人人学5G

一、5g起源与展望

1.1 移动通信的发展历程

1.1.1 蜂窝网络(Cellular network)

蜂窝网络，又称移动网络（mobile network）是一种移动通信硬件架构，分为模拟蜂窝网络和数字蜂窝网络。由于构成网络覆盖的各通信基地台的信号覆盖呈六边形，从而使整个网络像一个蜂窝而得名。

1.1.2 第一代移动通信技术—1G

1978年，美国贝尔实验室开发了先进移动电话业务（AMPS）系统，这是第一种真正意义上的具有随时随地通信能力的大容量的蜂窝移动通信系统。AMPS 采用频率复用技术，可以保证移动终端在整个服务覆盖区域内自动接入公用电话网，具有更大的容量和更好的语音质量，很好地解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源限制的矛盾。20 世纪70 年代末，美国开始大规模部署AMPS 系统。AMPS 以优异的网络性能和服务质量获得了广大用户的一致好评。AMPS 在美国的迅速发展促进了在全球范围内对蜂窝移动通信技术的研究。到20 世纪80 年代中期，欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网络，主要包括英国的ETACS 系统、北欧的NMT-450 系统、日本的NTT/JTACS/NTACS 系统等。这些系统都是模拟制式的频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）系统，亦被称为第一代蜂窝移动通信系统或1G 系统。

缺点：系统容量有限、仅能提供基础语音服务、安全性较差、干扰大、终端价格昂贵。

1.1.3 第二代移动通信技术—2G

1980年后期，随着大规模集成电路微处理器的发展带动第二代数字蜂窝移动通信的兴起。800MHz CDMA 第二代数字蜂窝移动通信(简称CDMA移动通信)业务是指利用工作在800MHz 频段上的CDMA移动通信网络提供的话音和数据业务。CDMA移动通信的无线接口采用窄带码分多址CDMA技术，核心网移动性管理协议采用IS-41协议。
800MHz CDMA第二代数字蜂窝移动通信业务包括以下主要业务类型：
-端到端的双向话音业务。
-移动消息业务，利用CDMA网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。
-移动承载业务及其上移动数据业务。
-移动补充业务，如主叫号码显示、呼叫前转业务等。
-经过CDMA网络与智能网共同提供的移动智能网业务，如预付费业务等。
-国内漫游和国际漫游业务。
即2G可以提供基础语音+sms短信+低速数据服务。
800MHz CDMA 第二代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建CDMA移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。提供一次移动通信业务经过的网络，可以是同一个运营者的网络，也可以由不同运营者的网络共同完成。

1.1.4 第三代移动通信技术—3G

21世纪初期，3G开始开始涌现，第三代数字蜂窝移动通信(简称3G移动通信)业务是指利用第三代移动通信网络提供的话音、数据、视频图像等业务。
第三代数字蜂窝移动通信业务主要特征是可提供移动宽带多媒体业务，其中高速移动环境下支持144kb/s速率，步行和慢速移动环境下支持384kb/s速率，室内环境支持2Mb/s速率数据传输，并保证高可靠服务质量(QoS) 。第三代数字蜂窝移动通信业务包括第二代蜂窝移动通信可提供的所有的业务类型和移动多媒体业务。
第三代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建3G移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是端到端业务的一部分或全部。提供一次移动通信业务经过的网络，可以是同一个运营者网络设施，也可以由不同运营者的网络设施共同完成。提供国际通信业务必须经过国家批准并设立的国际通信出入口。
3G 支持高速的数据服务，3G采用CDMA码分多址技术，网络容量增大、较好支持数据业务，支持音乐、图片视频等多媒体信息业务、浏览网站、电话会议，电子商务。主要的3G技术包括WCDMA CDMA 2000 TD-SCDMA。数据业务达到1Mbps以上,智能手机的引入使得数据业务更加普及，但是由于采用不同的技术，网络和终端的兼容性也困扰着运营商和消费者。

1.1.5 第四代移动通信技术—4G

4G 3GPP主导的LTE技术

虽然3G系统解决了1G、2G系统的弊端，但其实际速度远未达到预期值，随后国际组织3GPP和3GPP2又开始了新一轮的3G演进计划，在众多候选标准中LTE脱颖而出，于2004年底, 3GPP组织启动了“LTE计划”, 该计划实现了3G向4G的平滑过渡，所以LTE又被称为准4G标准。该计划的最终目标是：提供一个低时延、高吞吐量、大规模覆盖的无线通信网络。LTE有FDD和TDD两种工作方式，其中LTE-TDD具有我国自主知识产权，2013年年底在我国实现了商用，其高速的带宽能力为用户带来了全新的体验。目前，全球已经部署了超过400万个LTE基站，预计此数目还将随着未来的发展不断增长。
LTE（long term evolution）由于采用新的网路架构和无线技术，可支持高速数据服务（100Mbps）。
LTE-A通过多载波聚合方法，使得4G峰值速率接近1Gbps真正实现了类似有线接入的数据速率。移动宽带也逐步进入每个人的生活，金融 支付、旅游购物、社交娱乐等都逐步应用了4G网络的移动互联网功能
总而言之，1G实现了移动通信的从无到有，2G实现了从模拟时代走向数字时代，并且使得全社会感受到移动通信带来的便利。3G实现从语音时代走向数据时代。4G时代网络带宽大幅提升，实现数据业务的普及，大大扩展了移动通信网络的应用领域与价值。

1.2 5G发展前景与展望

蜂窝网络经过多年的建设，已经成为移动通信的基础，覆盖范围广泛，通信安全可靠。根据高通公司预测，截至 2025年全球物联网连接将超过 50亿。从智能穿戴设备到智能水表、电表，从智能井盖到车载终端，将涵盖智慧城市、智慧交通、环境监测及医疗保健等各个方面。大量的智能终端会接入网络，蜂窝网络将成为物联网的主要承载网络。随着物联网接入方式的多样化，及雾计算、边缘计算和云计算的发展，面向 5G 网络的蜂窝物联网的架构也逐渐清晰，架构图如图1所示。网络架构中分离了传输层与边缘资源层，解耦了应用层与服务管理层。

感知层是信息的入口，通过各种传感器和嵌入式控制器，将采集的各种参数通过各种通信方式，如ZigBee，蓝牙，WiFi，LoRa等汇入感知层。感知层是整个架构的最前端，所有数据信息通过该层产生，是架构中的基础架构。
传输层负责数据的传输，5G 终端、NB ⁃IOT 终端及eMTC 终端都被划分在该层。传输层的另一重要组成部分就是 5G 物联网网关，负责协议转换并传输，把感知层各种通信方式（ZigBee，蓝牙，WiFi，LoRa 等）转换为 5G通信兼容数据格式。
边缘计算层的主要功能是设备接入及数据处理。边缘计算终端多采用嵌入式终端，通过边缘计算可以有效分担并降低核心网络开销，核心网络只需处理边缘计算后的数据，大大提高了网络性能。该层还涉及安全、认证及身份识别等功能。
雾计算连接云计算层，提供物联网边缘计算层与公有云及私有云的无缝连接，包括接口定义、权限管理、资源管理及功能定义等。
云计算层包括公有云和私有云，是所有数据的汇入点，海量数据在云数据中心存储并计算，为上层应用提供服务。
架构的最高层为应用层，架构中所有层次的最终目的是为该层服务，通过大数据处理以支撑人工智能、决策支持及车辆网等应用。
5G时代持续提升的数据速率，5G之前的网络主要聚焦于人与人之间的通信，基于全连接的智能社会会给人类社会带来巨大的价值。

低时延也会成为5G网络的重要特征之一
5G通过它强大的网络能力，将会支撑更多的行业应用，并将转型为一个端到端的生态系统，它将打造一个全移动和全连接的社会。

二、5G产业进展

2.1 移动业务需求趋势及业务场景

4K&8K视频、AR/VR以及车联网等这些新的业务场景是移动网络的发展趋势但是4G网络不能很好支持。
第一个趋势是数据量的增加（高速率）
移动数据量的爆发式增长，需要移动网络具有更高的速率，比如以一部8GB的高清电影下载时间为例，如果使用3G网络（14Mbps的下行速率）需要70min完成下载，如果使用4G网络（150Mbps的下行速率）则需要7分钟，下载时常仍然太久，客户需要的是秒级的下载体验，所以下载速率需要10Gbps甚至以上。移动网络的高速率可以给用户带来更好的业务体验。
未来移动宽带的杀手级应用-VR,近几年虚拟现实（VR）变得越来越热门，许多互联网公司和科技巨头纷纷参与其中，未来的VR应用范围将会不断拓展
在娱乐教育网购等展开应用。在2017年的世界移动通信大会上，多家大型汽车公司均采用VR来呈现自己的产品和方案，以沉浸式的体验让观众更为直观，更身临其境地了解自动驾驶汽车地特色，这预示着VR产品的直播功能已经成为了展会发布会的新展示方式，VR业务将带来大量的视频流量的增长，这些VR业务需要高速率的支持。立项的VR体验需要2Gbps的速率是目前4G网络无法支持的 。
第二个趋势是连接数量的增加（大连接），随着智慧城市的发展，我们的网络的连接越来越多，除了人与人的连接，也越来越多出现了人与物，物与物的连接，我们的水表、气表、路灯等都可以接入网络中，这要求移动通信连接更多的物，尽管4G能为每个小区提供上千个连接，但无法满足全连接世界里万物互联的需要，未来每平方公里的连接数将达到百万个，这将是指数级增长。连接将渗透到未来社会的各个领域–万物移动互联。从人与人的连接到人与物以及物与物的连接，整个社会将通过移动互联全面改造大大提升社会效率。

未来网络将拥有多达千亿的智能节点，届时我们生活中的所有东西都会被连接，包括我们的眼镜、手表、鞋子，工厂里的转运箱、叉车、机械手这汇总连接能力对工业应用具有极大价值。
第三大趋势：业务场景的多样化（低时延）
传统的移动网络提供基本的语音和数据服务，但是未来的移动网络会逐步扩展到日常生活和社会经济的各个领域。以自动驾驶为例基于车联网的全自动驾驶，需要车与车、车与路之间的高效协调，也对时延提出了非常高的要求，自动驾驶业务，要求毫秒级网络时延，基于安全性考虑要求移动网络的时延控制在毫秒级，这样才能保证自动驾驶汽车在遇到紧急情况时，快速启动制动系统达到安全的制动距离。未来移动网络需要达到毫秒级的超低时延，这将使未来移动网络的响应速度比4G网络提高数十倍。
综合之前的讨论，移动网络为了支持新的业务和应用，目前正朝着高速率、大连接、超低时延方向发展。

这些都是移动网络的发展趋势，也是移动网络要解决的问题，面对这些业务发展趋势，我们需要下一代的移动通信网路，也就是第五代移动通信系统5G。
5G是由谁来定义的呢？
从2012年开始，国际电信联盟（ITU）组织全球业界展开了5G愿景和技术趋势的研究。2015年10月在瑞士日内瓦召开的2015无线点通信全会上，国际电联无线电通信部门（ITU-R）正式批准推进未来5G研究进程的决议，并正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020”。历经两年的研究，ITU的5G愿景主体研究工作已基本完成，5G定位于未来的全连接世界，做到“信息随心至，万物触手及”。5G是一个端到端、全移动、全连接的生态系统，小到个人穿戴、智能家居、云化办公大到工业、医疗、教育、交通、金融、环境等行业领域，真正做到“信息随心至，万物触手及”。

5G三大业务场景
为了实现5G的总体愿景，并且解决当前4G网络无法实现的业务，ITU于2015年6月定义了未来5G的三大类应用场景，分别是增强移动带宽eMBB、海量物联网通信mMTC、以及极高可靠低时延通信uRLLC

eMBB场景
5G网络10Gbps的峰值速率，让我们可以随时随地的高速接入网络，享受VR和AR等新业务，也可以随时随地通过5G网络分享你看到的一切，让我们不再为演唱会现场视频发不出去而烦恼。
mMTC场景主要是海量大连接，使得参与整个社会运行的万事万物具备了可感知的能力。5G网络对于超大规模连接的支持，可以达到每平方公里100万的连接能力，让我们的个人可穿戴设备，智慧城市设别都可以轻松接入网络，享受智慧生活。我们生活中的共享单车、水表、气表、路灯等都可以接入网络，并基于连接给用户提供定制化的服务。
uRLLC
5G网络1ms的超低时延，让我们可以体验到远程医疗、自动驾驶所带来的便捷，同时也让智能工业制造成为现实，基于超低时延的uRLLC应用场景，自动驾驶以及智能制造都将是5G在关键垂直行业的重要应用。2017年年底华为Wireless X Labs分别与多家全球大型工业机器人和汽车公司签署合作备忘录共同促进5G在垂直行业的发展。5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。当前全球业界也逐渐对5G系统特征达成了共识。5G系统将更好地满足多样化地业务需求并适用于多种场景，并在4G系统能力地基础上大幅提升，为用户提供更好的体验，并实现资源的最优化配置。

2.2 5G协议标准化及部署进展

什么是通信标准？
通信技术标准是指通信生产、通信建设以及一切通信活动中共同遵守的技术规定。
为什么移动通信需要技术标准？
我们以一个简单的移动通信为例，小华打电话给朋友小艾，相约周末看电影，小华使用国产手机，小艾使用苹果手机，他们通话需要通信公司的基站和核心网等设备建立连接。这些设备可能来自不同的设备公司，这么多不通公司的产品，由于都是按照标准研发制造的，这样无论供应商如何选择更换，网络中各个设别总是能互联互通，给运营商的客户提供标准的网络服务，因此小华和小艾使用了不同的手机，连接不同的运营商网络，信号经过多家供应商设备的处理传输，仍然可以自由通话。
因为移动通信有了技术标准，我们出国旅游的时候，就可以用我们的手机接入其它国家的无线网络，所以说，标准很重要！

标准的制定
移动通信的标准是如何产生的？由谁制定的呢？
这里首先要提到一个重要的管理组织，即ITU国际电信联盟，通信系统是一个相对复杂且封闭的系统，每一代移动通信系统，都是由国际电信联盟ITU制定新系统的需求开始，有了明确的需求，各个技术标准化组织才会制定详细的技术标准，用于指导和约束网络设备与终端的研发，验证技术的可行性与生产，与此同时，各大公司和组织就会开始技术研究，并且向技术标准化组织提交方案，技术标准化组织通过会议协商选定合适的技术，并将其制定为标准。之后各个设备公司，就可以基于标准研发对应的产品，再把产品销售给通信网络运营公司进行网络部署，并提供通信服务，所以说通信技术标准就是通信产业的制高点。