通过前面的文章,大家可以看到,5G将成为我们生活的一个重要部分。当大家都在讨论5G的时候,你却一脸懵圈,不知道大家所说的这些术语都是什么意思,这岂不是很尴尬。没关系,搬张小板凳前排就坐,今天我们就来聊一聊5G技术的基础。

把人搞懵的G

现在大家已经知道了5G指的是第5代移动通信技术,这里的字母G呢,指的是英文Generation,“代”的意思,也就是说我们将要使用的这个技术是第5代的移动通信技术。前排有同学举手了,他说这不是新技术啊,我家的已经早就用上5G了,你看我现在连接无线路由器的热点名称后缀就是5G。

你的这个无线路由器信号确实是5G,但此5G,非彼5G也。专业人员由于概(lan)念(ai)清(fa)晰(zuo),经常省略数据后面的单位,导致吃瓜群众混淆一些关于G的概念,我们就在这里梳理一下。

在通讯领域G通常指的是一个数量级,Giga(吉),也叫千兆,具体是109,10亿。在不同的场合代表不同含义的时候,这个G后面就会带不同的单位。

像前面说到的5G的Wifi,完整的表示应该是工作在5GHz(赫兹)频段的无线局域网。无线通信通过电磁波来传输信息,用于传输信息的电磁波具有不同的频率,就像不同的车子在不同的车道行驶。频率的单位用赫兹(Hz)表示,也用频段代表一个频率范围,目前WiFi使用的频段主要是2.4GHz范围,但WiFi还有另外一个可用频段是在5GHz范围。有些支持两个频段的无线路由器,既可以工作在2.4GHz,也可以工作在5GHz。所以大家看到的这个5G的WiFi,其实指的是无线路由器工作的频段而不是我们所说的第5代移动通信技术。同样,大家在说CPU 1.6G、2.2G的时候指的也是CPU的工作频率Hz。

大家现在说到5G第一反应就是下载速率快,达到Gbps级别,这个小写的b表示bit(比特)。网络中的数据传输用二进制表示,一位二进制数(0或1)就是一个比特,bps是比特每秒,代表了单位时间内的数据吞吐量。Gbps说明每秒钟可以传输10亿个比特。我们家里的百兆光纤指的就是下载速率可以达到100Mbps (1M=1百万)。有些时候数据传输速率也称为带宽,所以会有百兆带宽接入,千兆带宽接入的说法。

下载速率快了,大家又担心流量不够用了,毕竟我的手机流量套餐才2G,用多了运营商会不会把我的房子都收走了?这里的2G套餐指的是2GB流量,GB是衡量数据量的一个单位,大写的B表示Byte(字节),一个字节有8个比特。1GB就是10亿个字节,大概是300首MP3,或者是一部高清影片的数据量。平常说的500G硬盘指的就是硬盘的数据存储量可以达到500GB。

大家可以看到这个G在通信中经常出现,而且经常省略后面的单位,造成大家的混淆,所以根据不同的场合,大家要能理解它代表的不同含义。

好了,遛了个大弯儿,让我们回到5G。那么5G到底是怎么来的呢?

移动通信发展历程

七国八制的1G

说来话长,让我们回到上世纪70年代。1973年,世界上第一通移动电话在美国打通,到了1983年摩托罗拉生产出了世界上第一台商用手机,就是我们说的大哥大,长得像砖头一样,砖头机,这玩意儿一台有两斤重,拿在手上沉甸甸的。大家看90年代的港片,可以看到这是扛把子的标配,有气派。发达国家一看,这手机不错,没有电话线的限制很方便啊,所以纷纷发展自己的移动通信技术。英国、西德、法国、意大利、东欧、日本纷纷建立自己的标准和网络。这就是第一代移动通信技术,采用的是模拟信号技术,只要有个接收机,就能收到语音信号,跟收音机似的,容易被窃听,安全性很差,而且大家各干各的,没有统一的标准,无法进行国际漫游。因此就发展出了第二代移动通信技术。

欧美对峙的2G

第二代移动通信技术主要分成两大阵营,一个是欧洲阵营,推出了GSM(全球移动通信系统)技术,1992年在欧洲商用,1993年引入中国,取了一个响亮的名字--全球通,到现在还在使用。另外一个阵营是美国为首的CDMA one, 也叫窄带CDMA,IS-95。1995年美国开始商用,1996年中国联通也引入了这个技术。2G技术中还有一个是日本在用的技术,叫PHS(Personal Handy-phone System),后来引入中国,成了小灵通,在21世纪初风靡了全国。

三国演义的3G

前两代的移动通信技术都算不上全球的统一标准,没有获得官方的认可。直到第三代移动通信技术,才有了官方的牵头人,国际电信联盟(ITU,International Telecommunication Union)。ITU简称国际电联,是联合国下属的一个机构。

既然是全球的官方机构,当然要为全球老百姓谋福祉,所以他提出了对于移动通信技术的要求,官方命名IMT2000(International Mobile Telecom System,国际移动电信系统),表示下载速率要达到2000Kbps,主要工作在2000MHz频段,预计2000年商用。这就是俗称的3G。

但是ITU只提出了美妙的愿景,并不负责提供具体的方案,那么这些方案由谁来提呢?由各个行业协会,技术组织,企业等来提出各自的技术方案,通过ITU的评审之后,就可以成为全球的技术标准。这有点像投标,甲方出了标书,众多乙方纷纷投标,选中的就可以拿到项目。

为了成为标准,各方使出了浑身的解数,当时标准之争的风云变化绝对比任何一部商战片要精彩。与之相比,现在美国通过限制华为阻挡中国5G发展的伎俩,简直就是小儿科。欧洲携GSM在全球获得广泛应用的势头,推出了WCDMA技术,在标准之争中占有绝对优势地位。美国从窄带CDMA,发展出了CDMA2000,但由于窄带CDMA的使用主要在北美和亚洲的韩国,因此CDMA2000在标准之争中处于劣势。中国为了争取通信标准的话语权,也提出了TD-SCDMA技术,但这个新生技术没有产业的支持,前途未卜。在ITU的标准评审会议上,中国和美国联手,互相支持,对抗欧洲,最终这三个技术都被选入ITU的3G标准中,形成鼎立之势。日后中国联通选择了WCDMA,中国电信使用了CDMA2000,而中国移动扛起了TD-SCDMA的大旗。

你以为标准之争就这样结束了?图样图森破。成为标准之后,CDMA2000在全世界市场上发展并不好,主要在北美和亚洲的日本韩国使用(中国那时还没发放3G牌照),美国也没有比较有影响力的电信设备制造商,摩托罗拉已经逐渐没落。但美国的计算机产业在全球可是独占鳌头,因此美国另辟蹊径,从计算机网络技术中发展出了WiMax技术。WiMax最早是作为和Wifi一样的无线局域网技术,是由IEEE(国际电子电气工程师协会,就是前阵子限制华为会员审核资格被抗议后又立马取消的那个组织)制定的,在21世纪的前十年是大热门,一度想要发展成无线广域网技术,也就是移动通信技术。为了获得在全球推广所需的频谱资源,美国甚至动用了政治力量,让国际电联在2007年重启早已冻结的3G标准,硬把WiMax挤了进去。这下中国和欧洲不乐意了,联合抵制WiMax,世界上最大的电信设备制造商欧洲的爱立信和诺基亚不生产WiMax设备,最大的电信市场中国不开放给WiMax。因此尽管WiMax雷声大,但雨点小,发展并不好,很多押宝WiMax的运营商和公司损失惨重,著名的通信公司北电因此破产。到2010年,英特尔宣布裁撤负责推动全球WiMAX发展的专责单位,然后,就没有然后了。当然WiMax作为移动通信技术的历程结束了,但作为无线城域网技术还是继续发展的。

长期演进的4G

3G之后,ITU又制定了新一代移动通信技术的要求,命名为IMT-Advance,简称IMT-A,还是欢迎大家来稿。CDMA2000技术进一步升级,发展出了UMB(Ultra Mobile Broadband,超移动宽带系统)。但由于WCDMA发展态势良好,高通公司又对CDMA收取高额专利费,CDMA2000的推广一直不甚理想,全球最大的应用是中国电信(选用CDMA2000是中国加入WTO的一个条件)。电信行业是个烧钱的主,没有了市场和效益,衍生于CDMA2000的UMB最后无疾而终,搭不上4G的列车。而WCDMA和TD-SCDMA技术演进到了LTE。

LTE全称是Long Term Evolution,长期演进,是由3GPP组织制定的移动通信系统技术标准的长期演进,分成两种模式,LTE-FDD,由WCDMA发展而来;LTE-TDD(国内称为TD-LTE),由TD-SCDMA发展而来,中国是TDD模式的主要推动者。国内在2013年12月发放了TD-LTE的牌照,三家运营商都有,中国移动立马大干快上,迅速建成了一张世界上最大的LTE网络,一举扫除了3G时代的憋屈。而联通电信还在坐等LTE FDD的牌照,直到2015年2月,国家才发放了FDD牌照,但这时联通电信已错失了发展良机。现在大家手机上的APP都用得很溜,这要得益于LTE带来的技术进步。
但当你看着满大街的4G广告能轻轻说出“其实,我们用的LTE还不是4G。”时,你的专业形象立马高大起来。国际电联对4G的要求是峰值速率要达到1Gbps,LTE还无法满足要求,最多只能算3.9G。因此3GPP继续努力,增加了一些新技术,推出了LTE-A,实现了真正的4G。不过,应该也就技术宅关注这些细节,消费者只要能享受技术带来的便利,才不care是几G呢。

通信江湖的老大

谈到了标准制定,我们就一定要了解通信江湖中影响力最大的帮派,3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)。这个长得很像登录网站时要求输入验证码的图片就是它的logo。


山鸡屁屁

3GPP最初的工作范围是为第三代移动通信系统制定全球适用技术规范和技术报告。结果它提交的WCDMA和TD-SCDMA技术被ITU采纳为国际标准后,再接再厉又捣腾出了4G。因为干得好,到了5G的时候,3GPP的江湖地位已经无人可以撼动,名字都不改了,顺理成章地成了5G标准的制定者。时至今日,大家知道5G标准是3GPP制定的,却很少人知道还是要由ITU最终批准才能成为全球标准。
3GPP其实是一个通信行业协会,会员主要包括3类:

组织伙伴,主要由标准组织组成,包括欧洲的ETSI(欧洲电信标准化委员会),日本的ARIB(无线行业企业协会)和TTC(电信技术委员会),中国的CCSA(中国通信标准化协会),韩国的TTA(电信技术协会),北美的ATIS(世界无线通讯解决方案联盟),印度的TSDSI(电信标准开发协会),基本涵盖了通信强国的大佬们。

市场代表伙伴,被邀请参与3GPP以提供建议,并对3GPP中的一些新项目提出市场需求(如业务和功能需求等)的合作伙伴包括GSMA(全球移动通信系统协会),3G Americas ,IPv6论坛,TD-SCDMA产业联盟,TD-SCDMA论坛,CDMA发展组织等13个市场伙伴。

个体会员(也称独立会员),注册加入3GPP的独立成员,拥有和组织伙伴成员相同的参与权利。全球各知名设备商、运营商均具有3GPP的个体会员席位,共同参与标准规范讨论制定。像中国移动,中国电信,中国联通,华为,中兴,爱立信,诺基亚这些都属于3GPP的个体会员。

3GPP连小弟都是这些重量级的企业,说出来的话当然是很有分量的,这些就是标准规范,以Release作为版本进行管理,平均一到两年就会完成一个版本的制定。

第一个关于3G的版本是1999年制定的,所以叫Release99,之后就不按年份命名了,以数字顺序,从R4开始,最新的版本是R15,已在2018年6月冻结,R16正在制定中。何为“冻结”?定稿完放冰箱冷藏?“冻结”的意思就是自即日起对该Release只允许进行必要的修正而推出修订版,不再添加新特性,这样厂商就可以按照确定的标准开发制造产品了。一个版本的“冻结”,往往意味着吹响投入商用的号角。3GPP各个版本的内容,可以参照下图。

说了3GPP,我们顺便提一下3GPP2,这可不是山寨版的3GPP,也不是它的续集。以下文字来自百度百科:“第三代合作伙伴计划2(3rd Generation Partnership Project 2,即3GPP2)由美国TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起,中国无线通信标准研究组(CWTS)于1999年6月在韩国正式签字加入3GPP2。3GPP2声称其致力于使ITU的 IMT-2000计划中的(3G)移动电话系统规范在全球的发展,实际上它是从2G的CDMA One 或者IS-95发展而来的CDMA2000标准体系的标准化机构,它受到拥有多项CDMA关键技术专利的高通公司的较多支持。”也就是说,3GPP2致力于推动CDMA2000的标准化,成王败寇,随着CMDA2000的没落,3GPP2也退出了江湖。

5G驾到

在LTE发展风头正劲的时候,国际电联ITU在2015年正式确定了5G的官方名称“IMT-2020”,预计在2020年实现商用。在此之前,各方早已已经开始了5G的研究。我国早在2013年2月就由工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立了IMT-2020(5G)推进组,聚合移动通信领域产学研用力量,推动第五代移动通信技术研究,开展国际交流与合作,贡献了1/3的5G标准必要专利。2017年2月9日,国际通信标准组织3GPP宣布了“5G”的官方Logo,连名称都不用另起了,简单直接。

2018年6月,3GPP组织第一个关于5G的标准版本正式发布,2019年6月6日,中国发放了4张5G商用牌照,进入5G元年。

5G指标要求

前面4代移动通信技术集中关注的是人的通信,从最初的语音电话,慢慢增加了短信,互联网接入,随着数据传输速率的增加,图片,视频,各类移动互联网应该纷纷在手机上实现。到了5G,移动技术已经不满足于人与人的通信(增长乏力),除了提供增强的个人移动宽带体验之外,5G还将驱动移动通信与各行各业的结合,促进行业数字化,构建万物互联的未来世界。

那么,国际电信联盟ITU是如何定义5G的呢?来看看硬核指标:

  • 20Gbps的峰值速率
  • 0.1~1Gbps的用户体验速率
  • 每平方公里100万连接数
  • 1毫秒的端到端时延
  • 每平方公里数十Tbps的流量密度
  • 每小时500Km以上的移动性

其中用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。同时,5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率,相比4G,频谱效率提升5~15倍,能效和成本效率提升百倍以上,真是既要马儿跑,又要马儿少吃草。


5G之花

来感受一下@北邮何同学测试的5G速度。


平均下载速率在700Mbps左右,差不多是4G的十倍


连歌名都没看清就下载完了


在线看超高清的电影,进度条随便拖

哇塞,5G这是要上天吗。当然,并不是所有时候5G都需要同时提供这么多方面的高性能。ITU定义了5G三大场景。

eMBB(enhance Mobile Broadband增强移动宽带)

mMTC(massive Machine Type Communication海量机器类型通信)

uRLLC(Ultra Reliable & Low Latency Communication超高可靠低时延通信)

在增强型移动宽带场景下,可以几秒种下载一部高清3D电影,实时在线看8K分辨率的视频,联机游戏不卡顿爽到爆。

海量机器类型通信场景主要是物联网应用,你身边所有物品都可以连接到网络互相通信,每平方公里100万连接数就是为此准备的。

在一些特殊关键的场合,像自动驾驶,远程医疗,人命关天的事,对网络的可靠性和时延要求极高,就需要满足超高可靠低时延的性能。

这就是5G中经常提到的高速率,低时延,大连接。

那么,现在就能马上享受到5G带来的这些好处了吗?别急,罗马不是一日建成的,技术也需要进步的时间。5G的技术标准分成2个阶段,第一阶段R15版本已经于2018年6月冻结,主要聚焦eMBB场景,这也是现有移动宽带的进一步升级,奠定了商用基础。下一个版本R16预计在2020年3月发布,届时将满足其他所有场景(eMBB/mMTC/uRLLC)。

5G关键技术

5G这么逆天,到底都采用了什么黑科技呢?

毫米波mmWave,小波带来大带宽,让5G的道路无比宽阔。但毫米波的传输特性迫使网络不得不超密集组网,用更密集的基站分布来完成无线信号覆盖。密集的基站带来了更多的干扰,通过大规模MIMO实现波束赋形让信号精确制导。加上非正交多址NOAM,设备到设备D2D传输,都是无线技术的升级创新。

但我认为,5G最大的变革还在于网络架构,要实现三大场景性能各异的需求,基于服务的架构SBA隆重登场,这要通过网络切片技术才能实现,于是网络功能虚拟化NFV,软件定义网络SDN将在5G网络中大行其道。多接入边缘计算MEC通过将计算存储能力与业务服务能力向网络边缘迁移, 使5G严苛的性能指标得以保证。这些都是实现5G的关键技术。而在讲到5G的组网的时候更是言必提NR,CU/DU,5GC,SA,NSA。

看到这里,是不是已经开始晕了。不用紧张,在后面的文章中我会用最简单的方式让大家理解这些概念和技术的。我们休息一下,且待下回分解。