5G是什麼? 圖說5G那點事

原標題:5G是什麼? 圖說5G那點事

來源:網優雇傭軍(ID:hr_opt)本文包括以下三方面內容:1、5G是什麼?2、圖說5G那點事3、從2G到5G,20年核心網的分裂式演進之路

5G是什麼?《星際迷航》裡有句經典的話:



To boldly go where no man has gone before.

勇踏前人未至之境。

每次想到這句話,都能讓我熱血澎湃,幾乎熱淚盈眶。這句話放在5G身上太恰當不過瞭。

一、勇踏前人未至之境

NGMN是這樣定義的:

5G是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。5G主要包括三方面:生態、客戶和商業模式。它交付始終如一的服務體驗,通過現有的和新的用例,以及可持續發展的商業模式,為客戶和合作夥伴創造價值。

顯然,比起2/3/4G,5G應該向它的前輩們嘆息一句“燕雀安知鴻鵠之志哉”。2/3/4G時代主要局限於接入網和隨之演進的核心網,更多聚焦於技術。5G變瞭,它的野心是“端到端”的系統構架。從技術上講,5G還將實現電信也從未有過的軟件和硬件分離,並引入IT數據中心所采用的雲化和虛擬化的概念。

簡而言之,2/3/4G是技術推動單調的服務和商業模式,而5G要運用各種技術去滿足和支持持續變化的生態和商業模式。技術、生態和商業模式在天平上的重量發生瞭改變…



從未有過。

勇踏前人未至之境。

二、容量=帶寬*頻譜效率*小區數量

這是一個很熟悉的公式...



5G的容量是4G的1000倍,峰值速率10Gbps-20Gbps,全靠這個公式瞭。要提升容量無非三種辦法:提升頻譜帶寬、提高頻譜效率和增加小區數量。

但是,過日子要精打細算,我們得看一看這三種方式中哪個更省錢。增加小區數量意味著建更多基站,這筆花費不小。至於頻譜帶寬,考慮國外很多運營商的頻譜資源都是通過拍賣獲得的,也是挺剁手的。

從過日子的角度考慮,運營商更喜歡通過提升頻譜效率的方式來提升容量。考慮什麼校驗糾錯、編碼方式等辦法都接近瞭香農極限,最有效的辦法就是多天線技術瞭。

所以,高階MIMO和Massive MIMO這種復雜的天線系統必然成為5G的首選。

大規模天線是怎麼個概念?以今年3月份某機構的試驗結果為例(最新數據懶得去查瞭),基站部署128支天線陣元,連接12個單天線終端,頻譜效率可達79.4bit/s/Hz,便於計算也就是約80Mbps/MHz。如果將這個大規模天線系統部署在我們現有的20MHz帶寬的LTE基站上,80Mbps/MHz*20MHz就等於1.6Gbps,提升瞭12倍。

當然,對於容量比4G提升1000倍的目標來說,這是不夠的。那就需要新增高頻段瞭,花錢也得上啊。



但是,這引發一個問題,高頻段的穿透能力差,覆蓋范圍小。



所以,有人說5G不過是4G的熱點補充,要想實現100%全覆蓋還得依靠低頻段,但是,這種說法我們並不認同。

5G也可以讓高頻段擴大覆蓋范圍,這就是C-RAN結構+Massive MIMO。



在這樣的網絡構架下,控制面和用戶面分離。工作於低頻段且覆蓋范圍大的宏小區主要負責控制面,傳送控制信令;而工作於高頻段的Small Cells隻負責用戶面,傳送用戶數據流量。

這樣的構架不但解決瞭高容量和全覆蓋的問題,同時,減少瞭切換,減少瞭網絡信令。

C-RAN構架就是將RRU拉遠,BBU資源集中化,並對其進行軟件化、虛擬化和雲化,電信中心機房向IT數據中心轉型,並引入移動邊緣計算等,下面會繼續講到。

三、1ms時延

5G網絡的目標是毫秒級的端到端時延。很多人聽到這個1ms差點笑得在地上打滾,讓人想起瞭1961年美國總統肯尼迪說要10年內上月球。



LTE網絡內部時延是小於20ms,這還不考慮重傳,而要是ping外部服務器,這個時延通常在40-50ms以上。光纖的傳播速度是200公裡/ms,5G在應對時延超敏感用例時要求接入網時延不超過0.5ms,這就意味著5G中心機房(或者叫數據中心)與5G小區(基站)之間的物理距離不能超過50公裡。

面對物理時延的挑戰,我們不得不考慮在接入網引入移動邊緣計算(MEC)、邊緣數據中心,也就是將以前核心網和應用網的一些功能下沉到接入網。

盡管這種從中心化向分佈式系統的演進和電信網絡一直秉承的中心化概念是背道而馳的,但我們別無選擇。

除瞭降低時延,這樣的構架也附送瞭我們另一個好處,將更多的互聯網內容攬入電信網絡的懷抱中。正如我們剛才所講,用4G手機ping LTE網絡之外的外部服務器時,時延增加,外部時延不可控。低時延也向我們展示瞭電信網絡要掌握更多內容控制權的霸氣側漏的姿勢。

這種內容控制權也包括瞭基於MEC在接入網側的內容感知,比如對GTP-U數據流的解析,如此接地氣的參詳內容過去從未有過,以前隻能在核心網才能完成,這加強瞭網絡對業務內容的理解,真正實現智能管道。

另外一點可能會出乎你的意料,低時延還會帶來Small Cells的蓬勃生長。並不隻是因為5G高頻段覆蓋范圍小才不得不考慮Small Cells,其實時延也需要Small Cells。

小區越小,相對於宏站,意味著小區無線環境越簡單、幹凈,這可以降低由於惡劣的無線環境帶來的重傳問題,在高可靠、低時延的5G應用中同樣重要。

低時延能給用戶帶來怎樣的體驗?

2s時延足可以讓你上網的心情瞬間沮喪,直想暴跳如雷甩手機。

100ms時延你能感覺到上網偶爾有斷續。

傳奇程序員,第一人稱射擊遊戲之父,Oculus Rift的CTO John Carmack曾說,時延低於20ms人們通常難以覺察。低於20ms對於VR體驗非常重要,所以台中產後之家推薦我們可以預知,以後很多VR內容都關在我們的接入網中心機房裡。

還有車聯網的無人駕駛用例,盡管我不相信無人駕駛需要依靠5G低時延來控制剎車,在這方面科技巨頭們對分佈式系統的構想更為徹底,但蜂窩網絡的廣覆蓋和移動性優勢是任何網絡都無法比擬的,車聯網系統這麼復雜,總有很多實時的東西不得不依靠5G。

至於需要低時延的遠程工業控制、遠程醫療、可觸摸互聯網等應用,我隻能說,我們得面向未來,畢竟花大力氣制定一個標準不容易。

不得不提的是,除瞭技術和網絡構架的挑戰,低時延也帶來瞭網絡建設成本的挑戰。低時延意味著要建更多的中心機房(數據中心),鋪更多光纖,建更多小基站,還得考慮中心機房設備的計算和處理能力,另外,所謂軟件化/開源並不意味著免費,沒有天上掉下來的餡餅,這都是要花錢的。這種投資是和時延成反比的,時延越低,投資越大。所以,有人認為,5G是有錢運營商的遊戲。這也是歐洲運營商以5G要挾監管層放松管制的原因之一,我想這並不是歐洲運營商不願意建5G,隻是在高投入的壓力下對監管層的一舉一動變得更加敏感。

四、虛擬化/軟件化/雲化

我們為什麼要虛擬化?2012年的時候,有很多運營商提出瞭這樣的疑問。

想想那些血淚史吧。我們是怎樣被OTT一步步蠶食的?OTT玩傢們正是采用瞭虛擬化的IT構架和開源模式,從而以更敏捷、更高效、更靈活的方式搶走瞭我們手上的蛋糕。

長久以來,網絡越來越龐大,越來越復雜,而那些專用的電信設備不但擴展不靈活,而且習慣瞭自掃門前雪,整體效率太低,如同我們的公司體制,這是一個龐大而臃腫的機構,仿佛背著世界前行。

所以我們要打破傳統,用IT的方式重構網絡。

而虛擬化打通瞭開源平臺,讓更多的第三方和合作夥伴參與進來,從而在已運行多年的成熟的電信網絡上激發更多的創新和價值。

這正是NGMN的願景:生態、客戶和商業模式。

如果用四個詞來概括5G網絡的設計原則,它們是:解耦、軟件化、開源化和雲化。

解耦:軟硬件解耦,控制面/用戶面分離。

軟件化:NFV、SDN、編排和網絡切片。

開源:軟硬件開源,前傳、API接口開放。

雲化:從CAPEX向OPEX模式轉型,虛擬化 DevOps環境,動態 自動化運維。

?

五、4G就夠瞭嗎?

不想再引用那些預測數據瞭,讓我們回憶一下兩句經典“名言”吧。

IBM的老沃森曾說,世界上隻需要5臺電腦。

比爾蓋茨曾說,640K內存都足夠瞭。

有人說,4G就夠瞭。

真的就夠瞭嗎?你有沒有發現,我們在流量需求上一直是不誠實的。嘴上說不要不要,一旦體驗到那種快感後,根本舍不得放下。你見過有幾個用上4G之後,還願意重返2G/3G時代?

最近看瞭一本書《擺渡人》。書中的女主角死於車禍後,擺渡人引導她的靈魂穿過荒原,歷經重重劫難,終於到達彼岸。可是,她愛上瞭她的擺渡人,而擺渡人是不能和她一同到達彼岸的,為瞭找回自己的愛情,女孩義無反顧的回到荒原,在與惡魔多次戰鬥後,勇敢無畏的女孩終於再次遇上瞭她的擺渡人。於是,兩人約定,重回世間。

我特麼竟然把這故事和電信業想到一塊瞭。

電信業經歷過輝煌,如今跌入低谷,但絕不是跌下去就爬不起來瞭,這裡沒有地獄。我們沒有死,我們需要的不過是重返荒原,尋找自己的擺渡人,重回世間。

5G會是我們的擺渡人嗎?它會引導我們重返輝煌嗎?

是的,當我們退無可退之時,5G就是我們的擺渡人,隻要我們堅定生的信念,隻要靈魂不死,我們就能重返世間。

這個世界沒有死亡,真正的死亡是魂飛魄散。

關於5G願景,有些人掉瞭一地下巴,但我覺得應該給予更多尊敬,深深的鞠一個躬,不是因為前方有千難萬阻等著我們去穿越,勇氣可嘉,而是它承載著電信業復興之夢。不管是技術、生態,還是商業模式,5G猶如一次脫胎換骨,滿血死後重生的渴望。

圖說5G那點事

5G啥時來?



3GPP向ITU承諾瞭,2020年要提交5G技術文檔,確保2020年前5G標準正式批準生效。

為此,3GPP按兩階段制定5G技術規范:Release 15(5G phase1)和 Release 16(5G phase2)。R15主要為瞭滿足著急在2020年商用5G運營商,R16則是為瞭滿足ITU定義的需求。

還能更詳細點嗎?





簡單的講,R15和R16分別分為三個Stage。

R15 (5G Phase 1):

●2017年6月,Stage-1凍結。

●2017年12月,Stage-2凍結。

●2018年6月,在TSG#80全會上,將完成Stage-3 NR與NextGen項目的凍結。

2018年9月,完成R15 標準。

R16 (5G Phase 2):

●2018年12月,Stage-1凍結。

●2019年6月,Stage-2凍結。

●2019年12月,Stage-3凍結。

2020年3月,完成R16標準。

目前R14輸出的那些5G TR…



目前關註的5G頻段有哪些?



5G盡可能使用4G附近頻段,尤其TDD頻段,目前國內3.4MHz-3.6MHz等頻段做5G試驗。

高頻段資源豐富,也是5G考慮的范圍,比如美國FCC已分配瞭近11GHz的高頻頻譜(如上圖北美),尤其28GHz頻段值得關註,Verizon已經在美國10多瞭個城市部署瞭5G固定無線接入網瞭,其主要就工作在28GHz頻段。

5G網絡面臨哪些挑戰?



5G面臨的技術挑戰主要是:高速率、端到端時延、高可靠性、大規模連接、用戶體驗和效率。

為瞭應對5G技術挑戰,5G網絡設計原則將出現:

●從集中化向分佈式發展

●從專用系統向虛擬系統發展

●從閉源向開源發展

所以,5G網絡的設計原台中月子中心月子餐則是...



5G網絡結構可能會是神馬樣子?



從2G到5G20年核心網的分裂式演進之路

從2000年GPRS首商用到2020年5G到來,這20年,核心網經歷瞭怎樣的進化?它又將如何演進?

回顧過去,不禁為移動通信迅猛發展之勢而感慨。數據速率從2G GPRS 65Kbit/s到LTE-A 1Gbit/s,再到5G時代10-20Gbit/s,增長速度令人吃驚。



移動核心網正是在這驚人的增長速度下,不斷適應,不斷創新和演進。

從3GPP R6到R8,你會發現,核心網的演講實際上呈現“分離”之勢。



上面這張圖告訴我們,R7開始通過Direct Tunnel技術將控制面和用戶面分離,在3G RNC和GGSN之間建立瞭直連用戶面隧道,用戶面數據流量直接繞過SGSN在RNC和GGSN之間傳輸。

R7打開瞭核心網分離式演進之路。

因此,到瞭LTE R8,出現瞭MME這樣的純信令節點。

2009年,在部署LTE/EPC的時候,有人認為核心網演進之路已經走到盡頭,繼續突破創新實在太難,畢竟要掌控每小區峰值速率150Mbps的網絡王國,實在是一件不容易的事。

然而,核心網並未停滯不前,反而展現出瞭氣吞萬象的霸氣。

隨著VoLTE和VoWiFi的出現,LTE/EPC又引入瞭S2a、S2b和S2c接口,這些接口將核心網的控制范圍延伸到瞭非3GPP網絡,即可信Non-3GPP接入(Non-3GPP Trusted Access)和非可信Non-3GPP接入(Non-3GPP untrusted Access)連接到3GPP網關PGW。

自此,核心網的構架如下圖所示...



圖中綠色實線表示用戶面 控制面接口。

演進之路還在繼續。

到瞭4.5G面向5G時代,2017年R14階段,3GPP將再次向分離式的核心網構架演進之路出發。

這一次更徹底,我們可以把它叫“全分離式”的網絡構架。



在“全分離式”構架下,SGW和PGW被分離為控制面和用戶面兩部分(如上圖黃色填充部分,SGW分離為SGW-C和SGW-U,PGW分離為PGW-C和PGW-U),同樣,SGSN也被分離為控制面(SGSN-C)和用戶面(SGSN-U)。

為什麼需要這種“全分離式”的網絡構架?

目的是讓網絡用戶面功能擺脫“中心化”的囚禁,使其既可靈活部署於核心網,也可部署於接入網(或接近接入網),這就是所謂的核心網用戶面下沉。同時,也保留瞭控制面功能的中心化。

我們也戲稱這叫“杯子式”的網絡構架。杯子,即CUPS,Control and User Plane Separation of EPC nodes。



為什麼核心網用戶面要下沉呢?這得從5G的容量和時延目標上去理解。

5G時代,高清視頻、VR/AR等應用必然給網絡帶來超大數據流量,這不但給回傳帶來沉重負擔,而且對核心網集中處理能力也是挑戰,隻能核心網用戶面下沉,從集中式向分佈式演進。另外,將內容緩存於接入網,更接近用戶,還降低瞭時延。

對於毫秒級的5G時延,下沉與分佈式是一個必然的選擇。光纖傳播速度為200km/ms,數據要在相距幾百公裡以上的終端和核心網之間來回傳送,顯然是無法滿足5G毫秒級時延的。物理距離受限,這是硬傷。



4G集中式核心網與5G分佈式核心網

伴隨著用戶/控制面分離、核心網下沉和分佈而來的是部署於接入網或接近接入網的分佈式數據中心,並引入基於NFV的MEC(移動邊緣計算)。

何為MEC?

我們知道NFV(網絡功能虛擬化)指的是解耦傳統電信設備的軟硬件,並將軟件功能運行於通用服務器硬件上,以降低成本,縮短部署周期和激發服務創新。

與NFV一樣,MEC也強調功能軟件化和平臺開放化,以提升網絡敏捷性,靈活性,加快部署和創新。

在標準構架上,MEC和NFV看起來不無二致,但它們是有區別的。區別主要在應用服務平臺和相關服務上,MEC根據無線接入網環境對NFV進行瞭優化,它將移動接入網與互聯網業務深度融合,並將雲計算和雲存儲下沉到邊緣數據中心,加速內容分發和下載,且向第三方提供開放接口以驅動創新。

有瞭MEC,PGW/SGW的用戶面就下沉到瞭移動邊緣節點,且由NFV VIM(虛擬基礎設施管理)、SDN和Orchestrator(編排器)控制管理。

以下圖這個MEC物聯網用例為例,SGW和PGW用戶面下沉到MEC服務器。



另一個與MEC、SDN/NFV並行而來的是網絡切片。

所謂網絡切片,就是運營商為瞭滿足不同的商業應用場台中產後護理之家推薦景需求,量身打造多個端到端的虛擬子網絡。

與2/3/4G單調的手機應用不同,5G面向萬物聯接,將應對不同的應用場景。不同的應用場景對網絡的移動性、安全性、時延、可靠性等,甚至是計費方式的需求是不同的。因此,5G網絡需要像瑞士軍刀一般能為不同的場景切出相應的虛擬子網絡。

下面這張圖向我們展示瞭網絡像面包一樣被切成多個虛擬子網絡:高清視頻切片網絡、手機切片網絡、海量物聯網切片網絡和任務關鍵型物聯網子網絡。



其中,由於高清視頻切片網絡要求海量視頻內容緩存(Cache)、分發和用戶就近訪問,所以核心網(Core)用戶面功能下沉到瞭台中月子中心比較邊緣雲(Edge Cloud)。

同樣,由於任務關鍵型物聯網對時延要求高,比如車聯網,為瞭降低物理距離帶來的時延,核心網(Core)也下沉到瞭邊緣雲,並在邊緣配置車聯網應用服務器(V2X Server)。

回顧歷史,展望未來,短短20年內,核心網正在從集中式向分離式的方向奔湧向前,這是一種去中心化、去集中化,分享和移動化的趨勢,有需求的倒逼,也有技術的主動適應,但最可貴的是,我們看到瞭未來將有更多來自前沿和邊緣的創新,看到瞭一種分佈式的蓬勃生長之勢正在移動網絡蔓延。

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