，全屏觸控顯示和人機交互，無一不是智能手機的撒手锏。到了4G時代，隨著2011年摩托羅拉以125億美元的價格將移動業(yè)務(wù)賣給了谷哥，“Hello，Motor”從此成為一個時代的烙印，一代巨人從此退出歷史舞臺。
說了這么多，我們類比一下。在1G-4G時代，各種通信設(shè)備便如同傳統(tǒng)的塞班系統(tǒng)手機，軟件都是廠家內(nèi)置的，在設(shè)備出廠階段便綁定在一起。這么做對廠家有一個明顯的好處，那就是各廠家自己圈地為營，不同廠家之間有極高的技術(shù)壁壘，這樣通信設(shè)備就不會被白盒化從而提高廠家議價權(quán)。
然而，5G時代，以SDN和NFV為代表的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)卻打破了這一局面。
3.1 NFV & SDN
- NFV（Network Function Virtualization）
網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，通過標(biāo)準(zhǔn)的IT虛擬化技術(shù)，把網(wǎng)絡(luò)功能軟件化，統(tǒng)一到標(biāo)準(zhǔn)的高性能、大容量的服務(wù)器虛擬化軟件上；以便能根據(jù)需要安裝、移動到網(wǎng)絡(luò)中任意位置，讓網(wǎng)絡(luò)功能從專有硬件中解放出來，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的池化。從而降低網(wǎng)絡(luò)昂貴的設(shè)備成本，實現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開通和部署，并基于實際業(yè)務(wù)需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。
NFV示意圖
- SDN（Software Defined Network）
軟件定義網(wǎng)絡(luò)，將設(shè)備的控制平面和用戶平面進行解耦分離。區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的各個路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點各自為政，獨立工作的現(xiàn)狀，SDN引入了中樞控制節(jié)點：控制器，用來統(tǒng)一指揮下層設(shè)備的數(shù)據(jù)往哪里發(fā)，下層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只需要照著執(zhí)行即可。這樣一來，就像網(wǎng)絡(luò)有了大腦一樣，可以實現(xiàn)控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離，網(wǎng)絡(luò)靈活性和可擴展性大為增強。
SDN示意圖
典型的，如互聯(lián)網(wǎng)的DCI設(shè)備，互聯(lián)網(wǎng)客戶天生具備極強的軟件基因，廠家只需要按需提供網(wǎng)絡(luò)硬件和控制器，提供通信管控接口，互聯(lián)網(wǎng)廠家便可深度挖掘設(shè)備潛力，按需開發(fā)網(wǎng)絡(luò)功能。
基于SDN和NFV架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，便如同當(dāng)今的智能手機，手機(通信設(shè)備)本身只是一個硬件處理平臺，它的功能是由軟件或用戶定義的，從而極大地激發(fā)了應(yīng)用創(chuàng)新和技術(shù)迭代，在可見的未來，通信網(wǎng)絡(luò)將迎來創(chuàng)新大潮。
3.2 網(wǎng)絡(luò)切片
如果說4G網(wǎng)絡(luò)是一把軍刀，足可削鐵如泥、吹毛斷發(fā)，那么5G網(wǎng)絡(luò)就是一把瑞士軍刀，靈活多變，多功能、多用途。1921年人類發(fā)明了面包切片機，從此切片面包開始流行起來，100年后的今天，繼切片面包之后，人類又在切片上搞了一件大事情，那就是我們的網(wǎng)絡(luò)切片。
網(wǎng)絡(luò)切片示意圖
- 網(wǎng)絡(luò)切片的定義
網(wǎng)絡(luò)，就像一塊吐司面包。橫切分層物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層；縱切分面，處理控制流程和信令的控制面和負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的用戶面 ；豎切，就是切片。每個切片擁有完整的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，各個網(wǎng)絡(luò)層次以及用戶界面和數(shù)據(jù)面，性能相對較弱，但是邏輯上獨立于整體，可按需分配資源。兩者結(jié)合就是通過虛擬化技術(shù)，將一個物理網(wǎng)絡(luò)分成多個虛擬的邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)不同的應(yīng)用場景，從而提供“高能效、易部署”的網(wǎng)絡(luò)解決方案。
就好比一打信紙，我們把它撕成好幾份使用，分別用來打草稿、記筆記、寫作業(yè)，實現(xiàn)了一件東西在不同場景下多功能、專用，網(wǎng)絡(luò)也可以做到這點，那么通過什么手段撕呢？虛擬化技術(shù)。撕開之后有什么優(yōu)點呢？相互之間邏輯隔離，同樣的東西可以用做不同的用處。
手撕信紙很容易，那么網(wǎng)絡(luò)切片是如何實現(xiàn)的呢？這里我們就得說到虛擬化技術(shù)的本質(zhì)：對軟硬件資源的再分配。如某個交換機Mac地址是16k，通過軟件限制，我們限制其中4k只能用于某項服務(wù)，那么相當(dāng)于在這臺交換機上虛擬出了一臺小交換機，其他資源類似。
從以上描述我們分析出，網(wǎng)絡(luò)切片的特點總結(jié)起來就是：麻雀雖小五臟俱全。
網(wǎng)絡(luò)切片的每個片是隔離的，并且都包含設(shè)備、訪問、傳輸和核心網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從而提高可靠性和安全性。此外，無需考慮網(wǎng)絡(luò)其余部分的影響就可以對切片內(nèi)容進行更改和添加，可以將不必要的功能移除，或者在需要的地方添加新技術(shù)，從而實現(xiàn)更好的成本效益。
- 網(wǎng)絡(luò)切片的實現(xiàn)基礎(chǔ)
NFV的軟硬件解耦和動態(tài)伸縮+SDN的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離。
- 網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)點
網(wǎng)絡(luò)資源利用最優(yōu)化；動態(tài)分配資源；提升網(wǎng)絡(luò)靈活性；提升網(wǎng)絡(luò)安全性。網(wǎng)絡(luò)切片使網(wǎng)絡(luò)運營商可以選擇每個切片所需的特性，例如更少的延遲、更高的吞吐量、連接密度、頻譜效率等。并針對客戶差異化的需求，提供每個切片網(wǎng)絡(luò)中差異化的資源配置和服務(wù)定價，對資源的使用更具成本效益，有助于降低總體成本，同時提高客戶體驗。
3.3 Massive MIMO和波束賦形
自從1894年蘇聯(lián)科學(xué)家波波夫成功發(fā)明天線之后，迄今已有124年的歷史。在這漫長的歷史長河之中，它對人類社會發(fā)展和進步做出了卓絕的貢獻。天線利用電磁波完成數(shù)據(jù)傳遞和信息通信，而電磁波之所以如此廣泛應(yīng)用，主要原因有兩個：（1）能夠不依賴任何介質(zhì)進行傳播，即使在真空中也能來去自如；（2）速度快，跟光一樣每秒3*10的8次方米，信息轉(zhuǎn)瞬即至。
在無線電設(shè)備中，天線就是用來輻射和接收無線電波的裝置，本質(zhì)是一個“轉(zhuǎn)換器”，把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在自由空間中傳播的電磁波，接收時進行相反的變換。
- 毫米波
電磁波頻率越高，能實現(xiàn)的傳輸速率就越高，隨著1G、2G、3G、4G的發(fā)展，使用的電波頻率是越來越高的。5G的頻率國際上主要使用28GHz進行試驗↓↓
這便是5G的第一個技術(shù)特點--毫米波。
- 頻率提升帶來的影響
（1）能實現(xiàn)更高的傳輸速率，隨著1G、2G、3G、4G的發(fā)展，使用的電波頻率逐漸提高。根據(jù)3GPP規(guī)定，5G主要使用兩段頻率：FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段的頻率范圍是450MHz-6GHz，又叫sub 6GHz頻段，是當(dāng)前正在應(yīng)用的技術(shù)；FR2頻段的頻率范圍是24.25GHz-52.6GHz，通常稱為毫米波。5G國際上主要使用28GHz進行測試試驗。
（2）頻率越高，承載的信息量越大，波長也就越短。從傳播的角度講，就是越趨近于直線傳播，繞射能力差，類似光線，不能拐彎和穿透。
我們知道，一個基站包至少包含了天線+RRU+BBU+機房配套，這一整套下來成本超10W，5G移動通信使用了高頻段。由此帶來一個問題：覆蓋同一個區(qū)域，需要的5G基站數(shù)量，將大大超過4G，極大增加建網(wǎng)投資成本。從4G到5G的基站變化如下圖。根據(jù)行業(yè)估算，城區(qū)內(nèi)5G基站需求密度約為4G的3-5倍。運營商分配到的頻率越低，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)就越省錢，競爭起來就越有利。這就是為什么這些年，電信、移動、聯(lián)通為了低頻段而爭得頭破血流。
我國三大運營商當(dāng)前獲得商用的5G頻段如下：
※ 辟謠小貼士：到了5G時代，微基站會遍布在各個生活場景，幾乎隨處可見，曾經(jīng)有人質(zhì)疑如此大密度的建設(shè)基站，是否會對人體健康產(chǎn)生影響。答案是：不會。
恰恰相反，基站數(shù)量越多，輻射反而越小。
講了這么多，終于到我們的主角了，下面有請Massive MIMO 和波束賦形閃亮登場~~~
- Massive MIMO(大規(guī)模天線技術(shù))
MIMO就是“多進多出”（Multiple-Input Multiple-Output），在發(fā)送端和接收端都使用多根天線，構(gòu)成多信道天線系統(tǒng)。
MIMO的一個顯著特點就是具有極高的頻譜利用效率，而代價則是增加了發(fā)送端和接收端的處理復(fù)雜度。隨著系統(tǒng)集成技術(shù)和編碼技術(shù)的的進步，5G時代，天線數(shù)量不是按根來算了，而是“天線陣列”，一個陣面密密麻麻的全是天線，極大提高頻譜利用效率和信號的可靠性。
5G天線陣列圖
- 波束賦形
燈泡發(fā)光是向四周發(fā)射的，4G基站也是一樣，大量未被接收的電磁波的能量和資源都浪費了。
5G時代，在基站上布設(shè)天線陣列，通過對射頻信號相位的控制，使得電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務(wù)的手機，就像這樣，而且能根據(jù)手機的移動而轉(zhuǎn)變方向。這種空間復(fù)用技術(shù)，由全向的信號覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù)，不同波束之間不會干擾，在相同的空間中提供更多的通信鏈路，極大地提高基站的服務(wù)容量，這就是波束賦形。
波束賦形示意圖
3.4 MEC：移動邊緣計算
MEC（Mobile Edge Computing），移動邊緣計算的基本思想是把云計算平臺遷移到移動接入網(wǎng)的邊緣，利用無線接入網(wǎng)絡(luò)就近提供電信用戶IT所需服務(wù)和云端計算功能，而創(chuàng)造出一個具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級服務(wù)環(huán)境，加速網(wǎng)絡(luò)中各項內(nèi)容、服務(wù)及應(yīng)用的快速下載。將傳統(tǒng)電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進行深度融合，進而給電信運營商運作模式帶來全新變革，并建立新型的產(chǎn)業(yè)鏈及網(wǎng)絡(luò)生態(tài)圈。
相比于集中部署的云計算服務(wù)，邊緣計算解決了時延過長、匯聚流量過大等問題，為實時性和帶寬密集型業(yè)務(wù)提供更好的支持。在眾多5G垂直行業(yè)新興業(yè)務(wù)中，目前智能制造、智慧城市、直播游戲和車聯(lián)網(wǎng) 4 個垂直領(lǐng)域?qū)吘売嬎愕男枨笞顬槊鞔_。
3.5 技術(shù)彩蛋 – WiFi6
共享單車的出現(xiàn)，解決了人們通勤最后1公里的問題，獲得商業(yè)上的巨大成功。5G雖強，卻也有解決不了的場景，那就是移動通信最后的500米。Wifi6的出現(xiàn)，完美的解決了5G環(huán)境下高速率家庭寬帶接入的難題。
- WiFi的發(fā)展史
WiFi 6是符合802.11標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的無線通信技術(shù)，于2019年9月16日，WiFi聯(lián)盟宣布啟動WiFi6認(rèn)證計劃，前面幾代分別為：
- 2個核心改進：
（1）OFDMA
當(dāng)前wifi5路由器是按照時域進行劃分信道，同一時間只能1臺設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，大家分時段獲得數(shù)據(jù)，在同一時間如果接入的設(shè)備過多，難以避免的會有擁塞；
WiFi5：OFDM
wifi6將無線信道劃分為多個子信道(子載波)，形成一個個頻率資源塊，用戶數(shù)據(jù)承載在每個資源塊上，而不是占用整個信道，實現(xiàn)在每個時間段內(nèi)多個用戶同時并行傳輸；
WiFi6：OFDMA
（2）BSS信道識別
增加6bit的頭部標(biāo)識符，相當(dāng)于給每個區(qū)塊染色，以區(qū)分不同的AP，同一個信道的BSS，AP收到非自己的報文時不作處理即丟棄文件包，從而避免沖突，這樣使用信道資源更有序、更確定，從而大幅提升密集環(huán)境中系統(tǒng)整體性能。
WiFi5 WiFi6
- WiFi6具有5G不可替代的優(yōu)勢：
網(wǎng)絡(luò)覆蓋：5G網(wǎng)絡(luò)使用高頻的毫米波和C-Band，穿墻能力弱，WiFi6可以進入室內(nèi)接力信號最后500米；
網(wǎng)絡(luò)容量：5G基站承載太多終端設(shè)備會加大設(shè)備負(fù)荷，WiFi6可以分擔(dān)基站的承載壓力；
連接：很多終端設(shè)備不支持SIM卡，需要通過WiFi實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。
- WiFi6小結(jié)
相比WiFi 5，WiFi 6網(wǎng)絡(luò)帶寬提升4倍，并發(fā)用戶數(shù)提升4倍，網(wǎng)絡(luò)時延從平均30ms降低至20ms。而且，最關(guān)鍵的，WiFi6解決了“大量設(shè)備”連接到網(wǎng)絡(luò)時出現(xiàn)的擁塞和容量問題，無線接入點(AP)能同時處理多達12個的WiFi流。基于這點，WiFi6具備廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
綜上，5G技術(shù)和WiFi6將會形成優(yōu)勢互補，通過家用和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊界的有效管控與觸達，更好服務(wù)相關(guān)應(yīng)用場景，推動工業(yè)4.0發(fā)展應(yīng)用。
Part 04
● 結(jié)語 ●
其實5G的關(guān)鍵技術(shù)遠不止上述所列舉的，5G是一張綜合能力極強的融合網(wǎng)絡(luò)，其他諸如：移動邊緣計算、新型多址接入、全雙工、先進編碼調(diào)制、C-RAN、D2D技術(shù)等，均為5G不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，這里就不一一列舉了。
基于上述對5G相關(guān)技術(shù)的介紹，最后總結(jié)一下5G和4G的關(guān)鍵不同之處：
（1）技術(shù)不同：基于無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新，5G相對于4G性能有顯著提升；
（2）應(yīng)用場景不同：移動物聯(lián)網(wǎng)場景（mMTC、uRLLC）為5G首創(chuàng)；
（3）商業(yè)模式不同：運營商由4G時代單一的2C流量經(jīng)營模式轉(zhuǎn)向為5G時代差異化的2B甚至2B2x的切片經(jīng)營模式；5G賦能垂直行業(yè)將衍生出新的商業(yè)模式；
（4）行業(yè)生態(tài)不同：5G時代參與者更廣泛，共同探索5G與新技術(shù)、垂直行業(yè)的融合應(yīng)用。
