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科普:5G基础知识(2)

导语:随着5G概念的热炒,很多广电行业人士可能对于5G产生过高的期望乃至误解。本公众号故此进行5G基础知识普及。第一篇文字主要介绍了无线通信的一些基础知识及5G无线网络创新,本篇文字则进入5G范畴,开始介绍5G应用场景、驱动力、5G核心概念、关键技术及网络架构等。

  摘要:随着5G概念的热炒,很多广电行业人士可能对于5G产生过高的期望乃至误解。本公众号故此进行5G基础知识普及。第一篇文字主要介绍了无线通信的一些基础知识及5G无线网络创新,本篇文字则进入5G范畴,开始介绍5G应用场景、驱动力、5G核心概念、关键技术及网络架构等。

  本文信息主要根据IMT-2020(5G)推进组官网及互联网公开信息整理。

  5G愿景、典型应用场景及驱动力

  5G将使信息突破时空限制,提供极佳的交互体验,为用户带来身临其境的信息盛宴;5G将拉近万物的距离,通过无缝融合的方式,便捷地实现人与万物的智能互联。

图为:5G总体愿景(源自IMT-2020)

  ITU为5G定义了eMBB(增强移动宽带)、uRLLC(低时延高可靠)、mMTC(海量大连接)三大应用场景。

  eMBB场景是指在现有移动宽带业务场景的基础上,为用户提供极致的通信体验,主要满足超高清视频、下一代社交网络、浸入式游戏、全息视频等移动互联网业务需求,随时随地(包括小区边缘、高速移动等恶劣环境和局部热点地区)为用户提供无缝的高速业务。这类场景首先对带宽要求极高,关键的性能指标包括 100Mbps 用户体验速率(热点场景可达1Gbps)、数十Gbps峰值速率、平方公里数十Tbps的流量密度、每小时500km以上的移动性等。其次,涉及到交互类操作的应用还对时延敏感,例如虚拟现实沉浸体验对时延要求在十毫秒量级。

图为:5G应用场景(源自IMT-2020)

  uRLLC场景包括各类延迟/时延高度敏感类型的业务应用,同时大都也要求高可靠性。包括自动或辅助驾驶、AR(增强现实)、VR(虚拟现实)、触觉互联网、工业控制。如果网络时延较高,URLLC类业务的正常运行就会受到影响,并会出现(工业)控制方面的误差。自动驾驶实时监测等要求毫秒级的时延,汽车生产、工业机器设备加工制造时延要求为十毫秒级,可用性要求接近100%。

  mMTC场景主要面向智慧城市、环境监测、智慧农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、海量连接(连接密度高)等特点。显然,mMTC场景呈现行业多样性和差异化特点。例如,智慧城市中的抄表应用要求终端低成本低功耗,网络支持海量连接的小数据包;视频监控不仅部署密度高,还要求终端和网络支持高速率;智能家居业务对时延要求相对不敏感,但终端可能需要适应高温、低温、震动、高速旋转等不同家具电器工作环境的变化。

  eMTC基于LTE协议演进而来,为了更加适合物与物之间的通信,也为了更低的成本,对LTE协议进行了裁剪和优化。eMTC基于蜂窝网络进行部署,其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽,可以直接接入现有的LTE网络。eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率。目前较可见的发展是NB-IoT。以往普遍的Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等,更多属于家庭用的小范围技术,回传线路主要都是靠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。其中,NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180kHz的带宽,它可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。

图为:5G不同应用场景的技术要求(源自IMT-2020)

  上述不同的应用场景有着不同的技术需求。而作为多种技术的融合,5G针对不同的应用场景提供不同的技术支撑和频段选择。其中,增强型移动宽带eMBB场景面和高可靠低时延通信uRLLC场景均可向高、中、低频段开展;而大规模机器通信mMTC场景面向低频段开展。中国目前已经确定使用中频段开展5G业务,而高频段应用正在征求意见中。

图为:5G网络驱动力(源自IMT-2020)

  移动互联网和物联网是5G的两大主要驱动力。前者为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。后者支撑移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用爆发式增长。按照某些方面的观点,5G初期会主要用于eMMB场景(即移动互联),而后期主要用于uRLLC场景和mMTC场景(即物联网)。

  5G应用案例:云化机器人

  在智能制造生产场景中,需要机器人有自组织和协同的能力来满足柔性生产,这就带来了机器人对云化的需求。和传统的机器人相比,云化机器人需要通过网络连接到云端的控制中心,基于超高计算能力的平台,并通过大数据和人工智能对生产制造过程进行实时运算控制。通过云技术机器人将大量运算功能和数据存储功能移到云端,这将大大降低机器人本身的硬件成本和功耗。并且为了满足柔性制造的需求,机器人需要满足可自由移动的要求。因此在机器人云化的过程中,需要无线通信网络具备极低时延和高可靠的特征。

图为:5G网络与云化机器人

  5G核心概念

  显然,面对上述多样化应用场景的极端差异化性能需求,5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案,而是多种技术的融合。

  一般而言,5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。其中,标志性能力指标为“Gbps用户体验速率”,一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。也就是说,5G不是简单4G与移动互联技术的演进,也不是简单的技术“1+1”叠加,而是多种技术的融合,尤其是5G的开放网络架构与服务理念,与互联网的思想是一致的!

图为:5G概念(源自IMT-2020)

  可持续发展及效率需求

  笔者认为,专业人士非常有必要了解或理解5G的可持续发展及效率需求,这或许有助于深层次理解目前的现状及未来5G发展路线。下属内容完全摘自IMT-2020(5G)推进组相关白皮书。

  可持续发展。目前的移动通信网络在应对移动互联网和物联网爆发式发展时,可能会面临以下问题:能耗、每比特综合成本、部署和维护的复杂度难以高效应对未来千倍业务流量增长和海量设备连接;多制式网络共存造成了复杂度的增长和用户体验下降;现网在精确监控网络资源和有效感知业务特性方面的能力不足,无法智能地满足未来用户和业务需求多样化的趋势。此外,无线频谱从低频到高频跨度很大,且分布碎片化,干扰复杂。应对这些问题,需要从如下两方面提升5G系统能力,以实现可持续发展。
在网络建设和部署方面,5G需要提供更高网络容量和更好覆盖,同时降低网络部署、尤其是超密集网络部署的复杂度和成本;5G需要具备灵活可扩展的网络架构以适应用户和业务的多样化需求;5G需要灵活高效地利用各类频谱,包括对称和非对称频段、重用频谱和新频谱、低频段和高频段、授权和非授权频段等;另外,5G需要具备更强的设备连接能力来应对海量物联网设备的接入。

  在运营维护方面,5G需要改善网络能效和比特运维成本,以应对未来数据迅猛增长和各类业务应用的多样化需求;5G需要降低多制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度,以提升用户体验;5G需要支持网络对用户行为和业务内容的智能感知并作出智能优化;同时,5G需要能提供多样化的网络安全解决方案,以满足各类移动互联网和物联网设备及业务的需求。

  效率需求。频谱利用、能耗和成本是移动通信网络可持续发展的三个关键因素。为了实现可持续发展,5G系统相比4G系统在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要得到显著提升。具体来说,频谱效率需提高5~15倍,能源效率和成本效率均要求有百倍以上提升。事实上,相比3G、4G在频谱效率方面的巨大提升,5G的频谱效率提升空间非常有限。所以,国外有“物理层已死”的观点。

  从上述的可持续发展和效率需求来看,笔者想表达的是:相对于无限的需求,资源总是有限的,这正是5G及其对应的智能社会背后的根本发展动力!

  5G关键技术与网络架构

  5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。其中无线技术主要包括:大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等。新型网络架构的共识主要包括:软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)。

  大规模天线阵列是提升系统频谱效率的最重要技术手段之一,对满足5G系统容量和速率需求将起到重要的支撑作用;超密集组网通过增加基站部署密度,可实现百倍量级的容量提升,是满足5G千倍容量增长需求的最主要手段之一;新波形和多址技术通过发送特定信号的叠加传输来提升系统的接入能力,可有效支撑5G网络千亿设备连接需求;全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源,可有效缓解5G网络对频谱资源的巨大需求;新型网络架构基于SDN、NFV和云计算等先进技术可实现以用户为中心的更灵活、智能、高效和开放的5G新型网络。此外,基于滤波的正交频分复用(F-OFDM)、滤波器组多载波(FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通(D2D)、多元低密度奇偶检验(Q-ary LDPC)码、网络编码、极化码等被认为是5G潜在的无线关键技术。

图为:5G网络架构(源自IMT-2020)

  未来的5G网络将是基于SDN、NFV和云计算技术的更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。5G网络架构包括接入云、控制云和转发云三个域。接入云支持多种无线制式的接入,融合集中式和分布式两种无线接入网架构,适应各种类型的回传链路,实现更灵活的组网部署和更高效的无线资源管理。5G的网络控制功能和数据转发功能将解耦,形成集中统一的控制云和灵活高效的转发云。控制云实现局部和全局的会话控制、移动性管理和服务质量保证,并构建面向业务的网络能力开放接口,从而满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率。转发云基于通用的硬件平台,在控制云高效的网络控制和资源调度下,实现海量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。

  笔者想要强调的是:很多广电人士对于5G的关注更多是在无线网络技术层面,而对于网络架构的理解是非常不足的。事实上,随着移动网络和互联网在业务方面的深度融合,云计算、虚拟化、软件化等互联网技术是5G网络架构设计和平台构建的重要使能技术!或者说,5G代表着移动网络与互联网业务的深入融合!与之相比,广电行业与互联网的媒体融合才刚刚起步。

  基于“三朵云”的新型5G网络架构是移动网络未来的发展方向,但实际网络发展在满足未来新业务和新场景需求的同时,也要充分考虑现有移动网络的演进途径。5G网络架构的发展会存在局部变化到全网变革的中间阶段,通信技术与IT技术的融合会从核心网向无线接入网逐步延伸,最终形成网络架构的整体演变。

  新书介绍:《2017-2018中国电视媒体融合发展报告》,以下是报告整体框架(报告购买请咨询张女士:15611597395)

  在媒体融合实践方面,本报告反映的省级电视媒体机构包括江苏广播电视台、浙江广播电视台、上海广播电视台、北京广播电视台、广西电视台、广东广播电视台、山东广播电视台、重庆广播电视台、海南广播电视台、山西广播电视台、云南广播电视台、贵州广播电视台、山西广播电视台、陕西广播电视台、河南广播电视台、甘肃广播电视台、黑龙江广播电视台、西藏广播电视台、天津还和传媒中心、深圳广播电视总台等近20家机构媒体融合发展情况;在城市台方面则包括南京广播电视台、苏州广播电视台、扬州广播电视台、无锡广播电视台、武汉广播电视台、广州广播电视台、金华广播电视台这7家的媒体融合情况。县级融媒体中心推进介绍则涉及15个省(直辖市/自治区)情况及5个典型案例。

【责任编辑: 苗梦佳 】

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