移动通信发展史

蜂窝移动通信的发展极大地改变了我们的社会面貌和通信方式,我们现在很难想象没有移动通信系统的生活会是什么样的。移动通信技术高度赋能了我们的现代生活,使得现代社会能够高效运作,并且对政治,经济,教育,卫生,娱乐,物流,出行和工业都产生了重大影响。

自1970年代美国贝尔实验室开发出第一个模拟通信系统以来,大约每十年就会出现新一代无线通信系统。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。 2G完成了模拟技术向数字技术的转变,改善了话音质量,并且提供了短消息等功能。3G的目标是提供包括语音、数据、视频等丰富内容的移动多媒体业务。 4G则在3G基础上,数据传输速度更快、容量更高、质量更好。

5G是什么?

5G是第五代移动网络或者继4G之后的下一个主要蜂窝网络演进。5G会有更高的频谱效率,支持更多用户,提供更高的数据速率并保证更加稳定一致的用户体验。随着物联网设备和连接的增长,5G还有望去支持更高的设备连接密度,延长设备电池寿命,扩大网络覆盖范围并提高信令效率。

与以前推出的移动技术不同,5G并不是用新技术全面取代现有技术。它是针对现有架构的一种演进和重新构思,以便可以从当前和将来的基础结构中获得最大的灵活性和运营效率。

5G 驱动力

移动终端和流量的增长

根据思科的数据,到2021年,全球移动数据流量预计将达到每年587艾字节(exabytes ),高于2016年的87艾字节,是2011年全球移动流量总量的122倍。这相当于131万亿张图片,或者约13万亿个YouTube片段 移动数据流量的迅速增长主要是基于视频流业务的爆发。思科/ VNI预测,到2021年,在120亿个连接中,有75%将是智能设备,智能设备的飞跃将导致数据消耗激增。

全新的移动应用世界

除智能设备外,新的应用也在不断涌现并迅速增长。4G主要针对移动宽带(即MBB),未来的基础架构必须能够处理许多不同类型的设备,它们有着不同的甚至相冲突的需求。 因此,5G需要同时支持各种设备,从最小的到最强大的,并在数据速率,功耗和成本方面达到极致。

5G会继续提供和增强(eMBB)4G的功能,提供更高的带宽,来满足视频流和AR/VR等应用的需求,同时,它也开启了大规模物联网和高可靠低时延通信的应用场景。

未来将是一个可编程的世界,过去是关于人与人之间的联系,未来更多的是人和物及物和物之间的互联,即所谓的万物互联,属于物联网的范畴,比如智能音箱,智能空调。不同于MBB,它们有着不同的网络特点,比如, IoT会产生相对数据更多的信令开销。

5G需要包括所有这些应用。

通信行业发展的内在需求

随着移动设备数量的增加和数据流量的增加,移动设备和网络都需要提高能源效率。

另外,由于用户已习惯于统一费率且不愿支付更多费用,因此网络运营商承受着减少运营支出的压力。移动通信技术可以开启新的应用(例如用于超低延迟或高可靠性的场景)和行业新应用,从而为运营商打开新的收入来源。 因此,5G应该显著提高运营性能(例如,频谱效率提升,更高的数据速率,低延迟)以及出色的用户体验(接近固定网络,但是提供全面的移动性和大范围覆盖)。5G需要去满足物联网的大规模部署需求,提供可接受水平的能耗,设备成本,以及网络部署和运营成本。 它需要支持各种各样的应用和服务。

为什么我们不能简单的从LTE演化到5G?根据前面的描述,5G需要支持各种各样的用户场景,要想同时满足这些更大范围的用例,5G需要一个更加灵活和自适应的无线和核心网方案,它会改变当前的LTE基础架构。

5G行业应用和系统需求

ITU-R在其ITU-R M.2083建议书中为2020年及以后的IMT定义了以下主要方案:

增强型移动宽带(eMBB):

eMBB主要是针对以人为主的视频之类的服务,对吞吐量的需求非常高,能够提供比较好的用户体验,比较快的速率以及比较大的带宽。

在热点区域,能够处理大幅提升的数据速率,极高的用户密度和流量容量;对于广域覆盖场景,能够保证无缝覆盖及中到高速移动场景下用户数据速率的进一步改善。

物联网的大规模机器类型通信(mMTC)

支持大量终端的连接,万物互联,设备往往比较简单,低速,省电(低功耗),支持远距离传输(大范围覆盖)。例如,智能抄表,智慧农田。

超可靠和低延迟通信(URLLC)

紧急的、极致的机器类通信;要求时延很小,能够做出快速的反应,满足对安全性和可靠性要求极高的关键型应用。

From Internet

系统需求

根据ITU-R M.2083,IMT-Advanced(第四代)与IMT-2020(第五代)的关键功能比较: 5G期望的峰值速率是单个用户或者单个设备在理想的条件(特定的条件和场景)下达到20Gbps的传输速率,用户体验速率要能达到100Mbits/s,在热点覆盖区域甚至更高(比如:室内1Gbit/s)。

总体上,5G期望1ms的空口时延(单用户,小数据包),针对不同场景要求会有一定差异。对于用户面,eMBB场景下要求是4ms,而对时延要求高的uRLLC则为1ms;对于控制面,都为10ms。

在移动场景下(包括不同的接入技术下),5G要保证无缝的切换和数据传输,IMT-2020期望移动速度能支持到500km/h并保证足够好的QoS。

在连接密度上,5G相比4G有了10倍的提升,单个小区下每公里支持100万个连接数,真正实现了万物互联。

From ETSI

5G需要满足所有上面这些需求,但是针对各个场景来说,它们需求上是有差异的:

From ETSI

比如对于mMTC场景来说,物联网设备需要大的连接密度,但是对速率和时延方面的要求并不高,而对于极致通信来说,最为关注的是它的时延和移动性。5G需要根据各个应用的特定需求进行相应的资源分配和调度处理。

5G的行业应用

5G的这些性能会对我们的工业生产和日常生活带来重要的影响,下面通过几个行业应用来介绍一下5G是如果应用和促进产业发展的。

沉浸式娱乐 Immersive entertainment

对于不断增长的移动视频需求,5G网络的支持至关重要。 同时,消费者对沉浸式媒体,即互动性、多感官、数字化体验的热情不断高涨,借助VR和AR等技术,5G无与伦比的数据容量,速度和低延迟特性也将有助于实现全新的沉浸式娱乐。

这些技术通过AR游戏和互动游戏等创新,帮助提升体育和其他直播事件的粉丝体验,而VR则帮助在家中和移动设备上重新创造现场体验。

车联网 Connected Vehicles

5G对于自动驾驶的未来至关重要。这些联网车辆将需要检测障碍物,与智能标志(比如交通灯)信息交互,精确地图导航,并相互通信,甚至与其他制造商生产的汽车进行通信。

From Dell

为了确保乘客安全,大量的数据需要实时的传输和处理,只有5G能够提供将数百万辆自动驾驶汽车带入道路所需的容量,速度,低延迟和安全性。

自动驾驶汽车不仅具有减少污染和拥堵并提高乘客安全的潜力,而且还可以开拓一个全新的市场。随着驾驶员成为乘客,他们将获得额外的空闲时间,这可能会带来针对特定旅行时间量身定制的全新平台和模式。英特尔将这个崭新的领域称为“客运经济 Passenger Economy”,并预测到2050年其价值将达到7万亿美元。

物联网(IoT)

物联网(IoT)已经处于快速发展阶段,随着5G的引入,它的基础设施能够将数十亿设备连接到互联网。

家庭物联网中越来越多的设备为硬件制造商提供了巨大的机会,但真正的潜力在于工业物联网。在全球范围内,到2023年,工业连接基础将超过消费者物联网连接。根据GSMA Intelligence的数据,2017年至2025年,全球IoT连接(蜂窝和非蜂窝)的数量将增长三倍多(从7.5增至251亿)。

这项技术已经彻底改变了包括制造业,农业和零售业在内的各个领域。互联家庭,互联汽车和智慧城市解决方案正在获得真正的动力,智能能源和医疗保健也有望成为物联网的重要领域。在医疗保健领域,物联网可以提供全新的治疗方式,基于可穿戴设备传感器的数据,5G能够实现一系列创新,例如远程机器人手术和个性化医疗。同时,这种高精确的健康监控能力很可能会对保险业产生重大影响,其保费价格将取决于客户的生活方式。

敏感数据的大规模传输也意味着物联网安全将成为未来几年的重大投资方向。

IDC预测,全球物联网支出将从2017年的8000亿美元增长到2021年的近1.4万亿美元。麦肯锡对物联网总的经济影响做了更长远的评估 – 到2025年,每年将达到3.9-11.1万亿美元(类别最大的包括工厂(例如运营管理,预测性维护)和城市(例如公共安全与卫生,交通控制,资源管理))。

5G创新技术

5G里面引入了很多技术创新,主要包括无线技术和网络技术两方面。在无线技术领域,大规模天线阵列(Massive MIMO)、毫米波(mmWave)、载波技术(Carrier Aggregation)、新型多址接入等技术是提升5G性能的重要手段; 在网络技术领域,基于软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)的新型网络架构以及多接入边缘计算(Multi-Access Edge Computing - MEC)和网络切片(Network Slicing)将会是5G的重点关注领域。下面具体介绍一下MEC和Network Slicing。

边缘计算

5G需要处理场景的多样性,因此它需要一个更加自适应的无线和核心网,它的极端低时延(1ms)需求对LTE的基础架构是一个挑战

对于端到端时延 (核心网-终端), 传输距离影响非常大 (对照表见下图)。为了最大发挥空口1ms优势,也要控制基站到核心网之间的传输时间控制在1ms以内,那么就需要把基站到核心网之间的传输距离控制在几十公里以内。5G里实现的方案叫做MEC (Multi-Access Edge Computing),本质上就是把核心网的用户面(UPF)下沉,把它放到离基站非常近的地方,甚至可以放到跟基站同一个机房,这样的话从基站到核心网的用户面之间的距离就会变得非常的短,这段时延会大大缩小。

多接入边缘计算(MEC)是5G里的一项新技术,目前已在ETSI中进行标准化。通过MEC,实现核心网用户面下沉,把核心网处理网络节点放到网络边缘,MEC在移动网络的边缘,无线接入网(RAN)内以及紧邻移动用户的位置提供IT服务环境及电信级的运算和存储资源,通过将业务处理本地化,降低回传链路距离,减小业务的传输时延,确保高效的网络运行和服务交付,提供更好的用户体验。

MEC的环境具有低延迟,邻近用户,高带宽以及实时了解无线网络信息和位置感知的特点。所有这些都可以转化为价值,并可以为移动运营商,应用和内容提供商创造机会,使他们能够更好地从移动宽带体验中获利。

AR 增强现实

我们以AR场景为例,来描述一下它是如何利用MEC的特性来改善自身性能,促进行业发展的。

VR/AR是新一代信息技术相互融合的产物,它对渲染能力、互动体验和移动性有很高的要求。过去的AR/VR产品因为带宽和时延的问题导致它的渲染能力等不足,阻止了其在消费领域的大规模生产,是遏制其行业发展的一块短板。高质量的VR/AR对带宽和时延要求非常高,例如对于AR来说,它需要达到200Mbps以上带宽和5ms以下的延时,才能保证其用户体验。这在4G时代是没有办法实现的,而5G刚好解决了这些痛点。

增强现实(AR)是真实世界环境和计算机生成感官输入的融合,包括声音,视频,图形或GPS数据等,使得真实环境和虚拟信息无缝结合,真实环境与虚拟物体在同一画面或同一空间同时存在,给用户带来一种超越现实的感官体验。

AR可用于提升博物馆或其他景点的体验,考虑一下这个场景,一个游客来到博物馆,美术馆,城市纪念碑,音乐或体育赛事现场,将他们的移动设备移向特定的兴趣点,并激活与之相关的应用程序(比如博物馆应用程序)。摄像头捕获兴趣点,应用程序随之显示与访客正在观看的内容有关的其他虚拟增强信息。比如当你靠近一只恐龙骨架时,一只栩栩如生的恐龙会出现并且可能咆哮。

Source : http://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/1272229270/641

AR通过定位技术(GPS或相机图片)获取用户的位置以及面对的方向,分析摄像头捕获的兴趣点,分析了此类信息之后,应用程序可以向用户实时提供其他虚拟增强信息。如果用户移动,则需要刷新信息。 这个过程包括用户摄像头所获取视频数据的上传、AR内容服务器的分析处理以及虚拟信息的叠加、处理后影像数据的传输下载等等,这对网络带宽、传输时延以及处理速度都提出了很高的要求,因此需要在MEC平台上而不是在云中托管AR应用,同时,与兴趣点有关的增强信息是针对本地影像信息的叠加,其本身也高度本地化。下图显示了如何使用MEC平台提供增强现实服务。

From ETSI

MEC服务器上的应用程序负责本地目标对象跟踪、本地增强现实内容缓存以及增强现实内容的叠加处理,缩短了业务的端到端时延,提升了用户体验,同时避免了大流量数据传输对回传带宽的消耗。

网络切片

在前面我们介绍了5G里面有不同的用户场景和性能需求,当前的通用性网络架构并不能满足垂直行业业务在时延,伸缩性,可用性和可靠性等方面的各种特定需求。为了解决这个问题,NGMN首先提出了网络切片的概念。

网络切片使运营商能够创建预定义的,为不同的企业部门提供不同级别的服务,使他们能够定制自己的操作。另外,自动化和快速创建切片的能力可以为不同的客户进行网络能力的动态打包,这是网络切片的最终目标。

网络切片是一个跑在共享物理设施上的独立逻辑网络,遵守不同行业和客户的SLA(服务水平协议),要达到这个目标,网络切片需要提供端到端的服务,包括接入网,传输网和核心网。特别在5G里,接入网是一个异构网络,包括4G, 5G甚至非3GPP的WiFi和固定接入,网络切片需要去处理这些挑战。

网络软件化技术,比如SDN/NFV,能够提供可编程,灵活性和模块化等特性,可以通过它在公共网络上建立多个定制的逻辑虚拟网络,来实现这个目标。

From GSMA

上图中,这几个典型的行业分布映射到5G的3大基本场景,eMBB, mMTC和uRLLC,它们有着不同的功能和性能的需求,运行在不同的切片上,各个切片还可以再划分为子切片,满足细分行业。另外,一个垂直行业也可以包含多个切片。

网络切片有以下特点

  • 虚拟化:通过将资源进行抽象,保证了资源的有效共享,被虚拟的资源可以是物理资源,也可以是已经虚拟化的资源,也就是说它支持不同虚拟层的递归抽象。
  • 隔离性:虚拟网络之间是逻辑独立的,从存储、计算和处理能力看,一个网络切片可以由共享的或者专用的资源组成,跟其他切片是隔离的,任何一个网络发生故障都不会影响其他网络
  • 定制化:它满足客户定制化的需求,包括速度、时延、质量、安全和可靠性等
  • 公共平台:它基于SDN/NFV的统计基础架构,能够灵活进行部署。
V2X

V2X是5G网络切片应用的一个很好的例子,汽车将混合使用各种服务,包括大量的IoT设备(比如传感器),大带宽的娱乐系统,和低时延的监管服务或自动驾驶类的紧急服务。它们分别对应于三大基础场景:mMTC(机器类型通信),eMBB(增强型移动宽带)和uRRLC(超低延迟)。

切片可以根据特定的需求细分为子切片,就切片的粒度而言,V2X也是一个具有挑战性的用例。对于每个汽车制造商,每个汽车型号,每个汽车选项,运营商是否应该只有3种类型的切片用于V2X?切片越多,设置和管理(以及销售和支持)就越复杂,但是细分的切片可以更容易满足特定的需求,实际的部署中必须视情况而定。

除了与网络切片相关的业务问题(例如业务模型,切片的数量或切片的动态性)外,如今运营商面临的主要挑战之一是切片管理和编排。该内容不在本文细述。

总结

每一代新兴的通信系统的出现都深刻影响了我们的社会和生活方式,2G改变了人们的通信方式,3G让移动端为新的风口,催生了各种新的手机应用,也促使互联网产业从PC端向移动端迁移,4G更高的速率带来了更好的用户体验,并让短视频等数据应用得到了爆发,而5G从它一开始的设计初衷就是为了支持各种垂直行业的应用,更加灵活和可靠地提高各种极致服务,并实现万物互联。5G,必将更加彻底的影响我们的社会。

参考文档

  • [1] https://www.etsi.org/technologies/5g
  • [2] https://community.hpe.com/t5/Telecom-IQ/5G-Network-Slicing-the-most-promising-5G-use-case-for-digital/ba-p/7035869#.XjqA7zIzaUm
  • [3] https://community.hpe.com/t5/Telecom-IQ/5G-Network-Slicing-the-most-promising-5G-use-case-for-digital/ba-p/7035869#.XjqA7zIzaUm
  • [4] ETSI mec a key technology towards 5g
  • [5] GSMA Network Slicing Use Case Requirements