人人學5G

一、5g起源與展望

1.1 移動通信的發展歷程

1.1.1 蜂窩網絡(Cellular network)

蜂窩網絡，又稱移動網絡（mobile network）是一種移動通信硬件架構，分爲模擬蜂窩網絡和數字蜂窩網絡。由於構成網絡覆蓋的各通信基地臺的信號覆蓋呈六邊形，從而使整個網絡像一個蜂窩而得名。

1.1.2 第一代移動通信技術—1G

1978年，美國貝爾實驗室開發了先進移動電話業務（AMPS）系統，這是第一種真正意義上的具有隨時隨地通信能力的大容量的蜂窩移動通信系統。AMPS 採用頻率複用技術，可以保證移動終端在整個服務覆蓋區域內自動接入公用電話網，具有更大的容量和更好的語音質量，很好地解決了公用移動通信系統所面臨的大容量要求與頻譜資源限制的矛盾。20 世紀70 年代末，美國開始大規模部署AMPS 系統。AMPS 以優異的網絡性能和服務質量獲得了廣大用戶的一致好評。AMPS 在美國的迅速發展促進了在全球範圍內對蜂窩移動通信技術的研究。到20 世紀80 年代中期，歐洲和日本也紛紛建立了自己的蜂窩移動通信網絡，主要包括英國的ETACS 系統、北歐的NMT-450 系統、日本的NTT/JTACS/NTACS 系統等。這些系統都是模擬製式的頻分雙工（Frequency Division Duplex，FDD）系統，亦被稱爲第一代蜂窩移動通信系統或1G 系統。

缺點：系統容量有限、僅能提供基礎語音服務、安全性較差、干擾大、終端價格昂貴。

1.1.3 第二代移動通信技術—2G

1980年後期，隨着大規模集成電路微處理器的發展帶動第二代數字蜂窩移動通信的興起。800MHz CDMA 第二代數字蜂窩移動通信(簡稱CDMA移動通信)業務是指利用工作在800MHz 頻段上的CDMA移動通信網絡提供的話音和數據業務。CDMA移動通信的無線接口採用窄帶碼分多址CDMA技術，核心網移動性管理協議採用IS-41協議。
800MHz CDMA第二代數字蜂窩移動通信業務包括以下主要業務類型：
-端到端的雙向話音業務。
-移動消息業務，利用CDMA網絡和消息平臺提供的移動臺發起、移動臺接收的消息業務。
-移動承載業務及其上移動數據業務。
-移動補充業務，如主叫號碼顯示、呼叫前轉業務等。
-經過CDMA網絡與智能網共同提供的移動智能網業務，如預付費業務等。
-國內漫遊和國際漫遊業務。
即2G可以提供基礎語音+sms短信+低速數據服務。
800MHz CDMA 第二代數字蜂窩移動通信業務的經營者必須自己組建CDMA移動通信網絡，所提供的移動通信業務類型可以是一部分或全部。提供一次移動通信業務經過的網絡，可以是同一個運營者的網絡，也可以由不同運營者的網絡共同完成。

1.1.4 第三代移動通信技術—3G

21世紀初期，3G開始開始湧現，第三代數字蜂窩移動通信(簡稱3G移動通信)業務是指利用第三代移動通信網絡提供的話音、數據、視頻圖像等業務。
第三代數字蜂窩移動通信業務主要特徵是可提供移動寬帶多媒體業務，其中高速移動環境下支持144kb/s速率，步行和慢速移動環境下支持384kb/s速率，室內環境支持2Mb/s速率數據傳輸，並保證高可靠服務質量(QoS) 。第三代數字蜂窩移動通信業務包括第二代蜂窩移動通信可提供的所有的業務類型和移動多媒體業務。
第三代數字蜂窩移動通信業務的經營者必須自己組建3G移動通信網絡，所提供的移動通信業務類型可以是端到端業務的一部分或全部。提供一次移動通信業務經過的網絡，可以是同一個運營者網絡設施，也可以由不同運營者的網絡設施共同完成。提供國際通信業務必須經過國家批准並設立的國際通信出入口。
3G 支持高速的數據服務，3G採用CDMA碼分多址技術，網絡容量增大、較好支持數據業務，支持音樂、圖片視頻等多媒體信息業務、瀏覽網站、電話會議，電子商務。主要的3G技術包括WCDMA CDMA 2000 TD-SCDMA。數據業務達到1Mbps以上,智能手機的引入使得數據業務更加普及，但是由於採用不同的技術，網絡和終端的兼容性也困擾着運營商和消費者。

1.1.5 第四代移動通信技術—4G

4G 3GPP主導的LTE技術

雖然3G系統解決了1G、2G系統的弊端，但其實際速度遠未達到預期值，隨後國際組織3GPP和3GPP2又開始了新一輪的3G演進計劃，在衆多候選標準中LTE脫穎而出，於2004年底, 3GPP組織啓動了“LTE計劃”, 該計劃實現了3G向4G的平滑過渡，所以LTE又被稱爲準4G標準。該計劃的最終目標是：提供一個低時延、高吞吐量、大規模覆蓋的無線通信網絡。LTE有FDD和TDD兩種工作方式，其中LTE-TDD具有我國自主知識產權，2013年年底在我國實現了商用，其高速的帶寬能力爲用戶帶來了全新的體驗。目前，全球已經部署了超過400萬個LTE基站，預計此數目還將隨着未來的發展不斷增長。
LTE（long term evolution）由於採用新的網路架構和無線技術，可支持高速數據服務（100Mbps）。
LTE-A通過多載波聚合方法，使得4G峯值速率接近1Gbps真正實現了類似有線接入的數據速率。移動寬帶也逐步進入每個人的生活，金融 支付、旅遊購物、社交娛樂等都逐步應用了4G網絡的移動互聯網功能
總而言之，1G實現了移動通信的從無到有，2G實現了從模擬時代走向數字時代，並且使得全社會感受到移動通信帶來的便利。3G實現從語音時代走向數據時代。4G時代網絡帶寬大幅提升，實現數據業務的普及，大大擴展了移動通信網絡的應用領域與價值。

1.2 5G發展前景與展望

蜂窩網絡經過多年的建設，已經成爲移動通信的基礎，覆蓋範圍廣泛，通信安全可靠。根據高通公司預測，截至 2025年全球物聯網連接將超過 50億。從智能穿戴設備到智能水錶、電錶，從智能井蓋到車載終端，將涵蓋智慧城市、智慧交通、環境監測及醫療保健等各個方面。大量的智能終端會接入網絡，蜂窩網絡將成爲物聯網的主要承載網絡。隨着物聯網接入方式的多樣化，及霧計算、邊緣計算和雲計算的發展，面向 5G 網絡的蜂窩物聯網的架構也逐漸清晰，架構圖如圖1所示。網絡架構中分離了傳輸層與邊緣資源層，解耦了應用層與服務管理層。

感知層是信息的入口，通過各種傳感器和嵌入式控制器，將採集的各種參數通過各種通信方式，如ZigBee，藍牙，WiFi，LoRa等匯入感知層。感知層是整個架構的最前端，所有數據信息通過該層產生，是架構中的基礎架構。
傳輸層負責數據的傳輸，5G 終端、NB ⁃IOT 終端及eMTC 終端都被劃分在該層。傳輸層的另一重要組成部分就是 5G 物聯網網關，負責協議轉換並傳輸，把感知層各種通信方式（ZigBee，藍牙，WiFi，LoRa 等）轉換爲 5G通信兼容數據格式。
邊緣計算層的主要功能是設備接入及數據處理。邊緣計算終端多采用嵌入式終端，通過邊緣計算可以有效分擔並降低核心網絡開銷，核心網絡只需處理邊緣計算後的數據，大大提高了網絡性能。該層還涉及安全、認證及身份識別等功能。
霧計算連接雲計算層，提供物聯網邊緣計算層與公有云及私有云的無縫連接，包括接口定義、權限管理、資源管理及功能定義等。
雲計算層包括公有云和私有云，是所有數據的匯入點，海量數據在雲數據中心存儲並計算，爲上層應用提供服務。
架構的最高層爲應用層，架構中所有層次的最終目的是爲該層服務，通過大數據處理以支撐人工智能、決策支持及車輛網等應用。
5G時代持續提升的數據速率，5G之前的網絡主要聚焦於人與人之間的通信，基於全連接的智能社會會給人類社會帶來巨大的價值。

低時延也會成爲5G網絡的重要特徵之一
5G通過它強大的網絡能力，將會支撐更多的行業應用，並將轉型爲一個端到端的生態系統，它將打造一個全移動和全連接的社會。

二、5G產業進展

2.1 移動業務需求趨勢及業務場景

4K&8K視頻、AR/VR以及車聯網等這些新的業務場景是移動網絡的發展趨勢但是4G網絡不能很好支持。
第一個趨勢是數據量的增加（高速率）
移動數據量的爆發式增長，需要移動網絡具有更高的速率，比如以一部8GB的高清電影下載時間爲例，如果使用3G網絡（14Mbps的下行速率）需要70min完成下載，如果使用4G網絡（150Mbps的下行速率）則需要7分鐘，下載時常仍然太久，客戶需要的是秒級的下載體驗，所以下載速率需要10Gbps甚至以上。移動網絡的高速率可以給用戶帶來更好的業務體驗。
未來移動寬帶的殺手級應用-VR,近幾年虛擬現實（VR）變得越來越熱門，許多互聯網公司和科技巨頭紛紛參與其中，未來的VR應用範圍將會不斷拓展
在娛樂教育網購等展開應用。在2017年的世界移動通信大會上，多家大型汽車公司均採用VR來呈現自己的產品和方案，以沉浸式的體驗讓觀衆更爲直觀，更身臨其境地瞭解自動駕駛汽車地特色，這預示着VR產品的直播功能已經成爲了展會發佈會的新展示方式，VR業務將帶來大量的視頻流量的增長，這些VR業務需要高速率的支持。立項的VR體驗需要2Gbps的速率是目前4G網絡無法支持的 。
第二個趨勢是連接數量的增加（大連接），隨着智慧城市的發展，我們的網絡的連接越來越多，除了人與人的連接，也越來越多出現了人與物，物與物的連接，我們的水錶、氣表、路燈等都可以接入網絡中，這要求移動通信連接更多的物，儘管4G能爲每個小區提供上千個連接，但無法滿足全連接世界裏萬物互聯的需要，未來每平方公里的連接數將達到百萬個，這將是指數級增長。連接將滲透到未來社會的各個領域–萬物移動互聯。從人與人的連接到人與物以及物與物的連接，整個社會將通過移動互聯全面改造大大提升社會效率。

未來網絡將擁有多達千億的智能節點，屆時我們生活中的所有東西都會被連接，包括我們的眼鏡、手錶、鞋子，工廠裏的轉運箱、叉車、機械手這彙總連接能力對工業應用具有極大價值。
第三大趨勢：業務場景的多樣化（低時延）
傳統的移動網絡提供基本的語音和數據服務，但是未來的移動網絡會逐步擴展到日常生活和社會經濟的各個領域。以自動駕駛爲例基於車聯網的全自動駕駛，需要車與車、車與路之間的高效協調，也對時延提出了非常高的要求，自動駕駛業務，要求毫秒級網絡時延，基於安全性考慮要求移動網絡的時延控制在毫秒級，這樣才能保證自動駕駛汽車在遇到緊急情況時，快速啓動制動系統達到安全的制動距離。未來移動網絡需要達到毫秒級的超低時延，這將使未來移動網絡的響應速度比4G網絡提高數十倍。
綜合之前的討論，移動網絡爲了支持新的業務和應用，目前正朝着高速率、大連接、超低時延方向發展。

這些都是移動網絡的發展趨勢，也是移動網絡要解決的問題，面對這些業務發展趨勢，我們需要下一代的移動通信網路，也就是第五代移動通信系統5G。
5G是由誰來定義的呢？
從2012年開始，國際電信聯盟（ITU）組織全球業界展開了5G願景和技術趨勢的研究。2015年10月在瑞士日內瓦召開的2015無線點通信全會上，國際電聯無線電通信部門（ITU-R）正式批准推進未來5G研究進程的決議，並正式確定了5G的法定名稱是“IMT-2020”。歷經兩年的研究，ITU的5G願景主體研究工作已基本完成，5G定位於未來的全連接世界，做到“信息隨心至，萬物觸手及”。5G是一個端到端、全移動、全連接的生態系統，小到個人穿戴、智能家居、雲化辦公大到工業、醫療、教育、交通、金融、環境等行業領域，真正做到“信息隨心至，萬物觸手及”。

5G三大業務場景
爲了實現5G的總體願景，並且解決當前4G網絡無法實現的業務，ITU於2015年6月定義了未來5G的三大類應用場景，分別是增強移動帶寬eMBB、海量物聯網通信mMTC、以及極高可靠低時延通信uRLLC

eMBB場景
5G網絡10Gbps的峯值速率，讓我們可以隨時隨地的高速接入網絡，享受VR和AR等新業務，也可以隨時隨地通過5G網絡分享你看到的一切，讓我們不再爲演唱會現場視頻發不出去而煩惱。
mMTC場景主要是海量大連接，使得參與整個社會運行的萬事萬物具備了可感知的能力。5G網絡對於超大規模連接的支持，可以達到每平方公里100萬的連接能力，讓我們的個人可穿戴設備，智慧城市設別都可以輕鬆接入網絡，享受智慧生活。我們生活中的共享單車、水錶、氣表、路燈等都可以接入網絡，並基於連接給用戶提供定製化的服務。
uRLLC
5G網絡1ms的超低時延，讓我們可以體驗到遠程醫療、自動駕駛所帶來的便捷，同時也讓智能工業製造成爲現實，基於超低時延的uRLLC應用場景，自動駕駛以及智能製造都將是5G在關鍵垂直行業的重要應用。2017年年底華爲Wireless X Labs分別與多家全球大型工業機器人和汽車公司簽署合作備忘錄共同促進5G在垂直行業的發展。5G將滲透到未來社會的各個領域，以用戶爲中心構建全方位的信息生態系統。當前全球業界也逐漸對5G系統特徵達成了共識。5G系統將更好地滿足多樣化地業務需求並適用於多種場景，並在4G系統能力地基礎上大幅提升，爲用戶提供更好的體驗，並實現資源的最優化配置。

2.2 5G協議標準化及部署進展

什麼是通信標準？
通信技術標準是指通信生產、通信建設以及一切通信活動中共同遵守的技術規定。
爲什麼移動通信需要技術標準？
我們以一個簡單的移動通信爲例，小華打電話給朋友小艾，相約週末看電影，小華使用國產手機，小艾使用蘋果手機，他們通話需要通信公司的基站和核心網等設備建立連接。這些設備可能來自不同的設備公司，這麼多不通公司的產品，由於都是按照標準研發製造的，這樣無論供應商如何選擇更換，網絡中各個設別總是能互聯互通，給運營商的客戶提供標準的網絡服務，因此小華和小艾使用了不同的手機，連接不同的運營商網絡，信號經過多家供應商設備的處理傳輸，仍然可以自由通話。
因爲移動通信有了技術標準，我們出國旅遊的時候，就可以用我們的手機接入其它國家的無線網絡，所以說，標準很重要！

標準的制定
移動通信的標準是如何產生的？由誰制定的呢？
這裏首先要提到一個重要的管理組織，即ITU國際電信聯盟，通信系統是一個相對複雜且封閉的系統，每一代移動通信系統，都是由國際電信聯盟ITU制定新系統的需求開始，有了明確的需求，各個技術標準化組織纔會制定詳細的技術標準，用於指導和約束網絡設備與終端的研發，驗證技術的可行性與生產，與此同時，各大公司和組織就會開始技術研究，並且向技術標準化組織提交方案，技術標準化組織通過會議協商選定合適的技術，並將其制定爲標準。之後各個設備公司，就可以基於標準研發對應的產品，再把產品銷售給通信網絡運營公司進行網絡部署，並提供通信服務，所以說通信技術標準就是通信產業的制高點。