理论篇·关于5G的一些小知识

关于5G的一些小知识

移动通信发展历程

‘G’代表一代

每10年一个周期

1G时代：语音(1980S)

最能代表1G时代特征的，是美国摩托罗拉公司在上世纪90年代推出并风靡全球的大哥大，即移动手提式电话。相信经历过那个年代的人们都还记得，风衣、墨镜、大哥大这样的打扮在那个年代可是身份和财富的象征。大哥大的推出，依赖于第一代移动通讯系统（1G）技术的成熟和应用。
1986年，第一代移动通讯系统（1G）在美国芝加哥诞生，采用模拟讯号传输。即将电磁波进行频率调制后，将语音信号转换到载波电磁波上，载有信息的电磁波发布到空间后，由接收设备接收，并从载波电磁波上还原语音信息，完成一次通话。但各个国家的1G通信标准并不一致，使得第一代移动通讯并不能“全球漫游”，这大大阻碍了1G的发展。同时，由于1G采用模拟讯号传输，所以其容量非常有限，一般只能传输语音信号，且存在语音品质低、讯号不稳定、涵盖范围不够全面，安全性差和易受干扰等问题。

2G时代：短信(1990S)

1994年，前中国邮电部长吴基传用诺基亚2110拨通了中国移动通信史上第一个GSM电话，中国开始进入2G时代，在这之后的那些年，诺基亚带给了我们无数经典手机。
诺基亚2110
和1G不同的是，2G采用的是数字调制技术。因此，第二代移动通信系统的容量也在增加，随着系统容量的增加，2G时代的手机可以上网了，虽然数据传输的速度很慢（每秒9.6–14.4kbit），但文字信息的传输由此开始了，这成为当今移动互联网发展的基础。
2G时代也是移动通信标准争夺的开始，主要通讯标准有以摩托罗拉为代表的CDMA美国标准和以诺基亚为代表的GSM欧洲标准。最终随着GSM标准在全球范围更加广泛的使用，诺基亚击败摩托罗拉成为了全球移动手机行业的霸主，直到乔布斯iphone的诞生……

3G时代：社交应用(2000S)

2G时代，手机只能打电话和发送简单的文字信息，虽然这已经大大提升了效率，但是日益增长的图片和视频传输的需要，人们对于数据传输速度的要求日趋高涨，2G时代的网速显然不能支撑满足这一需求。于是高速数据传输的蜂窝移动通讯技术——3G应运而生。
相比于2G，3G依然采用数字数据传输，但通过开辟新的电磁波频谱、制定新的通信标准，使得3G的传输速度可达每秒384kbit，在室内稳定环境下甚至有每秒2 Mbit的水准，是2G时代的140倍。由于采用更宽的频带，传输的稳定性也大大提高。速度的大幅提升和稳定性的提高，使大数据的传送更为普遍，移动通讯有更多样化的应用，因此3G被视为是开启移动通讯新纪元的重要关键。
2007年，乔布斯发布iphone，智能手机的浪潮随即席卷全球。从某种意义上讲，终端功能的大幅提升也加快了移动通信系统的演进脚步。2008年，支持3G网络的iphone3G发布，人们可以在手机上直接浏览电脑网页，收发邮件，进行视频通话，收看直播等，人类正式步入移动多媒体时代。

4G时代：在线、互动、游戏(2010)

2013年12月，工信部在其官网上宣布向中国移动、中国电信、中国联通颁发“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营许可，也就是4G牌照。至此，移动互联网进入了一个新的时代。
4G是在3G基础上发展起来的，采用更加先进通讯协议的第四代移动通讯网络。对于用户而言，2G、3G、4G网络最大的区别在于传速速度不同，4G网络作为最新一代通讯技术，在传输速度上有着非常大的提升，理论上网速度是3G的50倍，实际体验也都在10倍左右，上网速度可以媲美20M家庭宽带，因此4G网络可以具备非常流畅的速度，观看高清电影、大数据传输速度都非常快。
如今4G已经像 “水电”一样成为我们生活中不可缺少的基本资源。微信、微博、视频等手机应用成为生活中的必须，我们无法想象离开手机的生活。由此，4G使人类进入了移动互联网的时代

5G时代：虚拟现实、‘零’时延感知(2020)

随着移动通信系统带宽和能力的增加，移动网络的速率也飞速 提升，从2G时代的每秒10Kbit，发展到4G时代的每秒1Gbit，足足增长 了10万倍。历代移动通信的发展，都以典型的技术特征为代表，同时诞生出新的业务和应用场景。而5G将不同于传统的几代移动通信，5G不再由某项业务能力或者某个典型技术特征所定义，它不仅是更高速率、更大带宽、更强能力的技术，而且是一个多业务多技术融合的网络，更是面向业务应用和用户体验的智能网络，最终打造以用户为中心的信息生态系统。
以用户为中心的生态系统

5G技术指标

技术指标

中国5G之花

移动性

移动性历代移动通信系统重要的性能指标，指在满足一定系统性能的前提下，通信双方最大相对移动速度。5G移动通信系统需要支持飞机、高速公路、城市地铁等超高速移动场景，同时也需要支持数据采集、工业控制低速移动或非移动场景。因此，5G移动通信系统的设计需要支持更广泛的移动性。

时延

时延采用OTT或RTT来衡量，前者是指发送端到接收端接收数据之间的间隔，后者是指发送端到发送端数据从发送到确认的时间间隔。在4G时代，网络架构扁平化设计大大提升了系统时延性能。在5G时代，车辆通信、工业控制、增强现实等业务应用场景，对时延提出了更高的要求，最低空口时延要求达到了1ms。在网络架构设计中，时延与网络拓扑结构、网络负荷、业务模型、传输资源等因素密切相关。

用户感知速率

5G时代将构建以用户为中心的移动生态信息系统，首次将用户感知速率作为网络性能指标。用户感知速率是指单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量。实际网络应用中，用户感知速率受到众多因素的影响，包括网络覆盖环境、网络负荷、用户规模和分布范围、用户位置、业务应用等因素，一般采用期望平均值和统计方法进行评估分析。

峰值速率

峰值速率是指用户可以获得的最大业务速率，相比4G网络，5G移动通信系统将进一步提升峰值速率，可以达到数十Gbps。

连接数密度

在5G时代存在大量物联网应用需求，网络要求具备超千亿设备连接能力。连接数密度是指单位面积内可以支持的在线设备总和，是衡量5G移动网络对海量规模终端设备的支持能力的重要指标，一般不低于十万/平方公里。

流量密度

流量密度是单位面积内的总流量数，是衡量移动网络在一定区域范围内数据传输能力。在5G时代需要支持一定局部区域的超高数据传输，网络架构应该支持每平方公里能提供数十Tbps的流量。在实际网络中，流量密度与多个因素相关，包括网络拓扑结构、用户分布、业务模型等因素。

三大主要应用场景

大规模海量机器类通信mMTC
增强移动带宽eMBB
超高可靠低时延通信uRLLC

5G应用场景

 VR:虚拟现实
 AR:增强现实
 MR:混合现实

车联网

远程医疗

智慧城市（整合、感知、协作、创新）

 智慧的公共安全（犯罪信息仓库、突发事件响应、数字监控系统）
 智慧的医疗（电子病历、家庭健康服务、医疗费用管理）
 智慧的交通（自动收费、票务管理、运输信息管理）
 智慧建筑
 智慧的公共事业（高速宽带网络、智慧的电力、建筑能耗评估监测、水处理/水资源管理）
 智慧的教育与科技
 智慧的市民服务-人的吃、穿、睡（失业保险金管理、就业服务、家庭服务、住宅信息管理）

5G关键技术

5G需要满足热点高容量场景（高流量密度、高速率）

超密集组网：大量增加小基站、以空间换性能

基站一般包括：宏基站和小基站
宏基站：即“铁塔站”，一般覆盖范围数千米
小基站：一般覆盖范围在10~200M,小基站又分为
 家庭基站
 微基站
 微微基站（又称皮基站）
 室内基站
 个人基站
小基站的优势
 体积小，成本低，安装容易，适合深度覆盖
 功率小，干扰小，更小的范围内实现频率复用，提升容量
 距离用户近，提升信号质量和高速率
小基站性能指标及参数

部署架构：

 宏基站+微基站
 微基站+微基站

关键技术：

 多链接技术
 无线回传技术
 大规模天线阵列
优点：（传统天线2、4、8根。Massive MIMO可达64、128、256根天线）
 提升了信号可靠性
 提升了基站吞吐率
 大幅度降低对周边基站的干扰
 服务更多的移动终端
 动态自组织网络（SON）

用于满足低延时高可靠场景

优点：
 部署灵活
 支持多跳
 高可靠性
 支持超高带宽

软件定义网络（SDN）

 物理上分离控制平面和转发平面
 控制器集中管理多台转发设备
 服务和程序部署在控制器上

网络功能虚拟化（NFV）

 软硬件解耦，虚拟化
 通用硬件实现网络功能
【SDN与NFV的区别】
SDN是面向网络架构的创新
NFV是面向设备形态的创新

5G面临的挑战

 频谱资源
 频谱资源挑战：
 5GHz以下的频段已非常拥挤
 解决方向：高频段和超高频段
 新业务

新业务挑战

 uRLLC:对时延、可靠性要求很高
 mMTC：对连接数量、耗电/待机要求较高
 eMBB：AR/VR等传输速率要求高
 新场景

新使用场景挑战

 移动热点：大量热点带来的超密集组网挑战
 物联网络：物联新业务远超人的活动范围
 低空/高空覆盖：无人机、飞机航线覆盖等
 终端设备
 终端设备挑战
 联网终端爆发时增长
 终端多模研发、工艺、电池寿命等挑战
 安全挑战

三大场景安全挑战

 uRLLC:低延时的安全算法、边缘计算、隐私保护
 mMTC：轻量化安全、海量连接信令风暴
 eMBB：安全处理性能、二次认证、已知漏洞

新架构安全挑战

 SDN、NFV等新安全挑战