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    技術
    2021/4/23 19:18

    五分鐘技術趣談 | 帶你揭開5G技術神秘面紗

    移動Labs  

    導讀:當前中國5G發展已經進入沖刺階段,作為一項跨時代的移動通信技術,5G將構筑起萬物互聯的基礎設施,賦予經濟增長新動能,支撐智慧社會新發展。隨著5G技術的到來,將會有更多顛覆性的產品和應用落地,5G讓人們的生活變得更精彩。

    作者:李利偉

    單位:中移系統集成有限公司-數智創新發展部

    Part 01

    ●  概述  ●

    2019年被稱為5G商用元年,6月6日,工信部中國移動、中國聯通、中國電信和中國廣電四家公司發放5G商用牌照。隨后三大運營商開始緊鑼密鼓布局5G規劃和建設,并于10月31日共同宣布啟動5G商用服務,發布相應的5G套餐,5G浪潮正式進入中國千家萬戶。盡管2019年5G建設受中美貿易摩擦的影響有所波動,但整體仍呈現出在波動中向上發展的大趨勢。

    歷史規律告訴我們,每一項革命性技術的大規模普及,都會給人類社會帶來重大變革。煤炭和電力的廣泛應用,使得機器替代了大規模的人力勞動,人類從此開啟了工業時代;互聯網和數字化的廣泛應用,顛覆了傳統的信息獲取和傳遞方式,造就了當今的信息時代;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、人機深度交互的新時代。

    Part 02

    ●  5G網絡介紹 ●

    2.1  5G是什么?

    5G,就是5th Generation Mobile Networks(第五代移動通信網絡),也可以稱為5th Generation Wireless Systems(第五代無線通信系統)。顧名思義,5G是我們當前正在使用的主流通信技術4G的下一代深度演進。

    2.2  5G的技術指標

    國際電信聯盟(ITU-T)啟動5G標準研究之初,曾面向全球征集5G的指標要求,以及大家對5G的需求。在經歷了多輪討論后,最終ITU綜合各國意見,確認了5G的8個可量化關鍵指標,歸納為“蜘蛛網模型”。具體指標如下圖所示,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:

    數據對比如下:

    都說量變產生質變,基于上述5G技術指標,ITU-T進一步結合現實應用規劃,分析總結出了三大應用場景,并針對性在三大場景提出了更加具有針對性的技術指標要求,也就是給某些技能加buff,如下圖:

    2.3  5G的三大應用場景

    2015年9月,ITU0正式確認了5G的三大應用場景,分別是eMMB,uRLLC和mMTC:

    - 增強移動寬帶(eMBB, Enhance Mobile Broadband)

    eMBB場景就是現在人們使用的移動寬帶的升級版,主要是服務于消費互聯網的需求。在這種場景下,強調的是網絡的帶寬。前面所說的5G指標中,速率達到10 Gbps以上,就是服務于eMBB場景的。

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

    主要是服務于物聯網場景的。例如:車聯網、無人機、工業互聯等等。這類場景有一個共性,那就是對網絡的時延和可靠性有很高要求。例如車聯網,如果時延較長,網絡無法在極短時間內對數據進行響應,就有可能發生嚴重的交通事故,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網場景,如智能家具、智能電表、智能穿戴設備等,在單位面積內有大量的終端,要求網絡能支持這些終端同時接入,同時要求智能設備很大程度上降低聯網待機的功耗。

    2.4  小結

    ①三大應用場景,只有一個是主要為人聯網服務的,另外兩個都是以物聯網需求為基礎衍生的,這也就給5G做了一個定性,5G的物聯網屬性要強于人聯網的屬性。所以說,5G是一種給社會帶來變革,為社會經濟發展賦能的一項技術。

    ②三大應用場景并不是指三種不同的網絡。網絡只有一張,技術標準只有一種,那就是5G。三大場景,是指5G采用網絡切片技術,從邏輯上將一張網切割為多個專網,為各自服務的領域針對性提供網絡能力,使一張網同時為不同的用戶提供服務,所以說,5G是一張整合了多種關鍵技術于一身,真正意義上的融合網絡。

    Part 03

    ●  5G關鍵技術介紹 ●

    相信還有人記得十幾年前暢銷全球的摩托羅拉手機,那句經典的“Hello,Motor”曾經在2G年代風靡全球。然而到了3G時代,曾經不可一世的摩托羅拉被以三星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務賣給了谷哥,“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,各種通信設備便如同傳統的塞班系統手機,軟件都是廠家內置的,在設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壁壘,這樣通信設備就不會被白盒化從而提高廠家議價權。

    然而,5G時代,以SDNNFV為代表的網絡架構卻打破了這一局面。

    3.1  NFV & SDN

    - NFV(Network Function Virtualization)

    網絡功能虛擬化,通過標準的IT虛擬化技術,把網絡功能軟件化,統一到標準的高性能、大容量的服務器虛擬化軟件上;以便能根據需要安裝、移動到網絡中任意位置,讓網絡功能從專有硬件中解放出來,實現了網絡資源的池化。從而降低網絡昂貴的設備成本,實現新業務的快速開通和部署,并基于實際業務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。

    NFV示意圖

    - SDN(Software Defined Network)

    軟件定義網絡,將設備的控制平面和用戶平面進行解耦分離。區別于傳統網絡中的各個路由轉發節點各自為政,獨立工作的現狀,SDN引入了中樞控制節點:控制器,用來統一指揮下層設備的數據往哪里發,下層網絡設備只需要照著執行即可。這樣一來,就像網絡有了大腦一樣,可以實現控制和轉發分離,網絡靈活性和可擴展性大為增強。

    SDN示意圖

    典型的,如互聯網的DCI設備,互聯網客戶天生具備極強的軟件基因,廠家只需要按需提供網絡硬件和控制器,提供通信管控接口,互聯網廠家便可深度挖掘設備潛力,按需開發網絡功能。

    基于SDN和NFV架構的網絡,便如同當今的智能手機,手機(通信設備)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,從而極大地激發了應用創新和技術迭代,在可見的未來,通信網絡將迎來創新大潮。

    3.2  網絡切片

    如果說4G網絡是一把軍刀,足可削鐵如泥、吹毛斷發,那么5G網絡就是一把瑞士軍刀,靈活多變,多功能、多用途。1921年人類發明了面包切片機,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,那就是我們的網絡切片。

    網絡切片示意圖

    - 網絡切片的定義

    網絡,就像一塊吐司面包。橫切分層物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層;縱切分面,處理控制流程和信令的控制面和負責數據轉發的用戶面 ;豎切,就是切片。每個切片擁有完整的協議棧結構,各個網絡層次以及用戶界面和數據面,性能相對較弱,但是邏輯上獨立于整體,可按需分配資源。兩者結合就是通過虛擬化技術,將一個物理網絡分成多個虛擬的邏輯網絡,每個虛擬網絡對應不同的應用場景,從而提供“高能效、易部署”的網絡解決方案。

    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,實現了一件東西在不同場景下多功能、專用,網絡也可以做到這點,那么通過什么手段撕呢?虛擬化技術。撕開之后有什么優點呢?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,那么網絡切片是如何實現的呢?這里我們就得說到虛擬化技術的本質: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,那么相當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,網絡切片的特點總結起來就是:麻雀雖小五臟俱全。

    網絡切片的每個片是隔離的,并且都包含設備、訪問、傳輸和核心網絡等關鍵環節,從而提高可靠性和安全性。此外,無需考慮網絡其余部分的影響就可以對切片內容進行更改和添加,可以將不必要的功能移除,或者在需要的地方添加新技術,從而實現更好的成本效益。

    - 網絡切片的實現基礎

    NFV的軟硬件解耦和動態伸縮+SDN的控制與轉發分離。

    - 網絡切片的優點

    網絡資源利用最優化;動態分配資源;提升網絡靈活性;提升網絡安全性。網絡切片使網絡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,提供每個切片網絡中差異化的資源配置和服務定價,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年蘇聯科學家波波夫成功發明天線之后,迄今已有124年的歷史。在這漫長的歷史長河之中,它對人類社會發展和進步做出了卓絕的貢獻。天線利用電磁波完成數據傳遞和信息通信,而電磁波之所以如此廣泛應用,主要原因有兩個:(1)能夠不依賴任何介質進行傳播,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,信息轉瞬即至。

    在無線電設備中,天線就是用來輻射和接收無線電波的裝置,本質是一個“轉換器”,把傳輸線上傳播的導行波,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,能實現的傳輸速率就越高,隨著1G、2G、3G、4G的發展,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的第一個技術特點--毫米波。

    - 頻率提升帶來的影響

    (1)能實現更高的傳輸速率,隨著1G、2G、3G、4G的發展,使用的電波頻率逐漸提高。根據3GPP規定,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,是當前正在應用的技術;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:覆蓋同一個區域,需要的5G基站數量,將大大超過4G,極大增加建網投資成本。從4G到5G的基站變化如下圖。根據行業估算,城區內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,網絡建設就越省錢,競爭起來就越有利。這就是為什么這些年,電信、移動、聯通為了低頻段而爭得頭破血流。

    我國三大運營商當前獲得商用的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,曾經有人質疑如此大密度的建設基站,是否會對人體健康產生影響。答案是:不會。

    恰恰相反,基站數量越多,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(大規模天線技術)

    MIMO就是“多進多出”(Multiple-Input Multiple-Output),在發送端和接收端都使用多根天線,構成多信道天線系統。

    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送端和接收端的處理復雜度。隨著系統集成技術和編碼技術的的進步,5G時代,天線數量不是按根來算了,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

    燈泡發光是向四周發射的,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的手機,就像這樣,而且能根據手機的移動而轉變方向。這種空間復用技術,由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務,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的邊緣,利用無線接入網絡就近提供電信用戶IT所需服務和云端計算功能,而創造出一個具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級服務環境,加速網絡中各項內容、服務及應用的快速下載。將傳統電信蜂窩網絡與互聯網業務進行深度融合,進而給電信運營商運作模式帶來全新變革,并建立新型的產業鏈及網絡生態圈。

    相比于集中部署的云計算服務,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務提供更好的支持。在眾多5G垂直行業新興業務中,目前智能制造、智慧城市、直播游戲和車聯網 4 個垂直領域對邊緣計算的需求最為明確。

    3.5  技術彩蛋 – WiFi6

    共享單車的出現,解決了人們通勤最后1公里的問題,獲得商業上的巨大成功。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,完美的解決了5G環境下高速率家庭寬帶接入的難題。

    - WiFi的發展史

    WiFi 6是符合802.11標準通信協議的無線通信技術,于2019年9月16日,WiFi聯盟宣布啟動WiFi6認證計劃,前面幾代分別為:

    - 2個核心改進:

    (1)OFDMA

    當前wifi5路由器是按照時域進行劃分信道,同一時間只能1臺設備傳輸數據,大家分時段獲得數據,在同一時間如果接入的設備過多,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,用戶數據承載在每個資源塊上,而不是占用整個信道,實現在每個時間段內多個用戶同時并行傳輸;

    WiFi6:OFDMA

    (2)BSS信道識別

    增加6bit的頭部標識符,相當于給每個區塊染色,以區分不同的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境中系統整體性能。

    WiFi5

    WiFi6

    - WiFi6具有5G不可替代的優勢:

    網絡覆蓋:5G網絡使用高頻的毫米波和C-Band,穿墻能力弱,WiFi6可以進入室內接力信號最后500米;

    網絡容量:5G基站承載太多終端設備會加大設備負荷,WiFi6可以分擔基站的承載壓力;

    連接:很多終端設備不支持SIM卡,需要通過WiFi實現聯網。

    -  WiFi6小結

    相比WiFi 5,WiFi 6網絡帶寬提升4倍,并發用戶數提升4倍,網絡時延從平均30ms降低至20ms。而且,最關鍵的,WiFi6解決了“大量設備”連接到網絡時出現的擁塞和容量問題,無線接入點(AP)能同時處理多達12個的WiFi流;谶@點,WiFi6具備廣闊的工業應用前景。

    綜上,5G技術和WiFi6將會形成優勢互補,通過家用和工業網絡邊界的有效管控與觸達,更好服務相關應用場景,推動工業4.0發展應用。

    Part 04

    ●  結語 ●

    其實5G的關鍵技術遠不止上述所列舉的,5G是一張綜合能力極強的融合網絡,其他諸如:移動邊緣計算、新型多址接入、全雙工、先進編碼調制、C-RAN、D2D技術等,均為5G不可或缺的關鍵技術,這里就不一一列舉了。

    基于上述對5G相關技術的介紹,最后總結一下5G和4G的關鍵不同之處:

    (1)技術不同:基于無線技術和網絡架構創新,5G相對于4G性能有顯著提升;

    (2)應用場景不同:移動物聯網場景(mMTC、uRLLC)為5G首創;

    (3)商業模式不同:運營商由4G時代單一的2C流量經營模式轉向為5G時代差異化的2B甚至2B2x的切片經營模式;5G賦能垂直行業將衍生出新的商業模式;

    (4)行業生態不同:5G時代參與者更廣泛,共同探索5G與新技術、垂直行業的融合應用。

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    寫得不太好

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