【美东漫谈】5G通信时代即将到来,你准备好了?

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原标题:5分钟看懂5G(上)-技术篇

作者:青平

 

5G是现在炙手可热的话题,今天我们从技术上聊聊5G是什么,从哪里来,到哪里去。

五代无线通信技术
 

G是generation的简写,顾名思义5G就是4G的下一代,即第五代无线通信技术。无线通信从80年代的第一代1G发展到今天早已天翻地覆。1G是模拟语音技术,实现了无线通话但只支持语音,不支持数据,1G的最大传输速度是2.4kbps,而1MB就有1024k,其网速之慢以今天的标准来看不可想象,1G代表产品就是摩托罗拉的大哥大。

1991年推出的2G实现了从模拟到数字的转变,增加了短信功能,最大传输速度提高到50kbps。2.5G算过渡技术略过不谈。1998年正式出场的3G现在还在大量应用,很多运营商语音通话还在使用3G网。3G实现了无线上网、视频电话,数据传输速度的提高是这些新功能的背后推手。3G手机静止最大传输速度可达到2Mbps,移动时384kbps,速度还是蜗步龟移,不过总算迈入了移动互联网的大门。2008年4G闪亮登场了,4G是当前无线通信网络的主干,可以多人联网游戏,实时高清视频等等,还是数据传输速度提高的功劳,4G静止或者步行速度时的最大传输速度是1Gbps,移动时100Mbps。迄今为止无线通信的代迭主要是通过网速的提高带来全新的应用和使用体验。

那么5G是不是也顺着这个思路发展?对,但不完全。5G不光网速更快,同时还具备稳定、实时响应、同时兼容海量类型设备等特点。

理论上5G的速度可以达到4G的20倍以上,最高静止速度可以到20Gbps,移动速度也可以到1Gbps,基本上可以和有线宽带媲美。当然这是理论数据,实际部署里考虑到干扰和共享,速度会在理论的75%左右。

提起网速大家爱用下载一部电影需要的时间举例:下载一部1GB大小的电影4G理论上需要3分钟而5G只需1秒,这很直观。但是4G的速度对现在的主流应用已经绰绰有余了。以在线视频为例5G网速对应的是4k分辨率的视频,然而以目前手机的屏幕,观看1080p的电影(4G速度)或者4k电影(5G速度),用户体验相去无几。这说明仅提升网速是不能带来升级的迫切感,5G需要开脱新应用。

物联网(Internet of Things, IOT)就是为5G应运而生的杀手级应用。物联网是把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来,进行信息交换,以实现智能化识别和管理。智能城市、智能家居、自动驾驶、机器人群控等等都是物联网的分支。美国的思科公司预测未来10年物联网能创造19万亿美元的价值。

物联网有两个特点,1.设备数量庞大,通信-感知-智能是物联网的发展路径,这必然导致连接数和用户数的爆发,一个家庭就可能有几百上千的设备上网,有人估算物联网时代联网设备数量可能会在万亿级别;2.很多应用需要低延时,比如自动驾驶、远程医疗、虚拟现实等对数据传输频率是毫秒级别的要求。现在4G延时大概在五十到几百毫秒之间,而5G的延时在几毫秒之内,基本能满足这个的要求。5G和物联网简直是珠联璧合,可以说没有5G,物联网就是空中楼阁,没有物联网,5G的普及也遥遥无期。

5G是怎样高速传递信息
 

接下来我们简单的从无线通信的原理和结构来看看5G是怎样达到这些要求的。

无线通信的原理是什么?无线通信就是把无线信号利用电磁波传播,电磁波是场波只要有空间就可以传播。无线电波的特性,是由它的频率决定的。不同频率的电磁波,有不同的属性特点,从而有不同的用途。根据大名鼎鼎的香农理论,通信系统的容量(带宽)为 C=W•log(1+SNR),其中W为工作频谱带宽,SNR为信噪比,也就是说带宽取决于工作频谱带宽和信噪比。无线通信主要使用中频-超高频频率,4G在800-900MHz,5G的频率分为6GHz以下和24GHz以上两种,5G的中低频也在3.5GHz左右,远超4G的频率。其中6GHz以下频率是在4G LTE的基础上略有改进,24GHz以上的才支持理论上的20Gbps速度。

无线频率是宝贵的有限资源,大多数国家都是用拍卖的方式分配频率。美国政府在4G频率拍卖中收入200亿美元。目前,欧洲、美国、日韩等国的5G拍卖工作正火热进行中。全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源,有效缓解5G网络频谱资源的巨大需求。美国联邦通信委员会(FCC)确定5G部署在高中低全频谱(1GHz以下为低频段,1-6GHz为中频段,6GHz以上为毫米波高频段)。2016年7月,美国联邦委员会(FCC)将24GHz以上频段,共10.85GHz频谱用于5G,并在近几年为5G逐步释放3.4GHz-4.2GHz中频段频谱。此外,2017年4月,美国FCC就已经完成600MHz低频频谱拍卖工作,并在2018年11月开始拍卖28GHz频谱和24GHz频谱。

中国已经将3.3-3.6GHz和4.8-5GHz中频段频谱划分给5G,并在公开征集24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波频段5G系统频率规划的意见。

看到这大家会有疑问,如果频率越高速度越快,为什么不直接上更高的频率,还要有中低频?这是由电磁波的物理特性决定的:频率越高,波长越短,穿墙和绕过障碍物的能力越低。高频段的无线通信最大的问题,就是传输距离大幅缩短,覆盖能力大幅减弱,也就意味着频率越高覆盖同样地区需要的基站就越多。一个5G的宏基站覆盖半径大概1公里,而4G宏基站的覆盖半径是70公里。中,低频段可以有效控制成本,特别是低频段可以通过升级已有的4G基站实现,美国计划用低频-覆盖全国,中频-城市,高频-人口密集中心城市和热点。估计大多数国家也会采用类似模式。5G需要的不仅仅是技术的成功还离不开商业化的成功。

微基站(small cell)是解决5G在室内和热点信号覆盖的办法,这种基站成本低可以大量安装,从而解决局部5G信号的覆盖问题。大面积覆盖还是需要宏基站(macro base station),室外宏基站因为大规模天线阵,功耗等原因投资成本会在4G基站基础上进一步增长。4G需要高高在上的宏基站把信号传输到几十公里以外,而5G的宏基站在每个街角都得有,估计到时大家能看到各种脑洞大开的基站美化伪装,做工业品外观设计的大有可为。

谈到基站自然不能不谈无线通信网络的架构,无线通信从诞生到现在基本没变化:手机→接入网→承载网→核心网→承载网→接入网→手机。接入网就是负责搜集数据,承载网汇总并传输数据到核心网,核心网就是处理和分发数据(routing & switching),手机就不用解释了。基站是无线通信三大组成部分之一无线接入网(RAN)的主要成员,接入网的要求决定了基站的技术方向。接下来我们来看看核心网和用户终端的5G特色。

核心网(Core Network, CN)主要功能是负责处理和分发数据,听起来好像很简单。但是现在无线业务的复杂性和多样性带来了新网元,新设备,新功能的诸多要求,从而导致核心网,越来越庞大,越来越复杂。在不同场景下,对于网速、时延、连接数其实是不同的,看高清视频在乎的是画质,整体延后几秒甚至十几秒无所谓。但远程驾驶在乎的是时延,时延超过10ms,都会严重影响行驶安全。这就引出5G的一个关键概念-切片。切片,简单来说,就是把一张物理上的网络,按应用需要划分为很多逻辑网络。不同的逻辑网络,服务于不同需要。网络切片,可以优化网络资源分配,实现最大成本效率,满足多元化要求。

核心网在5G时代还有一个关键的变化-虚拟化。就是把核心网的硬件和软件的关联拆散,软件利用云计算,网络功能虚拟化(NFV)化和软件定义网络(SDN)化;降低升级成本,缓冲海量数据压力,接近用户降低时延。还有超密集网络技术UDN,自组网技术SON,Multi-RAT技术,设备到设备D2D来应对复杂需求同时降低运营成本的挑战。

除此之外还有很多为5G开发的关键技术,譬如大规模天线阵列(Massive MIMO)可以大幅度提升系统频谱效率,就是使用由大量天线组成的天线阵,多进多出,理论上可以达到128根接受128根传送的256天线阵列。在网络架构方面,进一步向扁平化发展,过去2G、3G的四层,到4G已经变成三层,到5G更加简洁,变成两层。诸如此类,就不一一论述了。

现在的手机无法使用5G网
 

大家最关心的恐怕是无线通信的终端-手机。 一句话现在市面的所有手机都不支持5G标准,用户必须购买新的支持5G标准的手机。5G手机现在还面临不少尚待解决的技术障碍。耗电量,不仅是基站需要解决功耗问题,5G手机在搜索信号时,也会更快的消耗电量。华为轮值CEO徐直军表示,华为准备推出的5G芯片耗电量是4G的2.5倍。因为天线数量增加导致手机测试复杂程度呈指数上升,美国国家仪器公司产品经理Sarah Yost说。“目前,业界还在努力研究如何为所有这些天线创建高效的波束模式。如果手机上有8到多达64路输入,波束模式的数量就会非常大。你可能有12个发送模式和12个接收模式,所有这些模式的幅度可能都互不相同。” 这使得测试5G芯片变得非常耗时。

第一代高通、三星、英特尔和华为海思的5G基带都还没有真正达到商业应用的标准。手机业内人士的评论:必须解决5G手机耗电量高,发热量大,笨重等问题才具备大规模普及的条件。

主流手机生产商里,苹果因为换用英特尔的芯片,在2020年才会看见第一款支持5G的Iphone。三星在2019下半年会推出几款5G手机,S10 plus很可能是三星第一款5G手机。华为计划在2019年3月推出5G版麒麟芯片,6月底之前推出5G手机。LG、谷歌、联想、1加也会在2019年内发布各自的5G手机。首批5G手机会集中在800美元以上的旗舰机型上,应该会在3-4年内全面普及。

各国的无线运营商也纷纷推出自己的5G路线图。根据美国高通公司的预计,2019年推出5G技术的国家包括美国,英国、德国、瑞士、中国、韩国和澳大利亚等。美国的AT&T、Verizon和Sprint已宣布在2018年底至2019年之间把5G网络投入商用。其中AT&T于2018年底推出全球首个覆盖12个城市的5G商业移动网络,2019年初扩大到19个城市,在接下来的几年内完成覆盖全美3亿人的5G网络。中国三大运营商也给出了各自的5G时间表,目前中国5G基站建成数全球第一,整体而言中国三大运营商在2019年将陆续对更多城市开启预商用,2020都能够做到全面正式商用。日本和韩国也推出了2019年5G网络落地的时间表。

2019年会是5G手机的元年,不一定完美,先解决有无问题。作为消费者可以选择观望,当然第一个吃螃蟹的人同样令人敬佩。

听起来几近完美的5G面临什么挑战和问题?华为创始人任正非认为:“5G的作用被夸大,人类社会目前对5G的需求还没有那么迫切。人们现在需要的网络宽带,5G的主要内容不是宽带。5G的基站不是万能的,大家别那么着急。”

首先5G网络投资规模巨大,以中国为例中国4G广覆盖阶段已基本结束,现有4G宏基站数约370万。中国三大运营商4G建网累计投资超过4500亿元。而5G基站在数量和单个成本会大幅超过4G,仅中国预计总投资额就达1.2万亿人民币,而美国5G总投资额可能在5000亿美元以上。如此庞大规模的投资会让运营商不堪重负。中国三大电信运营商2018上半年净利润总额817.7亿元,其中中移动上半年实现净利润656亿元,中国电信135亿,联通78亿,听起来日进斗金,但在4G投资尚未收回,继续大举投资5G,财务风险不小。任何技术在没有解决盈利问题前大规模推广都压力重重。

5G的功耗至少是4G的5倍,其中基站占整个无线网络能耗的72%,Massive MIMO将增加5G基站总能耗,尽管5G小/微基站的能耗远低于传统宏站,但分布更加密集,会导致网络的总能耗上升。4G基站每GB流量大概消耗2度电,可想而知5G能耗之大。Dexter Johnson在《The 5G Dilemma: More Base Stations, More Antennas—Less Energy?》文中指出,5G的潜在威胁是:提供高达1000倍于现网的数据,也意味着高达1000倍的能耗。当然这是夸张的说法,但5G能耗是现实的问题。

除了投资规模巨大和能耗增高导致运营成本上升以外,大多数运营商在5G部署的初始阶段会尽可能多的利用低频既改造已有的4G设备来降低投资成本,这就会导致除了在大城市的部分地区之外的5G速度不会达到理论数值。美国的Tmobile计划5G在2019年达到100Mbps,2024年达到450Mbps。中国电信电信研究院总工程师毕奇表示:“5G的峰值20Gbps,但这个与投入频宽有关,要用比较高频的频宽,目前国内的计划是准备每个运营商给100M,那20Gbps的速率还达不到。”

对消费者来说,初始阶段的5G很可能是在月费增加的同时只得到小幅提高的网速。

最后作为5G主要服务对象的物联网前景无限,但普及还需要解决成本,安全性,隐私,复杂性等问题。物联网的大规模推广尚需时日,这对5G的商业化是个挑战。

有人说20世纪是工业文明的世纪,煤、铁、石油这些资源是工业文明的血液,机器和机器制造业是工业文明的皇冠。 那么21世纪就是信息文明的世纪,光纤骨干网,高速无线网就是信息文明的血管,数据是信息文明的血液,人工智能、机器人、新能源和基因生物技术就是信息文明的皇冠。历史的车轮滚滚向前,站在新时代的门槛,我们别无选择,只能全力以赴。

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