揭开5G的神秘面纱
揭开5G的神秘面纱
- 前言
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- 一、移动通信的历程
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- 1. 第一代移动通信（1G）
- 2. 第二代移动通信（2G）
- 3. 第三代移动通信（3G）
- 4. 第四代移动通信（4G）
- 5. 第五代移动通信（5G）
- 二、5G技术指标
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- 5G之花
- 三、5G的三大应用场景
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- 1. eMBB
- 2. mMTC
- 3. uRLLC
- 三、5G新技术
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- 超密集组网（UDN）
- 大规模天线阵列
- 动态自组织网络（SON）
- 软件定义网络（SDN）
- 网络功能虚拟化（NFV）
- SDN和NFV的深度融合
- 三、5G面临的挑战
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- 频谱资源
- 新业务
- 新场景
- 终端设备
- 安全挑战
- 四、总结
前言
近年来，5G（第五代移动通信技术）受到了人们的广泛关注。自20世纪80年代起，移动通信技术不断发展，一代又一代的新型通信技术应运而生。5G作为最新一代的蜂窝移动通信技术正逐步走入我们的日常生活，然而什么是5G技术？5G和4G有什么区别？5G能给社会带来什么便利？下面就为大家揭开5G的神秘面纱。
一、移动通信的历程
1. 第一代移动通信（1G）
第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代。Nordic移动电话（NMT）就是这样一种标准，应用于Nordic国家、东欧以及俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统（AMPS），英国的总访问通信系统（TACS）以及日本的JTAGS，西德的 C-Netz，法国的Radiocom 2000和意大利的RTMI。模拟蜂窝服务在许多地方正被逐步淘汰。
第一代移动通信主要采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。
1G不足之处:
- 容量有限
- 制式太多
- 互不兼容
- 保密性差
- 通话质量不高
- 不能提供数据业务
- 不能提供自动漫游
2. 第二代移动通信（2G）
2G，第二代手机通信技术规格，以数字语音传输技术为核心。用户体验速率为10kbps，峰值速率为100kbps。一般定义为无法直接传送如电子邮件、软件等信息；只具有通话和一些如时间日期等传送的手机通信技术规格。不过手机短信在它的某些规格中能够被执行。它在美国通常称为“个人通讯服务”。
3. 第三代移动通信（3G）
3G是第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息。3G是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的一代移动通信系统。
所谓第三代移动通信技术，即3G网络技术，与第一代移动通信技术（即 1G）与第二代数字手机通信技术（即 2G）相比，3G 手机主要是将无线通信和国际互联网等通信技术全面结合，以此形成一种全新的移动通信系统。这种移动技术可以处理图像、音乐等媒体形式，除此之外，也包含了电话会议等一些商务功能。为了支持以上所述功能，无线网络可以对不同数据传输的速度进行充分的支持，即无论是在室内、外，还是在行车的环境下，都可以提供最少为2Mbps、384kbps与144kbps的数据传输速度。
4. 第四代移动通信（4G）
4G通信技术是第四代的移动信息系统，是在3G技术上的一次更好的改良，其相较于3G通信技术来说一个更大的优势，是将WLAN技术和3G通信技术进行了很好的结合，使图像的传输速度更快，让传输图像的质量和图像看起来更加清晰。在智能通信设备中应用4G通信技术让用户的上网速度更加迅速，速度可以高达100Mbps。
5. 第五代移动通信（5G）
第五代移动通信技术（5G或5G技术）是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统之后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。Release-16的第二阶段将于2020年4月完成，作为IMT-2020技术的候选提交给国际电信联盟（ITU）。ITU IMT-2020规范要求速度高达20 Gbit/s，可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。
二、5G技术指标
如上图所示，5G对比4G关键性能指标有了相当大程度的提升。5G具有高速率，低时延，大容量，高可靠，海量连接的特点。
5G之花
性能和效率需求共同定义了5G的关键能力，犹如一株绽放的鲜花。红花与绿叶相辅相成，其中花瓣代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，而花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶则代表三个效率指标，是实现5G可持续发展的基本保障。
三、5G的三大应用场景
由ITU定义的三大应用场景有：增强的移动宽带eMBB，海量机器通信mMTC，超高可靠和低时延通信uRLLC。
1. eMBB
eMBB具备超大宽带和超高速率，实现用户体验速率100Mbps、移动性500Km/h。eMBB场景是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升，主要还是追求人与人之间极致的通信体验。
2. mMTC
mMTC即低功耗大连接，支持连接数密度100万/平方公里。mMTC将在6GHz以下的频段发展，同时应用在大规模物联网上，较可见的发展是NB-IoT。以往普遍的Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等，较属于家庭用的小范围技术，回传线路(Backhaul)主要都是靠LTE，近期随着大范围覆盖的NB-IoT、LoRa等技术标准的出炉，可望让物联网的发展更为广泛。
3. uRLLC
作为5G三大场景之一，URLLC具有超低时延、超高可靠等特性。一方面，URLLC技术可以实现基站与终端之间用户面上下行时延均低至0.5 ms；另一方面，该技术还可以满足可靠性为10-5级别的数据传输需求。因此，URLLC可以广泛应用于工业控制、设备自动化、车联网、远程手术等场景。
三、5G新技术
超密集组网（UDN）
高频段是未来5G 网络的主要频段，在5G 的热点高容量典型场景中将采用宏微异构的超密集组网架构进行部署，以实现5G 网络的高流量密度、高峰值速率性能。为了满足热点高容量场景的高流量密度、高峰值速率和用户体验速率的性能指标要求， 基站间距将进一步缩小，各种频段资源的应用、多样化的无线接入方式及各种类型的基站将组成宏微异构的超密集组网架构。
大规模天线阵列
为了更有效挖掘空间自由度、更有效利用发送端能量、找到更多的分集和复用增益，现代通信普遍采用多天线系统来提高物理层链路性能，我们叫做多输入多输出技术（MIMO）。通常MIMO采用空间预编码（Precoding）的方式来补偿物理信道，实现空间分集、空分复用或者空分多址。
动态自组织网络（SON）
SON的功能主要可以归纳为：自配置，自优化，自愈。SON关键技术包括：PCI自动配置、覆盖和容量优化、自动邻区关系功能、负荷均衡优化、随机接入信道优化技术。在现阶段，SON将实现ANR自动邻区关系功能、PCI自动配置功能；高级阶段，将实现覆盖和容量优化、负荷均衡优化、RACH（Random Access Channel）随机接入信道优化等功能。
软件定义网络（SDN）
软件定义网络（SDN）是由美国斯坦福大学clean-slate课题研究组提出的一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，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，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。
网络功能虚拟化（NFV）
NFV希望通过标准的IT虚拟化技术，把网络设备统一到工业化标准的高性能、大容量的服务器，交换机和存储平台上。该平台可以位于数据中心、网络节点及用户驻地网等。NFV将网络功能软件化，使其能够运行在标准服务器虚拟化软件上，以便能根据需要安装/移动到网络中的任意位置而不需要部署新的硬件设备。NFV不仅适用于控制面功能，同样也适用于数据面包处理，适用于有线和无线网络。NFV 在这里借鉴了IT设备的设计理念。以常用的X86架构的PC为例，其硬件由统一到工业化标准的CPU、内存、主板、硬盘等组成，统一到工业化标准意味着PC在保证质量的前提下硬件成本可以降到最低。PC的软件和硬件是解耦和的，PC运行不同的软件，即可以拥有不同的功能，处理不同的任务。同理，运营商认为通信设备的硬件，可以由统一到工业化标准的服务器、交换机和存储平台3种设备组成。由于统一到工业化标准，意味着通信设备在保证质量的前提下硬件成本可以降到最低，同时通用硬件保证软件可以在统一的平台开发，软件和硬件实现解耦和。
SDN和NFV的深度融合
NFV与SDN来源于相同的技术基础。NFV与SDN的技术基础都是基于通用服务器、云计算以及虚拟化技术。同时NFV与SDN又是互补关系，二者相互独立，没有依赖关系，SDN不是NFV的前提。SDN的目的是生成网络的抽象，从而快速进行网络创新，重点在集中控制、开放、协同、网络可编程。NFV是运营商为了减少CA⁃PEX、OPEX、场地占用、电力消耗而建立的快速创新和开放的系统，重在高性能转发硬件+虚拟化网络功能软件。
三、5G面临的挑战
频谱资源
频谱资源是移动通信发展的核心资源，频谱规划是产业的起点，决定产业发展格局。除了卫星这种覆盖面积太大，所以需要国际协调的应用以外，国家之前所谓抢频谱资源就不是因为干扰问题，更多是考虑到设备的兼容问题。要是相同的业务都运行在不同的频段上，那设备制造商就需要根据不同国家定制不同的射频前端，或者需要设计兼容性更好的前端，这就带来了不必要的复杂度，不利于设备的通用性。
新业务
eMBB：AR/VR等传输速率要求高
mMTC：对连接数量、耗电/待机要求较高
uRLLC：对时延（1ms）、可靠性（99.999%）要求很高
新场景
移动热点：大量热点带来的超密组网挑战
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式增长，终端多模研发、工艺、电池寿命等挑战。
安全挑战
新架构安全挑战SDN、NFV等新安全机制要适应虚拟化、云化的需要。
四、总结
5G时代，万物两联，万物之间的联系紧密增强5G不仅仅是下一代移动技术，它将是一种全新网络，将万事万物以最优的方式连接起来，这种统一的连接架构将会把移动技术的优势扩展到全新行业，并创造全新商业模式。