揭秘5G移动通信的核心特性

一、5G移动通信的定义

5G是第五代的蜂窝移动通信(5thgenerationmobilenetworks或5th generationwirelesssystems)的简称。5G的发展主要有两个驱动力。一方面以长期演进技术为代表的第四代移动通信系统4G已全面商用,对下一代技术的讨论提上日程;另一方面,移动数据的需求爆炸式增长,现有移动通信系统难以满足未来需求,急需研发新一代5G系统。

5G的发展也来自于对移动数据日益增长的需求。随着移动互联网的发展,越来越多的设备接入到移动网络中,新的服务和应用层出不穷,全球移动宽带用户到2020年,预计移动通信网络的容量需要在当前的网络容量上增长1000倍。移动数据流量的暴涨将给网络带来严峻的挑战。首先,如果按照当前移动通信网络发展,容量难以支持千倍流量的增长,网络能耗和比特成本难以承受;其次,流量增长必然带来对频谱的进一步需求,而移动通信频谱稀缺,可用频谱呈大跨度、碎片化分布,难以实现频谱的高效使用;此外,要提升网络容量,必须智能高效利用网络资源,例如针对业务和用户的个性进行智能优化,但这方面的能力不足;最后,未来网络必然是一个多网并存的异构移动网络,要提升网络容量,必须解决高效管理各个网络,简化互操作,增强用户体验的问题。为了解决上述挑战,满足日益增长的移动流量需求,亟需发展新一代5G移动通信网络。

5G移动网络与早期的2G、3G和4G移动网络一样,5G网络是数字蜂窝网络,在这种网络中,供应商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。表示声音和图像的模拟信号在手机中被数字化,由模数转换器转换并作为比特流传输。蜂窝中的所有5G无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵和低功率自动收发器(发射机和接收机)进行通信。收发器从公共频率池分配频道,这些频道在地理上分离的蜂窝中可以重复使用。本地天线通过高带宽光纤或无线回程连接与电话网络和互联网连接。与现有的手机一样,当用户从一个蜂窝穿越到另一个蜂窝时,他们的移动设备将自动“切换”到新蜂窝中的天线。

5G网络的主要优势在于,数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络,最高可达10Gbit/s,比当前的有线互联网要快,比先前的4GLTE蜂窝网络快100倍。另一个优点是较低的网络延迟(更快的响应时间),低于1毫秒,而4G为30—70毫秒。由于数据传输更快,5G网络将不仅仅为手机提供服务,而且还将成为一般性的家庭和办公网络提供商,与有线网络提供商竞争。以前的蜂窝网络提供了适用于手机的低数据率互联网接入,但是一个手机发射塔不能经济地提供足够的带宽作为家用计算机的一般互联网供应商。

国际标准化组织3GPP定义了5G的三大场景。其中,eMBB指3D/超高清视频等大流量移动宽带业务,mMTC指大规模物联网业务,URLLC指如无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。通过3GPP的三大场景定义可以看出,5G不仅应具备高速度,还应满足低时延这样更高的要求,尽管高速度依然是它的一个组成部分。从1G到4G,移动通信的核心是人与人之间的通信,个人的通信是移动通信的核心业务。但是5G的通信不仅仅是人的通信,而是物联网、工业自动化、无人驾驶等业务被引入,通信从人与人之间通信,开始转向人与物的通信,直至机器与机器之间的通信。

二、5G移动通信的特点

1.高速度

网络速度提升,用户体验与感受才会有较大提高,网络才能面对VR/超高清业务时不受限制,对网络速度要求很高的业务才能被广泛推广和使用,意味着用户可以每秒钟下载一部高清电影,也可能支持VR视频。5G的峰值网络速率达到10Gbps,网络传输速度比4G快10—100倍。

2.泛在网

随着业务的发展,网络业务需要无所不包,广泛存在。只有这样才能支持更加丰富的业务,才能在复杂的场景上使用。泛在网在广泛覆盖和纵深覆盖两个层面提供影响力。广泛是指我们社会生活的各个地方,需要广覆盖,如果覆盖5G,可以大量部署传感器,进行环境、空气质量甚至地貌变化、地震的监测,将非常有价值。纵深是指虽然已经有网络部署,但是需要进入更高品质的深度覆盖。5G的到来,可把以前网络品质不好的卫生间、地下停车库等都用很好的5G网络广泛覆盖。一定程度上,泛在网比高速度还重要,只是建一个少数地方覆盖、速度很高的网络,并不能保证5G的服务与体验,而泛在网才是5G体验的一个根本保证。

3.低功耗

5G要支持大规模物联网应用,就必须要有功耗的要求。与4G相比5G的流量密度提升1000倍,成本、能耗和安全性得到大幅度提高。这些年,可穿戴产品有一定发展,但是遇到很多瓶颈,最大的瓶颈是体验较差。现今,所有物联网产品都需要通信与能源,虽然通信可以通过多种手段实现,但是能源的供应只能靠电池。通信过程若消耗大量的能量,就很难让物联网产品被用户广泛接受。如果能把功耗降下来,将能大大改善用户体验,促进物联网产品的快速普及。

4.低时延(www.xing528.com)

5G的一个新场景是无人驾驶、工业自动化的高可靠连接。人与人之间进行信息交流,140毫秒的时延是可以接受的,但是如果这个时延用于无人驾驶、工业自动化就很难满足要求。5G对于时延的最低要求是1毫秒,甚至更低。无人驾驶汽车,需要中央控制中心和汽车进行互联,车与车之间也应进行互联,在高速度行动中,一个制动,需要瞬间把信息送到车上做出反应,100毫秒左右的时间,车就会冲出几十米,这就需要在最短的时延中,把信息送到车上,进行制动与车控反应。无人驾驶飞机更是如此。如数百架无人驾驶编队飞行,极小的偏差就会导致碰撞和事故,这就需要在极小的时延中,把信息传递给飞行中的无人驾驶飞机。工业自动化过程中,一个机械臂的操作,如果要做到极精细化,保证工作的高品质与精准性,也是需要极小的时延,最及时地做出反应。这些特征,在传统的人与人通信,甚至人与机器通信时,要求都不那么高,因为人的反应是较慢的,也不需要机器那么高的效率与精细化。而无论是无人驾驶飞机、无人驾驶汽车还是工业自动化,都是高速度运行,还需要在高速中保证及时信息传递和及时反应,这就对时延提出了极高要求。

5.万物互联

传统通信中,终端是非常有限的,固定电话时代,电话是以人群为定义的。而手机时代,终端数量有了巨大爆发,手机是按个人应用来定义的。到了5G时代,终端不是按人来定义,因为每人可能拥有数个,每个家庭可能拥有数个终端。

6.重构安全

传统的互联网要解决的是信息速度、无障碍的传输,自由、开放、共享是互联网的基本精神,但是在5G基础上建立的是智能互联网。智能互联网不仅是要实现信息传输,还要建立起一个社会和生活的新机制与新体系。智能互联网的基本精神是安全、管理、高效、方便。在5G的网络构建中,在底层就应该解决安全问题,从网络建设之初,就应该加入安全机制,信息应该加密,网络并不应该是开放的,对于特殊的服务需要建立起专门的安全机制。

三、5G移动通信标准的进展

5G国际标准主要由ITU(InternationalTelecommunicationUnion,国际电信联盟)和3GPP(3rdGenerationPartnershipProject,第三代合作伙伴计划)研究制定。ITU定义了IMT-2020八大关键技术指标,其中峰值速率、移动性、时延和频谱效率是传统的移动宽带关键技术指标,另外针对5G新增了4个关键指标,分别是用户体验速率、连接数密度、流量密度和能效。3GPP通过制定R15和R16两个版本的标准来满足ITUIMT-2020全部需求,其中R15为5G第一版本,聚焦增强移动宽带业务和基本的低时延高可靠业务,R16为5G增强版本,将支持物联网等垂直行业新业务。

2018年6月,3GPP发布了5GR15标准,基于5GNR和服务化架构的5G核心网支持网络切片、边缘计算、网络能力开放等新技术、新特征;2018年12月,3GPP发布了完整的R15标准,支持更多组网架构,支持4G基站接入5G核心网,以快速提供网络切片、边缘计算等业务能力。

按照3GPP整体规划,3GPP原计划于2019年年底发布5GR16标准,但受到突如其来的新型冠状病毒疫情的影响,5GR16标准推迟到2020年6月底发布。5GR16标准在增强移动宽带业务能力和基础网络架构能力的同时,重点提升对垂直行业应用的支持,包括多天线增强、载波聚合与大带宽增强、终端节能、定位增强、移动性增强、服务化架构增强、智能化运营、切片增强、5G车联网、低时延高可靠(uRLLC)增强、工业物联网增强、切片安全、5GCIoT(蜂窝物联网)安全、uRLLC安全等内容。

我国高度重视5G标准制定工作,国际方面,基于ITU和3GPP框架,在5GR15的基础上,积极开展5G后续国际标准研制,引导5G国际标准创新,主推灵活系统设计、大规模天线、服务化架构等重点技术方向研究,推动形成全球统一5G国际标准,并进一步加强创新技术研究,推动5G增强技术的标准化。

2019年8月15日,中国通信标准化协会(CCSA)无线通信技术工作委员会(TC5)第四十九次全会在青岛召开。由中国移动、中兴通讯和中国联通联合牵头并与全行业共同推进的我国第一个5G安全行业标准《5G移动通信网安全技术要求》在会议上通过送审、完成编写。CCSA是中国最具影响力的通信和信息技术标准化组织。其中,TC5是负责移动通信网络标准制订的技术工作委员会,下设无线安全与加密工作组(WG5)负责制定移动通信网络安全标准。《5G移动通信网安全技术要求》标准由CCSATC5WG5组织制订和审议。历时近一年,经过数十次的深入研讨、上百名安全专家的共同努力,该标准最终得以高质量完成,标志着我国即将广泛部署的5G网络将拥有一份可靠的安全体系与实施规范。

2020年1月7日,工业和信息化部正式发布了《中华人民共和国工业和信息化部公告2019年第61号》,公布了工信部批准的《5G移动通信网核心网总体技术要求》等447项行业标准。447项行业标准包括通信行业标准32项、电子行业标准14项、化工行业标准151项、石化行业标准8项、冶金行业标准19项、有色金属行业标准4项、建材行业标准23项、机械行业标准39项、汽车行业标准3项、船舶行业标准29项、航空行业标准2项、轻工行业标准68项、纺织行业标准55项。

随着我国信息通信行业标准体系不断完善、技术水平持续提升、国际影响力越来越大,在制造强国和网络强国建设中的作用日益凸显。特别是在5G国际标准化工作中,国内企事业单位积极向国际社会贡献中国智慧和中国方案,共同制定全球统一的5G标准,提升了我国在全球移动通信领域的影响力。