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一篇看得懂的5G纯技术帖 读完你也能成半个5G专家

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“4G改变生活,5G改变社会”,5G的到来,将带来一场影响深远的全方位变革。5G的赋能、注智,将推动各行各业向着数字化、智能化的方向转型升级,也推动社会治理和城市管理等更加智慧和高效。

5G带来的改变是巨大且深远的,5G之所以能有如此大的能量,因为通信技术自身在5G时代从内到外,从核心网到无线接入网、终端,都发生了巨大的变化,是通信业发展历程中的划时代变化。

改变由内而外,云化核心网打破封闭走向开放

5G不仅仅是一次信息通信技术的升级换代,更是一场影响深远的全方位变革。5G带来的变革,是由内而生,因为相比过往通信技术,5G时代的核心网架构从封闭走向了开放,通过网络的全面云化,具备更加开放的能力,运营商与各行业连接的紧密性将达到前所未有的程度,交叉赋能,从而催生新的产业生态。

走向开放的网络架构

“从1G到4G,都是封闭的网络架构,5G开始是开放的架构,这是根本性的变化。”工信部通信科技委常务副主任韦乐平曾表示。

过去几十年,电信业和IT业走了两条完全不同的路。IT业注重成本,对于性能和可靠性要求适度即可,采用标准化的、通用的IT设备。而电信业过于注重和追求高性能、高可靠,网络由大量单一功能的、昂贵的、专用的硬件构成,采用了以硬件为中心、软硬件一体化的网络部署方式。

随着技术的发展、新兴业务的不断涌现、数据流量的迅猛增加,给电信业传统网络架构带来极大挑战,一方面传统网络架构无法支持业务功能的快速部署上线,需要开发新协议和新设备,耗时漫长,另一方面,成本居高不下,运营商压力巨大。

所以,当初业界在设计5G网络架构时,就决定采用新的思路,采用IT服务化核心网架构,和过去软硬件一体化、以硬件为中心的理念完全不同。

“和过去不同,5G硬件采用的通用服务器架构,同时由软件来定义网络功能,未来5G核心网都是基于数据中心,没有交换机。”信通院专家王志勤说道,在5G核心网中,完全采用和互联网相通的http协议来完成业务调度,“是在通用的互联网中建了专用的‘隧道’,定了一套移动通信特殊协议。”

也就是说, 相比于4G核心网,5G在架构、功能、部署平台上都有全新的设计,这种设计可以很好地满足5G对高性能的要求、对差异化的要求以及对运营商运营转型的需求。

可以像乐高一样进行组合

5G的核心网变得更加灵活,从而满足多样化、差异化的需求,一个关键因素在于:云化。 “5G核心网引入了云网融合,云化的5G网络必将带来革命性的变化。”业内专家许浩表示。

目前来看,运营商都朝着云化的方向前进。最早迈出步伐的是中国电信,早在2016年这家运营商就提出了CTNet2025网络重构战略,打造简洁、敏捷、开放、集约的新型网络,而5G网络作为移动网络的演进,是CTNet2025网络重构的重要组成部分。2018年6月,中国电信提出了“三朵云”5G网络架构:智能开放的控制云、灵活的接入云和高效低成本的转发云。对于“三朵云”的部署策略,韦乐平在之前举行的中国电信5G创新合作大会上表示,“控制云要先行,因为成熟度比较高,可以先行引入。转发云还要更加深入探索,而在接入云层面要加快步伐。”

在运营商向云化网络演进的过程中, SDN/NFV技术的引入是必然选择。SDN(软件定义网络)通过将网络设备的控制面和数据面分离开来,从而实现了网络流量的灵活控制,使网络作为管道变得更加智能。NFV(网络功能虚拟化)通过X86等通用硬件以及虚拟化技术,来承载很多功能的软件处理,使网络设备不再依赖于专用硬件,资源可以充分灵活分享,实现新业务的快速开发和部署。

“通俗来形容,我们可以把5G看作是乐高,必须通过SDN/NFV等这些工具,才能把不同大小、不同功能的组件进行拼搭,组成5G网络。”中国通信标准化协会TC5移动核心网组副组长夏旭说道。在他看来,基于SDN、NFV等技术,5G核心网的运行将更加敏捷、弹性、强壮,而且由于5G 核心网进行了功能的解耦,可以很好地实现轻量级运行,按需组合乐高玩具。

网络切片满足差异化需求

因为网络架构更加开放、更加灵活,所以5G具有以往通信技术所不具有的独特功能,比如说网络切片功能,这是5G(SA 5G)的亮点所在。

“网络切片是5G独特于4G的关键技术。一般来说,我们认为网络切片是面向租户,满足差异化SLA(Service Level Agreement,服务等级协议),可独立生命周期管理的虚拟网络,是面向特定的业务需求,自动化按需构建相互隔离的网络实例。”夏旭表示。

5G时代需要满足的业务场景十分多样,而且极具差异化,比如自动驾驶应用需要5G的低时延高可靠,VR等应用需要大带宽高速率的支持,而在智慧水表等大量物联网应用中,更需要的是海量连接,对时延和网速的要求并不高。

难道要为这些不同应用场景都构建一个网络?这显然是不合适的,如果这样做,运营商肯定会破产。这时,网络切片功能有了“用武之地”,它能将一张物理网络切割成多个端到端的虚拟网络,每个虚拟网络之间是逻辑独立的,任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他虚拟网络,以此满足不同的场景需求,或高速率,或低时延,或海量连接。如果说4G是把锋利的刀,那么网络切片功能则让5G变成多功能的“瑞士军刀”,不但能更锋利的切割,而且能钻孔、开启瓶盖、拧开螺丝、剪断铁丝等等,方便灵活,功能多样。

5G网络所提供端到端的网络切片能力,可以将所需的网络资源灵活动态地在全网中面向不同的需求进行分配及能力释放,并进一步动态优化网络连接,降低成本,提升效益。

“5G网络切片具备了‘端到端网络保障SLA、业务隔离、网络功能按需定制、自动化’的典型特征,”夏旭说道。比如在业务隔离方面,网络切片为不同的应用构建不同的网络实体,逻辑上相互隔离的专用网络确保不同的切片之间业务不会相互干扰。

运营商、设备商已经在网络切片方面进行深入探索,前不久,中国电信、国家电网和华为完成了业界首个基于真实电网环境的电力切片测试,这也成为全球首个基于最新3GPP标准5G SA网络的电力切片测试,增强电网与电力用户之间的双向互动,将因停电所造成的经济、社会影响降至最低。

边缘计算让服务离用户更近

和网络切片技术一样,边缘计算(MEC)也是5G的“特殊本领”之一。

“随着5G大幕即将拉开,MEC也浮出水面掀起一股热潮,”夏旭说道,特别是3GPP定义的5G系统架构中,明确提出了边缘域的概念。

所谓MEC,是通过将计算存储能力与业务服务能力向网络边缘迁移,使应用、服务 和内容可以实现本地化、近距离、分布式部署,从而一定程度解决了 5G eMBB、 URLLC以及 mMTC 等技术场景的业务需求,MEC的投入使用,能让内容、服务更靠近用户,降低网络时延。

“MEC将服务无限接近用户,触手可及,”夏旭表示,MEC有能力摆脱昂贵且高延迟的回程通信,“因此在5G到来之后,我们需要MEC来进一步降低网络时延,以满足工业制造、车联网等行业对5G提出的超低时延需求(URLLC)。”

在之前举行的中国电信5G创新合作大会上,中国电信现场展示了MEC应用。同一个摄像头拍摄的画面,通过普通公网和MEC两种实时传输到不远处的两台电视机上,很明显,在MEC方式下,画面的实时性更胜一筹,比公网方式快了3-4秒。通俗讲,用户不需要跑很远的路、花很长的时间,在家门口就能享受服务。这和目前的物流行业比较像,商品没有放在很远的中心仓库内,不需要从很远的地方发货,而是从附近的前置仓发货。

目前,中国电信已经自主研发了MEC平台,并将能力开放给合作伙伴,带来新的业务体验。比如中国电信与恒大足球俱乐部合作,打造智慧球场,带来VR直播、智能检票、智慧安防等服务,即使不在天河体育馆现场,也可以通过5G VR观看恒大比赛。

新技能“傍身”,无线接入网连接能力跨越

5G网络的巨变,不仅是核心网,离用户更近的无线接入网也和过去变得大不一样。

大规模天线、超密集组网、新的信道编码技术等众多新技术的采用,大幅提升了5G在无线接入侧的能力。作为新一代的移动通信技术, 5G要承担更多的使命,从技术底层开始变革。

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大规模天线提升频谱效率

“相较于前几代移动通信技术,5G不仅是速率上的提升,还给不同场景的业务提供不同的性能。从无线网来看,最核心的技术是大规模天线技术。4G没有真正意义上的多天线技术,只能做到2天线、4天线、8天线,而5G时代的Massive MIMO可以做到64天线以上,甚至128、256个振子的大规模天线阵都可以实现。”业内专家许浩告诉《IT时报》记者,Massive MIMO不仅是现有TD-LTE的增强技术,也是未来5G实现容量和频谱效率提升的核心技术。

去年,3GPP第一个标准版本(R15)已经冻结,包括Massive MIMO在内的多项技术标准已经落地。在中国电信发布的《中国电信5G白皮书》中也明确提及,结合实际部署场景和需求,首先在热点高容量地区优选64端口192振子的大规模天线设备提升系统容量和覆盖。此外,华为、中国移动、高通都曾在公开场合展示过自家的5G MIMO原型机。

在国内,用户已经能在一些特定区域体验到大规模天线技术带来的网速改变,在人流较多的演唱会、体育赛事上,为了满足用户随时随地的高清视频体验,运营商引入这项技术,为用户带来在原有网速上2到3倍的感知提升。

数据业务爆发式的增长对网络的容量、耗能提出了更高的要求,5G虽然速度更快,但也面临波长更短,信号传输衰减加剧,穿透性减弱等问题。“5G的频率越来越高,无线信号的损耗也会越来越大,使用Massive MIMO可以让信号更加聚焦发出去,补偿空口上信号的衰竭,让用户感知更好。” 许浩向《IT时报》记者介绍,大阵列MIMO技术有一定的基础,此前用于雷达领域。未来,Massive MIMO将会是实现5G峰值网络容量指标的重要手段之一。

据了解,从2G到4G,移动基站天线经历了全向天线、定向单极化天线、定向双极化天线、电调单极化天线、电调双极化天线、双频电调双极化到多频双极化天线以及MIMO天线、有源天线等过程。2G/3G时代,天线多为2端口,到了4G时代,随着MIMO技术的发展,天线多为4、6或者8端口。

超密集组网让网络无处不在

能提升系统的频谱效率的还有超密集组网(UHD)技术,不仅如此,它还能快速资源调度进行无线资源调配。

超密集组网,是5G时代移动蜂窝网络的重要部署方式和关键技术的集成创新。在许浩眼中,超密集组网并不能称之为技术,它更像是5G在高频段所产生的现象。未来,面向高频段大带宽,运营商将采用更加密集的网络方式来改善网络的覆盖,并且对业务进行分流,让网络部署更加灵活。比如,在室外采用宏基站+ 微基站,室内则采用微基站等方式来实现资源的调度。

去年12月,三大运营商获得全国范围5G中低频段试验频率使用许可,并且划定了相应的频谱。从具体分配情况来看,中国电信获得3400MHz-3500MHz共100MHz带宽的5G试验频率资源;中国移动获得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz频段的共260MHZ带宽的5G试验频率资源;中国联通获得3500MHz-3600MHz共100MHz带宽的5G试验频率资源。

“5G用3.5GHz,网络覆盖就弱一些,需要基站建设得更加密集,但超密集组网也将面临部署成本、干扰源、站址选址等问题。” 许浩向《IT时报》记者介绍,5G基站密度将是4G时代的3倍,随着站点密度的增加,用户可能会受到多个密集邻区的同频干扰,当切换过于频繁时,用户体验也会下降。另外,在4G大发展时已经建了很多基站,特别在一线城市,市区站址资源有限,3倍很难达到。

数据显示,2018年我国新建4G基站43.9万个,总数达到372万个。根据相关机构的估算,中国如果想高质量地完成5G网络的建设,至少需要581.4万个基站。业内人士介绍,运营商的办法是在建设5G基站的同时,让4G、5G共站址,最大化利用现有4G基站的能力,先建立一层广覆盖的5G网络,然后在基础条件比较差的地方通过加站补盲。

信道编码消除杂质干扰

许多人关注信道编码,源于一场纷争。去年网络上突然爆出帖子,指责联想在2016年3GPP的会议上,没有将赞成票投给华为,之后两家公司同时站出辟谣,联想及其旗下摩托罗拉移动对华为提出Polar码作为控制信道的编码机制的方案均投了赞成票。

让联想陷入网络漩涡的Polar码是一种信道编码,由于移动通信存在干扰和衰落,在信号传输过程中会出现差错,需要对数字信号必须采用纠检错技术,即纠检错编码技术,以增强数据在信道中传输时抵御各种干扰的能力,提高系统的可靠性。对在信道中传送的数字信号进行的纠检错编码的就是信道编码。

在3G、4G时代,采用的编码技术是Turbo码,现在已广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域。2016年, 3GPP确定了5G eMBB场景的信道编码技术方案,即长码编码以及和数据信道的上行和下行短码方案采用高通主推的LDPC码,控制信道编码则采用华为主推的Polar方案。

“主导Turbo码的Orange和爱立信前期没有针对5G做充足的准备和专利申请,当3GPP组织讨论编码时,便是以 Polar码和LDPC为主,Polar码是迄今为止发现的唯一一类能够达到香农极限的信道编码方法。”许浩介绍说,华为将Polar码作为信道编码方法测试其对5G场景的适用性,实现了27Gbps的下行速率,由于没有误码率,极地编码可以支持99.999%的可靠性,但对于5G采用Polar码和LDPC,意味着手机要采用两套硬件设计,从而将导致5G终端的成本稍高。

终端变革,从手机扩展至泛智能化设备

5G时代,握在用户手中的终端也将发生巨大变化。从1G到4G,手机一直是终端侧的绝对主角。而在5G时代,随着连接能力极大提升、连接范围的极大拓展,还有云端能力的增强,手机不再是唯一主角,各种泛智能设备将会出现、普及,为人们带来无处不在的信息生活。

5G手机,不一样的手机

电信行业资深分析师付亮表示:“未来手机的变化,更多的是功能的拓展。”这种功能拓展主要表现在三个方面:一是现在手机难以实现的VR、裸眼3D等功能在5G时代将实现;二是实现高清影视的快速下载,甚至是8K视频;三是在网络游戏方面,场景化体验增强。

在4G时代末期,智能手机趋于同质化,CPU处理速度、手机厚度、电池续航、相机像素等都成了各大厂商竞争焦点。今年2月,随着三星、华为相继发布5G折叠屏手机,折叠屏又掀起一股关注热潮。

付亮表示,屏幕扩大一直是趋势,各大手机厂商采用无边框、摄像头填埋等设计提高屏占比,目前已达到极致,“通过折叠屏、3D曲面等方式提升显示体验,只是延续了4G时用户对手机的需求。”

在交互方式上,付亮认为在5G时代,视频应用将会更加丰富。比如在支付方面,将会快速识别,高效完成支付过程。5G也会使远程面部识别、相关认证和远程视频客服等更加方便。5G时代,随着云端处理能力的增强,将大幅提升手机在AI处理、视频运算等方面的运力,为用户带来更好体验。

泛智能终端进一步普及

5G时代来临之后,通过软硬件结合的方式,将使非手机形态的终端拥有智能化的功能。这些泛智能终端可实现互联网服务的加载,为用户带来不一样的体验。

在付亮看来,CPE等泛智能硬件对5G的影响远超手机,更能体现5G的价值。这些泛智能设备将极大提升5G网络的连接性,做到让万物互联。同时为云端/终端配合提供新的解决方案,针对不同场景,做出更多的设计和产品规划,从而让设备更聪明。

VR/AR被很多人视为5G的典型应用,随着5G的到来,VR/AR技术将融入更多的终端设备中。基于5G高速率、低时延等优点,VR/AR设备的处理速度、反应速度等将得到很大提升,因此其参与性、互动性也更强,能真正地带给用户身临其境的效果。除了网游、直播、影视行业外,未来VR/AR设备的应用场景会更多,对远程办公、电子政务等传统行业或办事流程进行融合、改造,在一定程度上使它们VR或AR化。

标签: 5G技术 通信网络 人工智能
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