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一篇看得懂的5G純技術帖 讀完你也能成半個5G專家

“4G改變生活,5G改變社會”,5G的到來,將帶來一場影響深遠的全方位變革。5G的賦能、注智,將推動各行各業向著數字化、智能化的方向轉型升級,也推動社會治理和城市管理等更加智慧和高效。

5G帶來的改變是巨大且深遠的,5G之所以能有如此大的能量,因為通信技術自身在5G時代從內到外,從核心網到無線接入網、終端,都發生了巨大的變化,是通信業發展歷程中的劃時代變化。

改變由內而外

云化核心網打破封閉走向開放

5G不僅僅是一次信息通信技術的升級換代,更是一場影響深遠的全方位變革。5G帶來的變革,是由內而生,因為相比過往通信技術,5G時代的核心網架構從封閉走向了開放,通過網絡的全面云化,具備更加開放的能力,運營商與各行業連接的緊密性將達到前所未有的程度,交叉賦能,從而催生新的產業生態。

走向開放的網絡架構

“從1G到4G,都是封閉的網絡架構,5G開始是開放的架構,這是根本性的變化。”工信部通信科技委常務副主任韋樂平曾表示。

過去幾十年,電信業和IT業走了兩條完全不同的路。IT業注重成本,對于性能和可靠性要求適度即可,采用標準化的、通用的IT設備。而電信業過于注重和追求高性能、高可靠,網絡由大量單一功能的、昂貴的、專用的硬件構成,采用了以硬件為中心、軟硬件一體化的網絡部署方式。

隨著技術的發展、新興業務的不斷涌現、數據流量的迅猛增加,給電信業傳統網絡架構帶來極大挑戰,一方面傳統網絡架構無法支持業務功能的快速部署上線,需要開發新協議和新設備,耗時漫長,另一方面,成本居高不下,運營商壓力巨大。

所以,當初業界在設計5G網絡架構時,就決定采用新的思路,采用IT服務化核心網架構,和過去軟硬件一體化、以硬件為中心的理念完全不同。

“和過去不同,5G硬件采用的通用服務器架構,同時由軟件來定義網絡功能,未來5G核心網都是基于數據中心,沒有交換機。”信通院專家王志勤說道,在5G核心網中,完全采用和互聯網相通的http協議來完成業務調度,“是在通用的互聯網中建了專用的‘隧道’,定了一套移動通信特殊協議。”

也就是說, 相比于4G核心網,5G在架構、功能、部署平臺上都有全新的設計,這種設計可以很好地滿足5G對高性能的要求、對差異化的要求以及對運營商運營轉型的需求。

可以像樂高一樣進行組合

5G的核心網變得更加靈活,從而滿足多樣化、差異化的需求,一個關鍵因素在于:云化。 “5G核心網引入了云網融合,云化的5G網絡必將帶來革命性的變化。”業內專家許浩表示。

目前來看,運營商都朝著云化的方向前進。最早邁出步伐的是中國電信,早在2016年這家運營商就提出了CTNet2025網絡重構戰略,打造簡潔、敏捷、開放、集約的新型網絡,而5G網絡作為移動網絡的演進,是CTNet2025網絡重構的重要組成部分。2018年6月,中國電信提出了“三朵云”5G網絡架構:智能開放的控制云、靈活的接入云和高效低成本的轉發云。對于“三朵云”的部署策略,韋樂平在之前舉行的中國電信5G創新合作大會上表示,“控制云要先行,因為成熟度比較高,可以先行引入。轉發云還要更加深入探索,而在接入云層面要加快步伐。”

在運營商向云化網絡演進的過程中, SDN/NFV技術的引入是必然選擇。SDN(軟件定義網絡)通過將網絡設備的控制面和數據面分離開來,從而實現了網絡流量的靈活控制,使網絡作為管道變得更加智能。NFV(網絡功能虛擬化)通過X86等通用硬件以及虛擬化技術,來承載很多功能的軟件處理,使網絡設備不再依賴于專用硬件,資源可以充分靈活分享,實現新業務的快速開發和部署。

“通俗來形容,我們可以把5G看作是樂高,必須通過SDN/NFV等這些工具,才能把不同大小、不同功能的組件進行拼搭,組成5G網絡。”中國通信標準化協會TC5移動核心網組副組長夏旭說道。在他看來,基于SDN、NFV等技術,5G核心網的運行將更加敏捷、彈性、強壯,而且由于5G 核心網進行了功能的解耦,可以很好地實現輕量級運行,按需組合樂高玩具。

網絡切片滿足差異化需求

因為網絡架構更加開放、更加靈活,所以5G具有以往通信技術所不具有的獨特功能,比如說網絡切片功能,這是5G(SA 5G)的亮點所在。

“網絡切片是5G獨特于4G的關鍵技術。一般來說,我們認為網絡切片是面向租戶,滿足差異化SLA(Service Level Agreement,服務等級協議),可獨立生命周期管理的虛擬網絡,是面向特定的業務需求,自動化按需構建相互隔離的網絡實例。”夏旭表示。

5G時代需要滿足的業務場景十分多樣,而且極具差異化,比如自動駕駛應用需要5G的低時延高可靠,VR等應用需要大帶寬高速率的支持,而在智慧水表等大量物聯網應用中,更需要的是海量連接,對時延和網速的要求并不高。

難道要為這些不同應用場景都構建一個網絡?這顯然是不合適的,如果這樣做,運營商肯定會破產。這時,網絡切片功能有了“用武之地”,它能將一張物理網絡切割成多個端到端的虛擬網絡,每個虛擬網絡之間是邏輯獨立的,任何一個虛擬網絡發生故障都不會影響到其他虛擬網絡,以此滿足不同的場景需求,或高速率,或低時延,或海量連接。如果說4G是把鋒利的刀,那么網絡切片功能則讓5G變成多功能的“瑞士軍刀”,不但能更鋒利的切割,而且能鉆孔、開啟瓶蓋、擰開螺絲、剪斷鐵絲等等,方便靈活,功能多樣。

5G網絡所提供端到端的網絡切片能力,可以將所需的網絡資源靈活動態地在全網中面向不同的需求進行分配及能力釋放,并進一步動態優化網絡連接,降低成本,提升效益。

“5G網絡切片具備了‘端到端網絡保障SLA、業務隔離、網絡功能按需定制、自動化’的典型特征,”夏旭說道。比如在業務隔離方面,網絡切片為不同的應用構建不同的網絡實體,邏輯上相互隔離的專用網絡確保不同的切片之間業務不會相互干擾。

運營商、設備商已經在網絡切片方面進行深入探索,前不久,中國電信、國家電網和華為完成了業界首個基于真實電網環境的電力切片測試,這也成為全球首個基于最新3GPP標準5G SA網絡的電力切片測試,增強電網與電力用戶之間的雙向互動,將因停電所造成的經濟、社會影響降至最低。

邊緣計算讓服務離用戶更近

和網絡切片技術一樣,邊緣計算(MEC)也是5G的“特殊本領”之一。

“隨著5G大幕即將拉開,MEC也浮出水面掀起一股熱潮,”夏旭說道,特別是3GPP定義的5G系統架構中,明確提出了邊緣域的概念。

所謂MEC,是通過將計算存儲能力與業務服務能力向網絡邊緣遷移,使應用、服務 和內容可以實現本地化、近距離、分布式部署,從而一定程度解決了 5G eMBB、 URLLC以及 mMTC 等技術場景的業務需求,MEC的投入使用,能讓內容、服務更靠近用戶,降低網絡時延。

“MEC將服務無限接近用戶,觸手可及,”夏旭表示,MEC有能力擺脫昂貴且高延遲的回程通信,“因此在5G到來之后,我們需要MEC來進一步降低網絡時延,以滿足工業制造、車聯網等行業對5G提出的超低時延需求(URLLC)。”

在之前舉行的中國電信5G創新合作大會上,中國電信現場展示了MEC應用。同一個攝像頭拍攝的畫面,通過普通公網和MEC兩種實時傳輸到不遠處的兩臺電視機上,很明顯,在MEC方式下,畫面的實時性更勝一籌,比公網方式快了3-4秒。通俗講,用戶不需要跑很遠的路、花很長的時間,在家門口就能享受服務。這和目前的物流行業比較像,商品沒有放在很遠的中心倉庫內,不需要從很遠的地方發貨,而是從附近的前置倉發貨。

目前,中國電信已經自主研發了MEC平臺,并將能力開放給合作伙伴,帶來新的業務體驗。比如中國電信與恒大足球俱樂部合作,打造智慧球場,帶來VR直播、智能檢票、智慧安防等服務,即使不在天河體育館現場,也可以通過5G VR觀看恒大比賽。

新技能“傍身”

無線接入網連接能力跨越

5G網絡的巨變,不僅是核心網,離用戶更近的無線接入網也和過去變得大不一樣。

大規模天線、超密集組網、新的信道編碼技術等眾多新技術的采用,大幅提升了5G在無線接入側的能力。作為新一代的移動通信技術, 5G要承擔更多的使命,從技術底層開始變革。

大規模天線提升頻譜效率

“相較于前幾代移動通信技術,5G不僅是速率上的提升,還給不同場景的業務提供不同的性能。從無線網來看,最核心的技術是大規模天線技術。4G沒有真正意義上的多天線技術,只能做到2天線、4天線、8天線,而5G時代的Massive MIMO可以做到64天線以上,甚至128、256個振子的大規模天線陣都可以實現。”業內專家許浩告訴《IT時報》記者,Massive MIMO不僅是現有TD-LTE的增強技術,也是未來5G實現容量和頻譜效率提升的核心技術。

去年,3GPP第一個標準版本(R15)已經凍結,包括Massive MIMO在內的多項技術標準已經落地。在中國電信發布的《中國電信5G白皮書》中也明確提及,結合實際部署場景和需求,首先在熱點高容量地區優選64端口192振子的大規模天線設備提升系統容量和覆蓋。此外,華為、中國移動、高通都曾在公開場合展示過自家的5G MIMO原型機。

在國內,用戶已經能在一些特定區域體驗到大規模天線技術帶來的網速改變,在人流較多的演唱會、體育賽事上,為了滿足用戶隨時隨地的高清視頻體驗,運營商引入這項技術,為用戶帶來在原有網速上2到3倍的感知提升。

數據業務爆發式的增長對網絡的容量、耗能提出了更高的要求,5G雖然速度更快,但也面臨波長更短,信號傳輸衰減加劇,穿透性減弱等問題。“5G的頻率越來越高,無線信號的損耗也會越來越大,使用Massive MIMO可以讓信號更加聚焦發出去,補償空口上信號的衰竭,讓用戶感知更好。” 許浩向《IT時報》記者介紹,大陣列MIMO技術有一定的基礎,此前用于雷達領域。未來,Massive MIMO將會是實現5G峰值網絡容量指標的重要手段之一。

據了解,從2G到4G,移動基站天線經歷了全向天線、定向單極化天線、定向雙極化天線、電調單極化天線、電調雙極化天線、雙頻電調雙極化到多頻雙極化天線以及MIMO天線、有源天線等過程。2G/3G時代,天線多為2端口,到了4G時代,隨著MIMO技術的發展,天線多為4、6或者8端口。

超密集組網讓網絡無處不在

能提升系統的頻譜效率的還有超密集組網(UHD)技術,不僅如此,它還能快速資源調度進行無線資源調配。

超密集組網,是5G時代移動蜂窩網絡的重要部署方式和關鍵技術的集成創新。在許浩眼中,超密集組網并不能稱之為技術,它更像是5G在高頻段所產生的現象。未來,面向高頻段大帶寬,運營商將采用更加密集的網絡方式來改善網絡的覆蓋,并且對業務進行分流,讓網絡部署更加靈活。比如,在室外采用宏基站+ 微基站,室內則采用微基站等方式來實現資源的調度。

去年12月,三大運營商獲得全國范圍5G中低頻段試驗頻率使用許可,并且劃定了相應的頻譜。從具體分配情況來看,中國電信獲得3400MHz-3500MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源;中國移動獲得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz頻段的共260MHZ帶寬的5G試驗頻率資源;中國聯通獲得3500MHz-3600MHz共100MHz帶寬的5G試驗頻率資源。

“5G用3.5GHz,網絡覆蓋就弱一些,需要基站建設得更加密集,但超密集組網也將面臨部署成本、干擾源、站址選址等問題。” 許浩向《IT時報》記者介紹,5G基站密度將是4G時代的3倍,隨著站點密度的增加,用戶可能會受到多個密集鄰區的同頻干擾,當切換過于頻繁時,用戶體驗也會下降。另外,在4G大發展時已經建了很多基站,特別在一線城市,市區站址資源有限,3倍很難達到。

數據顯示,2018年我國新建4G基站43.9萬個,總數達到372萬個。根據相關機構的估算,中國如果想高質量地完成5G網絡的建設,至少需要581.4萬個基站。業內人士介紹,運營商的辦法是在建設5G基站的同時,讓4G、5G共站址,最大化利用現有4G基站的能力,先建立一層廣覆蓋的5G網絡,然后在基礎條件比較差的地方通過加站補盲。

信道編碼消除雜質干擾

許多人關注信道編碼,源于一場紛爭。去年網絡上突然爆出帖子,指責聯想在2016年3GPP的會議上,沒有將贊成票投給華為,之后兩家公司同時站出辟謠,聯想及其旗下摩托羅拉移動對華為提出Polar碼作為控制信道的編碼機制的方案均投了贊成票。

讓聯想陷入網絡漩渦的Polar碼是一種信道編碼,由于移動通信存在干擾和衰落,在信號傳輸過程中會出現差錯,需要對數字信號必須采用糾檢錯技術,即糾檢錯編碼技術,以增強數據在信道中傳輸時抵御各種干擾的能力,提高系統的可靠性。對在信道中傳送的數字信號進行的糾檢錯編碼的就是信道編碼。

在3G、4G時代,采用的編碼技術是Turbo碼,現在已廣泛應用于深空通信、光纖通信、衛星數字視頻和音頻廣播等領域。2016年, 3GPP確定了5G eMBB場景的信道編碼技術方案,即長碼編碼以及和數據信道的上行和下行短碼方案采用高通主推的LDPC碼,控制信道編碼則采用華為主推的Polar方案。

“主導Turbo碼的Orange和愛立信前期沒有針對5G做充足的準備和專利申請,當3GPP組織討論編碼時,便是以 Polar碼和LDPC為主,Polar碼是迄今為止發現的唯一一類能夠達到香農極限的信道編碼方法。”許浩介紹說,華為將Polar碼作為信道編碼方法測試其對5G場景的適用性,實現了27Gbps的下行速率,由于沒有誤碼率,極地編碼可以支持99.999%的可靠性,但對于5G采用Polar碼和LDPC,意味著手機要采用兩套硬件設計,從而將導致5G終端的成本稍高。

終端變革

從手機擴展至泛智能化設備

5G時代,握在用戶手中的終端也將發生巨大變化。從1G到4G,手機一直是終端側的絕對主角。而在5G時代,隨著連接能力極大提升、連接范圍的極大拓展,還有云端能力的增強,手機不再是唯一主角,各種泛智能設備將會出現、普及,為人們帶來無處不在的信息生活。

5G手機,不一樣的手機

電信行業資深分析師付亮表示:“未來手機的變化,更多的是功能的拓展。”這種功能拓展主要表現在三個方面:一是現在手機難以實現的VR、裸眼3D等功能在5G時代將實現;二是實現高清影視的快速下載,甚至是8K視頻;三是在網絡游戲方面,場景化體驗增強。

在4G時代末期,智能手機趨于同質化,CPU處理速度、手機厚度、電池續航、相機像素等都成了各大廠商競爭焦點。今年2月,隨著三星、華為相繼發布5G折疊屏手機,折疊屏又掀起一股關注熱潮。

付亮表示,屏幕擴大一直是趨勢,各大手機廠商采用無邊框、攝像頭填埋等設計提高屏占比,目前已達到極致,“通過折疊屏、3D曲面等方式提升顯示體驗,只是延續了4G時用戶對手機的需求。”

在交互方式上,付亮認為在5G時代,視頻應用將會更加豐富。比如在支付方面,將會快速識別,高效完成支付過程。5G也會使遠程面部識別、相關認證和遠程視頻客服等更加方便。5G時代,隨著云端處理能力的增強,將大幅提升手機在AI處理、視頻運算等方面的運力,為用戶帶來更好體驗。

泛智能終端進一步普及

5G時代來臨之后,通過軟硬件結合的方式,將使非手機形態的終端擁有智能化的功能。這些泛智能終端可實現互聯網服務的加載,為用戶帶來不一樣的體驗。

在付亮看來,CPE等泛智能硬件對5G的影響遠超手機,更能體現5G的價值。這些泛智能設備將極大提升5G網絡的連接性,做到讓萬物互聯。同時為云端/終端配合提供新的解決方案,針對不同場景,做出更多的設計和產品規劃,從而讓設備更聰明。

VR/AR被很多人視為5G的典型應用,隨著5G的到來,VR/AR技術將融入更多的終端設備中。基于5G高速率、低時延等優點,VR/AR設備的處理速度、反應速度等將得到很大提升,因此其參與性、互動性也更強,能真正地帶給用戶身臨其境的效果。除了網游、直播、影視行業外,未來VR/AR設備的應用場景會更多,對遠程辦公、電子政務等傳統行業或辦事流程進行融合、改造,在一定程度上使它們VR或AR化。

IT時報記者:錢立富 吳雨欣 李玉洋

編輯:挨踢妹

圖片:東方IC 壹圖網

來源:《IT時報》公眾號vittimes


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