五分钟技术趣谈 — 带你揭开5G技术神秘面纱

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。

01概述

2019年被称为5G商用元年6月6日工信部向中国移动、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。

025G网络介绍

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。

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

5G的三大应用场景

2015年9月ITU正式确认了5G的三大应用场景分别是eMMBuRLLC和mMTC

- 增强移动宽带(eMBB Enhanced 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(uRLLCUltra 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(mMTCMassive 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。

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。

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。

03

5G关键技术介绍

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SDN和NFV为代表的网络架构却打破了这一局面。

NFVNetwork 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。

SDNSoftware 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。

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。

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。

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10W5G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。

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。

MEC移动边缘计算

MECMobile 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。

技术彩蛋 – WiFi6—5G不可替代的优势

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。

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。

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。

● 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。