5G通讯的认知与见解

  接到公司新项目，是基于5G通讯技术做项目研发，正好借此机会学习了5G技术，给大家分享一下揭开5G神秘面纱。

目录

移动通信发展历程

1G时代：只能语音传输

2G时代：手机能上网了 

3G时代：随时随地无线上网

4G时代：比拨号上网快2000倍

5G时代：万物互联

5G技术指标

数据展示

中国5G之花

总结

5G应用场景

VR

与5G的关系

AR

对于AR来说，5G的大带宽有什么作用？

MR

车联网

远程医疗

智慧城市

5G关键技术

超密集组网

基站

小基站优势

大规模天线列阵

动态自组织网络(SON)

软件定义网络(SDN)

SDN总结

网络功能虚拟化(NFV)

SDN与NFV的区别与关联

总结：

SDN与NFV的深度融合

5G面临的挑战

频谱资源

新业务挑战

新使用场景挑战

终端设备带来的挑战

5G面临的安全挑战

5G三大应用场景面临的安全挑战

新架构的安全挑战

总结

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移动通信发展历程

1G时代：只能语音传输

  1G（first generation）表示第一代移动通讯技术，以模拟技术为基础的蜂窝无线电话系统，如现在已经淘汰的模拟移动网。1G无线系统在设计上只能传输语音流量，并受到网络容量的限制。1G时代的街上随处可见公共电话亭以及等着打电话的人，大家腰带上都别着BB机。

2G时代：手机能上网了 

  第二代手机通信技术规格，以数字语音传输技术为核心。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” 。

  2G时代手机还没有那么普及，只是一个打电话的工具，想上网的人只能跟玩游戏的人一起挤在网吧里，小灵通的信号也不好，所以出现联系不上的情况，人们还是会选择发电报和传真。

3G时代：随时随地无线上网

  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，速率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。

4G时代：比拨号上网快2000倍

  第四代移动电话行动通信标准，指的是第四代移动通信技术，4G是集3G与WLAN于一体，并且能够快速传输数据、高质量音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比家用宽带ADSL（4兆）快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。

5G时代：万物互联

  第五代移动通信技术是最新一代蜂窝移动通信技术，是4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统后的延伸。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。

"G"代表一代，每10年一个周期

5G技术指标

数据展示

可以从图看出5G比4G数据远远超出很多，5G流量密度是4G的100倍

中国5G之花

外花瓣代表了5G指标，内花瓣代表了4G指标

名词解释

流量密度：单位面积内的总流量数

连接数密度:指单位面积内可以支持的在线设备总和时延：发送端到接收数据之间的间隔

移动性：支持用户终端的最大移动速度

能源效率：每消耗单位能量可以传送的数据量

用户体验速率：单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量

频谱效率：每小区或单位面积内，单位频谱资源提供的吞吐量

峰值速率：用户可以获得的最大业务速率

总结

5G对比4G关键性能指标有了相当大程度的提升

总结起来就是5G具有高速率、低时延、高可靠、海量连接等特点

5G应用场景

给大家简单介绍几种5G应用场景

VR

  VR又称虚拟现实。是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。 应用在医学、娱乐、军事航天、室内设计、房产开发、工业仿真、应急推演、文物古迹、游戏、Web3D、道路桥梁、地理教育、演播室、水文地质、维修培训实训、船舶制造汽车、仿真轨道交通、能源领域、生物力学、康复训练、数字地球、虚拟现实。各行各业都需要vr，可以说，各行各业在5g的到来，会改变很多行业，也会造就很多经济新增长。

与5G的关系

5G大带宽对于VR的作用在于提升全景视频的分辨率和码率，从而达到更好的观看体验。

虽然目前的VR设备都可以观看全景视频，但是分辨率和码率往往达不到及格线，看起来感觉糊成一锅粥，这是一个普遍的问题。

工信部近日公布《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》，提出到2025年，我国虚拟现实产业整体实力要进入全球前列。5G商用近在咫尺，与5G关系密切的VR行业也将迎来新的生机。未来，5G将和云技术改变移动业务的发展趋势，呈现出智终端、宽管道、云应用的大趋势，VR作为业界普遍看好的5G首批典型应用，其应用场景和业务范围会被拓宽，产业得到规模化发展。

图中为VR游戏

AR

  增强现实(Augmented Reality，简称AR)，也被称为扩增现实(台湾)。

  增强现实技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道、触觉等)通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。 [1] 真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

  增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。

  5G低时延特性的价值是通过云游戏技术提升画质，同时帮助云游戏技术降低其“网络时延”，使得采用云游戏技术方案的AR产品的“运动到成像时延”能够达到20毫秒的及格线以内（“网络时延”是“运动到成像时延”的组成部分）

对于AR来说，5G的大带宽有什么作用？

当前行业所畅想的AR眼镜应用场景主要分为两类：

1、第一类是手机的大屏化：将手机操作系统变成一个大屏的、多窗口的体验。

2、第二类是原生AR体验：即利用计算机视觉识别现实中的场景，将虚拟信息有机的叠加到现实的场景中。

MR

  MR（混合现实），MR是Magic Leap最新的科技，它制造的虚拟景象可以进入现实的生活同时能够认识你，比如通过我们的设备，你在眼睛当中看到一个景象可以测量出现实生活中物体的尺度和方位，其最大的特点在于虚拟世界和现实世界可以互动。

  MR 可以看成是前面提到的 VR 和 AR 的结合，将虚拟现实和增强现实完美地结合起来，提供一个新的可视化环境。根据 Steve Mann 的理论，智能硬件最后都会从 AR 技术逐步向 MR 技术过渡。

车联网

  车联网的概念源于物联网，即车辆物联网，是以行驶中的车辆为信息感知对象，借助新一代信息通信5G技术，实现车与X（即车与车、人、路、服务平台）之间的网络连接，提升车辆整体的智能驾驶水平，为用户提供安全、舒适、智能、高效的驾驶感受与交通服务，同时提高交通运行效率，提升社会交通服务的智能化水平。

  使用车联网系统可以有效达成车辆自动驾驶，远控驾驶，编队驾驶等操作，而保障车联网系统可以正常运作之一就是5G技术的发展。

远程医疗

  远程医疗是指通过计算机技术、遥感、遥测、遥控技术为依托，充分发挥大医院或专科医疗中心的医疗技术和医疗设备优势，对医疗条件较差的边远地区、海岛或舰船上的伤病员进行远距离诊断、治疗和咨询。

  是提高诊断与医疗水平、降低医疗开支、满足广大人民群众保健需求的一项全新的医疗服务。目前，远程医疗技术已经从最初的电视监护、电话远程诊断发展到利用高速网络进行数字、图像、语音的综合传输，并且实现了实时的语音和高清晰图像的交流，为现代医学的应用提供了更广阔的发展空间。国外在这一领域的发展已有40多年的历史，而我国只在最近几年才得到重视和发展。

5G让医疗“近在身边”

智慧城市

  智慧城市（英语：Smart City）起源于传媒领域，是指利用各种信息技术或创新概念，将城市的系统和服务打通、集成，以提升资源运用的效率，优化城市管理和服务，以及改善市民生活质量。

  智慧城市是把新一代信息5G技术充分运用在城市中各行各业基于知识社会下一代创新（创新2.0）的城市信息化高级形态，实现信息化、工业化与城镇化深度融合，有助于缓解“大城市病”提高城镇化质量，实现精细化和动态管理，并提升城市管理成效和改善市民生活质量。

5G智慧城市灯杆

智慧灯杆让城市更加美丽，人民更加幸福

5G关键技术

超密集组网

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

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10m~200m，小基站又分为：

家庭基站(Femto cell)

微基站(Micro cell)基站

微微基站(Pico cell，又成皮基站)

室内基站

个人基站

小基站优势

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

大规模天线列阵

优点：

1、提升了信号可靠性

2、提升了基站吞吐率

3、大幅降低对周边基站的干扰

4、服务更多的移动终端

动态自组织网络(SON)

用于满足低时延高可靠场景

优点：

1、部署灵活

  部署方面，动态自组织网络节点(终端或微型基站)，只要处于目标区域，就可以进行自动的配置，自动建立并维护网络拓扑，确定最佳传输路径，大大降低网络部署成本，加快部署速度。

2、支持多跳

  动态自组织网络支持多跳传输，与发射端有直接视距的接收端先收到无线信号，然后接收端无线信号转发到与它直接视距的下一跳终端。因此，数据包在自组网络中传输，能够这样一跳一跳传递下去，直至到达目标终端。动态自组织网络通过多跳方式传输，大大扩展了应用领域和覆盖范围。

3、高可靠性

  动态自组织网络支持空口中多路冗余传输提高传输可靠性，还通过支持多路由传输提高端到端传输可靠性，如果传输中某节点故障，可通过备用路径切换到另一节点。因此，动态自组织网络比传输蜂窝网络更可靠，因为不依赖于单一节点的性能。在传输蜂窝网络中，如果某一基站故障，该基站覆盖的区域也将瘫痪。

4、支持超高带宽

  无线通信领域传输距离越短，越容易获得高带宽。因为传输距离越长，告饶因素也会大大增加。而自组织网络的多跳传输可以有力的获得高带宽。也因为传输距离小，需要的功率也小，因此更加绿色节能。

软件定义网络(SDN)

  在5G的网络架构设计上要遵循智能、开放、灵活、高效的原则。IT新技术给了5G玩过架构的实现，提供了新的技术支持。其中软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化技术（NFV），可以有效满足这些需求。

  SDN起源于2008年美国斯坦福大学教授Nick Mckeown等人的Ethane项目研究。其主要思想是将传统网络设备的数据平面和控制平面分离，使用户能通过标准化的接口对各种网络转发设备进行统一管理和配置。这种架构具有可编程可定义的特性，对网络资源的设计、管理和使用提供了更多的灵活性，更有力于网络的革新与发展。

  如图示客户需要访问上海服务端，因南京到上海网络拥堵，SDN可以自动优先分配畅通网络，从其他网络转到服务端

SDN总结

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)

NFV(Network Function Virtualizaticn)是采用虚拟化技术，将传统电信设备的软件与硬件解耦，基于通用计算、存储、网络设备实现电信网络功能，提升管理和维护效率，增强系统灵活性。

SDN与NFV的区别与关联

SDN是从传统的全分布式、对等控制的网络架构，演变为控制平面和数据平面分离的架构，由分布式管理变成集中管理，控制平面可以在全局掌握数据平面设备的性能及状态，―使链路状态更新更快，容错皮收敛效率更高。

NFV是将传统的软硬件一体化的网络设备，演变为软件化，在通用硬件(如：PC机或虚拟机化平台)上部署。使专用硬件与软件解耦，功能更灵活，应用更方便，也可实现云化部署的目标

总结：

NFV---网络功能虚拟化，NFV的核心思想---软件和专用硬件解耦，软件与通用硬件联姻，NFV的核心技术---虚拟化，把通用服务器的CPU、内存、IO等资源切片给多个虚拟机使用。把交换机路由器防火墙的功能作为软件应用运行在虚拟机里来模拟它们的功能。通过openstack来进行管理和编排，NFV带来的网络革命---网络瘦身(专用硬件向通用硬件的转化)，业务带宽随需而动

SDN与NFV的深度融合

• SDN是面向网络架构的创新

• NFV是面向设备形态的创新

• SDNFVS使整个网络可编程、可灵活性

5G面临的挑战

频谱资源

5GHz以下的频段已非常拥挤

  我国的频段划分属于行政划分，和相对比的市场主导有区别。在欧美国家，频段是用来拍卖的，比如在3G时代，对于相应的频段，我国三大运营商都已经行政划分好了，剩下的就是比拼服务。而欧美是采用拍卖的方式，他们首先要拍的此频段的牌照，比如英国的 3G 频谱就拍卖了220亿英镑，德国的则高达450 亿美元。频谱之所以这么贵，是因为目前可用的频谱资源是有限的。

解决方向：高频段和超高频段

  相对于提高频谱利用率，增加频谱带宽的方法显得更简单直接。在频谱利用率不变的情况下，可用带宽如果翻倍则可以实现的数据传输速率也翻倍。但是，现在常用5GHz，以下的频段已经非常拥挤。因此使用高频段和超高频段，成为各大厂商不约而同的解决办法。比如使用28GHz和60GHz的毫米波频段，是最有希望使用在5G的两个频段。使用 28GHz和60GHz 的毫米波频段，可以获得更大的带宽。

总结：

  各个频段可用频谱带宽比较，综上，5G技术的落地，仍然要面对频谱资源稀缺及高频段开发等挑战:通信产业发展至今，频谱资源日益稀少。

新业务挑战

 围绕业务体验进行网络建设已成为行业共识，体验建网以达成用户体验需求作为网络建设的目标，规划方法涉及的关键能力包括:业务认别、体骏评估、GAP 分析、规划仿真等。根据业务类型的体验需求特征，不同的 5G业务要求不同。

1. uRLLC:  对时延(1ms)、可靠性(99.999%)要求很高

2. mMTC：对连接数量和耗电/待机要求较高

3. eMBB： 要求移动网络为AR/VR等新业务提供良好的用户体验

  针对5G，新业务在待机、时延、可靠性等方面的体验需求，当前在评估方法、仿真预测、以及规划方案等领域均处于空白或刚起步的阶段，面临非常大的挑战。

新使用场景挑战

因为大量新业务的引入，5G应用场景将远远超出了传统移动通信网络的范围，包括:

• 移动热点：大量热点带来的超密组网挑战。

• 物联网络:面向各种垂直行业的物联新业务，如智能抄表、智能停车、工业4.0等，其应用场景大大超出了人的活动范围。

• 低空/高空覆盖:很多国家明确提出了通过移动通信网络为低空无人机提供覆盖和监管的需求，高空飞机航线覆盖，5G为飞机航线提供高速数据业务。

• 对于这些应用场景，无论是相关的传播特性、还是组网规划方案，目前基本是空白，需要开展相关的课题研究。

终端设备带来的挑战

  随着移动互联网和物联网的兴起，终端不断向便携式、智能化、多元化方向发展，未来联网终端数量将呈爆发式增长，互联网时代的用户长尾化需求、移动互联网时代的用户碎片化需求，将在终端设备形态上得到充分体现。对用户而言，友好的用户体验和应用的多样化成为服务类终端的核心竞争力。因此，要实现低成本多模终端的研发，对终端设备的芯片和工艺、射频技术以及器件、电池寿命等技术研发带来了挑战。

5G面临的安全挑战

  5G 带来了三大应用场景:增强型移动宽带（eMBB)、大规模机器类通信(mMTC)、高可靠低时延通信(uRLLC)。

5G三大应用场景面临的安全挑战

  这三大应用场景中，一是对增强移动宽带来说，它需要更高的安全处理性能，保障用户获得良好的体验速率；二是它需要支持外部网络二次认证，能更好地与业务结合在一起；三是需要解决目前发现的已知漏洞的问题。对低功耗的大规模机器类通信来说，需要轻量化的安全机制，以适应功耗受限、时延受限的物联网设备的需要；需要通过群组认证机制，解决海量物联网设备认证时所带来的信令风暴的问题；需要抗 DDOS攻击机制，应对由于设备安全能力不足被攻击者利用，而对网络基础设施发起攻击的危险。

新架构的安全挑战

  面对5G带来的三大应用场景，以IT 为中心的网络架构，会引入超密集组网、SDN、云计算、NFV等新技术。新技术也带来了新的挑战，比如：SDN和NFV，这样的技术引入，使网络边界变得十分模糊，以前依赖物理边界防护的安全机制难以得到应用。所以，安全机制要适应虚拟化、云化的需要。5G网络会变得更加开放，相比现有的相对封闭的移动通信系统来说，会面临更多的网络空间安全问题。比如 APT攻击、DDOS、Worm恶意软件攻击等，而且攻击会更加猛烈，规模更大，影响也会更大。

总结

  5G作为新一代信息技术无缝融合的纽带，打通了数据从采集、传送到分析、决策的全过程，强化了数据作为生产要素的作用，成为数字产业化和产业数字化的引擎。5G开启了互联网发展的又一个关键时期，目前我国5G的网络覆盖有待扩展，与5G配套的内容开发和产业生态仍需完善，社会和与经济领域的新动能价值尚未充分发挥。新基建将加快5G网络的部署，并开拓更大的应用空间。5G发展的前景广阔，但需要持续地创新去实现。