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    5G全產(chǎn)業(yè),有哪些新理念和新方向?

    作為下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的5G技術(shù)集合了世界范圍內(nèi)ICT專家和科研工作者的智慧結(jié)晶,隨著全球商用步伐的日益加速,5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大潮向我們緩緩打開(kāi)了一部波瀾壯闊的技術(shù)畫(huà)卷。這是迄今為止,人類對(duì)于看似遙不可及的未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)最大膽的想象。對(duì)于5G協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的官方命名是New Radio(NR),俗稱新空口技術(shù)。很多讀者十分感興趣的是,5G相比4G移動(dòng)通信在技術(shù)特點(diǎn)以及組網(wǎng)運(yùn)維方面到底新在了哪些方面?為此,本報(bào)記者特地邀請(qǐng)業(yè)界著名移動(dòng)通信專家張陽(yáng)博士,在本報(bào)開(kāi)辟了“5G新在哪兒”專欄,從各個(gè)角度介紹5G的“新”。本期是第一篇,首先從宏觀的視角看5G全產(chǎn)業(yè)到底都有哪些新的設(shè)計(jì)理念與發(fā)展方向。

    5G作為一種全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新的技術(shù),可以認(rèn)為是第一次真正以應(yīng)用為導(dǎo)向進(jìn)行的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定和系統(tǒng)設(shè)計(jì),是一次由高層帶動(dòng)底層設(shè)計(jì)的革命。5G作為通信系統(tǒng)中的“變形金剛”,提供了一整套統(tǒng)一基礎(chǔ)的框架機(jī)構(gòu),可以適用于多種應(yīng)用需求。歸納而言,包括如下新特點(diǎn):

    新的應(yīng)用需求

    5G作為一種以應(yīng)用驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)架構(gòu),其設(shè)計(jì)之初的目標(biāo)以及需求非常明確,主要是為了提供高可靠性(低誤碼率)、低時(shí)延服務(wù),其中高可靠性意味著在限定的時(shí)延下傳送近似0誤碼的數(shù)據(jù)包。可以通過(guò)成功傳輸包的比率(或者反向的誤包率)來(lái)評(píng)估可靠性,不同的URLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communications) 用例對(duì)于所需的比率以及時(shí)延門(mén)限可能有所不同;而高可用性則涉及通過(guò)3GPP系統(tǒng)提供可靠服務(wù)的通信鏈路,這里通信鏈路包括端到端的通道,其中含空口鏈路、傳輸鏈路以及不同軟硬件功能。高可用性本質(zhì)意味著質(zhì)量以及容量的保障,5G在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)調(diào)一種更高的適配性,空口是一種標(biāo)準(zhǔn)化接入層技術(shù),可以通過(guò)軟硬件資源、頻率、參數(shù)調(diào)整適配不同的應(yīng)用場(chǎng)景以及需求;而5G對(duì)于低時(shí)延的目標(biāo)則有明確的衡量標(biāo)準(zhǔn),例如控制面時(shí)延是指設(shè)備從IDLE態(tài)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸狀態(tài)的時(shí)延,目標(biāo)值為10ms,而對(duì)比LTE的時(shí)延則是50~100ms。用戶面時(shí)延指UE/BS不處于DRX狀態(tài)下,應(yīng)用層數(shù)據(jù)包通過(guò)無(wú)線協(xié)議棧2/3層進(jìn)口SDU到對(duì)端無(wú)線協(xié)議棧2/3層出口SDU的時(shí)延,對(duì)于上下行的用戶面時(shí)延要求都是0.5ms(注:LTE一個(gè)子幀1ms,一個(gè)時(shí)隙0.5ms)。間歇式的小包業(yè)務(wù)(IoT)時(shí)延是在基于最大路損164dB前提下,上行發(fā)送20byte應(yīng)用數(shù)據(jù)包時(shí)(物理層105byte)不超過(guò)10秒。

    新的組網(wǎng)模式

    5G組網(wǎng)方式較4G更加新穎靈活,主要包含去中心化部署、與LTE共站址部署、中心化部署、跨運(yùn)營(yíng)商共享部署四種方式,各種方式適用場(chǎng)景不同,組網(wǎng)特點(diǎn)也各不相同。例如對(duì)于去中心化部署方式,其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)扁平化,接入網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通,可與LTE的eNB連接,組網(wǎng)模式與4G現(xiàn)網(wǎng)相同;在現(xiàn)有站址資源稀缺的情況下,可以采取與LTE共站址進(jìn)行組網(wǎng)部署,既可以通過(guò)共基帶處理單元實(shí)現(xiàn)物理資源深度融合,也可以單純地以共機(jī)框、共機(jī)房、共天面的方式實(shí)現(xiàn)物理資源的復(fù)用,這種組網(wǎng)方式可以通過(guò)異系統(tǒng)互聯(lián)以及業(yè)務(wù)均衡方式最大化利用頻譜資源,同時(shí)比較容易實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分擔(dān);中心化組網(wǎng)方式意味著集中式部署,這就是C-RAN的概念,其中CU與DU分離實(shí)現(xiàn)了協(xié)議棧之間的解耦,同時(shí)可以節(jié)省基站機(jī)房資源,很好地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷和資源的分擔(dān)利用,也可以提升CoMP多點(diǎn)協(xié)作等技術(shù)的性能;跨運(yùn)營(yíng)商共享組網(wǎng)方式可以采取異構(gòu)組網(wǎng)方式(多個(gè)小區(qū)域),共享接入網(wǎng)頻率,可以是公共頻率也可以是某一運(yùn)營(yíng)商頻率。在非共享區(qū)域與共享區(qū)域之間的移動(dòng)性能應(yīng)該與LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)的移動(dòng)性能相當(dāng)。

    新的接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

    全新接入網(wǎng)可兼容現(xiàn)網(wǎng)LTE基站,主要包含兩種邏輯網(wǎng)元,一種是5G基站gNodeB,負(fù)責(zé)提供NR的用戶面和控制面協(xié)議;另外一種是升級(jí)版的LTE基站eNodeB,負(fù)責(zé)提供E-UTRA的用戶面和控制面協(xié)議。現(xiàn)網(wǎng)LTE接入網(wǎng)邏輯節(jié)點(diǎn)(eNodeB)之間的接口稱作X2接口,而5G接入網(wǎng)邏輯節(jié)點(diǎn)(gNodeB)之間的接口稱作Xn接口,gNodeB與5G核心網(wǎng)之間的接口稱作NG接口。接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中進(jìn)行了多種定義,較常用的包括獨(dú)立組網(wǎng)的Option2(gNB與5G核心網(wǎng)NGC互聯(lián),該種組網(wǎng)方式的特點(diǎn)是需要新建核心網(wǎng)和接入網(wǎng))和Option5方案(eLTE eNB與NGC互聯(lián),該種組網(wǎng)方式的特點(diǎn)是可利舊升級(jí)存量LTE基站,進(jìn)行核心網(wǎng)替換,網(wǎng)絡(luò)投資較小),同時(shí)包括非獨(dú)立組網(wǎng)的Option3/3A(NR非獨(dú)立設(shè)置,NR用戶面可通過(guò)LTE eNB〈3〉與現(xiàn)有核心網(wǎng)互聯(lián),也可以直接互聯(lián)〈3A〉,該種方式利于快速部署,現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)利舊)和Option7/7A方案(NR非獨(dú)立設(shè)置,NR用戶面可通過(guò)LTE eNB〈7〉與NGC互聯(lián),也可以直接互聯(lián)〈7A〉,保留LTE接入網(wǎng)設(shè)備,替換現(xiàn)有核心網(wǎng))。

    新的應(yīng)用場(chǎng)景

    5G應(yīng)用場(chǎng)景主要包含三大類,eMBB(enhanced Mobile BroadBand)增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶服務(wù)(相比URLLC可能有一定時(shí)延),此類場(chǎng)景的典型應(yīng)用例如AR/VR、高清電視信號(hào)傳輸?shù)葘?duì)于帶寬的需求很高,在能保證傳輸質(zhì)量的前提下,我們將來(lái)坐在電視前就可以身臨其境地感受到以球員視角進(jìn)行的實(shí)時(shí)影像回傳;mMTC(massive Machine Type Communications)海量物聯(lián)網(wǎng)通信則面向提供百萬(wàn)規(guī)模的物物連接,實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián),可以實(shí)現(xiàn)物品遠(yuǎn)程定位、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控或者對(duì)于物的自動(dòng)化管控;URLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communications)極端可靠低時(shí)延通信面向?qū)τ跁r(shí)延相當(dāng)敏感,對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能極端依賴的那些應(yīng)用需求,例如車(chē)輛自動(dòng)駕駛接管、遠(yuǎn)程醫(yī)療、戶外手術(shù)、緊急救援等。

    新的評(píng)估體系

    5G基于傳統(tǒng)4G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估體系,衍生出一些新的評(píng)估量化維度,例如對(duì)于峰值速率的要求進(jìn)一步提升,單站最高理論速率,目標(biāo)值是下行20Gbps,上行10Gbps;峰值頻譜效率,頻率歸一化下單站最高理論速率,目標(biāo)值是下行30bps/Hz和上行15bps/Hz;控制面時(shí)延:指從IDLE態(tài)到業(yè)務(wù)傳輸態(tài),目標(biāo)值為10ms;用戶面時(shí)延:不考慮DRX下,端到端數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延,對(duì)于URLLC業(yè)務(wù),目標(biāo)值上行0.5ms,下行0.5ms,對(duì)于eMBB業(yè)務(wù),目標(biāo)值為上行4ms和下行4ms;間歇小包業(yè)務(wù)時(shí)延:端到端數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延,在最大路損164dB條件下,傳送20byte應(yīng)用包時(shí)延不超過(guò)10秒;移動(dòng)服務(wù)中斷時(shí)間:這項(xiàng)指標(biāo)主要評(píng)估NR系統(tǒng)內(nèi)同頻切換或者異頻切換系統(tǒng)服務(wù)中斷時(shí)間,目標(biāo)為0ms,在特殊場(chǎng)景下,例如偏遠(yuǎn)低價(jià)值區(qū)域,該指標(biāo)門(mén)限可適當(dāng)放寬,10秒;可靠性:該指標(biāo)評(píng)估在特定信道環(huán)境下,在指定時(shí)延下,空口端到端包傳送成功率,對(duì)于一般URLLC業(yè)務(wù),目標(biāo)值為用戶面時(shí)延1ms,傳送32byte成功率為99.99999%;覆蓋:邊緣速率160bps下的最大路損,目標(biāo)值為164dB;UE電池壽命:mMTC電池壽命10年;UE能量效率:評(píng)估UE在盡可能減少耗能的前提下提供更多的寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);服務(wù)區(qū)域業(yè)務(wù)容量:指每單位地理面積下總業(yè)務(wù)吞吐率(Mbit/s/m2);連接密度:給定丟包率前提下能夠提供的連接數(shù),目標(biāo)值1000000 device/km2;移動(dòng)性:意味著在保障QoS下,最大用戶移動(dòng)速度,目標(biāo)為500km/h;網(wǎng)絡(luò)能耗效率:網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)一步降低功耗,實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。

    新技術(shù)

    5G通過(guò)大規(guī)模陣列通道實(shí)現(xiàn)的Massive-MIMO天線技術(shù)不僅在覆蓋能力方面進(jìn)一步提升,同時(shí)能夠有效緩解容量壓力。在無(wú)線空口技術(shù)創(chuàng)新方面,5G不僅采取了更優(yōu)化的編碼調(diào)制技術(shù)進(jìn)一步提升頻譜傳輸效率,還采取了靈活可變的物理層參數(shù)設(shè)置以及信令流程進(jìn)一步支持5G面向多種需求的設(shè)計(jì)理念。在優(yōu)化組網(wǎng)架構(gòu)方面,大量引入小基站實(shí)現(xiàn)宏微協(xié)同,不僅加強(qiáng)室內(nèi)區(qū)域的深度覆蓋,同時(shí)也能針對(duì)業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)小區(qū)分裂或者合并,緩解容量攀升帶來(lái)的壓力,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)用戶定位等輔助應(yīng)用需求。另外,5G不僅僅是傳統(tǒng)通信技術(shù)的革新,由于其大帶寬所帶來(lái)的數(shù)據(jù)顆粒度進(jìn)一步細(xì)化,也為與IT技術(shù)的深度融合創(chuàng)造了條件,使得邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、軟件虛擬化、云計(jì)算等技術(shù)與移動(dòng)通信技術(shù)深度融合發(fā)展成為可能。

    新的運(yùn)維模式

    隨著5G業(yè)務(wù)的發(fā)展,不僅需要考慮與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同運(yùn)維,同時(shí)還需要針對(duì)5G的獨(dú)有特點(diǎn)進(jìn)行考量。初期5G采取非獨(dú)立組網(wǎng)模式(NSA),可以利舊站點(diǎn)快速實(shí)現(xiàn)連片部署,但是對(duì)于錨定載波的選取、頻率的重耕、與4G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同天饋優(yōu)化、鄰區(qū)參數(shù)設(shè)置等諸多方面都需要重點(diǎn)關(guān)注。另外,還需提前針對(duì)5G基站的能耗增加進(jìn)行節(jié)能措施研究,進(jìn)行機(jī)房配套用電改造的合理規(guī)劃。同時(shí),應(yīng)對(duì)重點(diǎn)業(yè)務(wù)區(qū)域潛在大帶寬流量需求,并適配新型的BBU AAU單站架構(gòu),需提前進(jìn)行前傳傳輸網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留,以及C-RAN架構(gòu)下涉及機(jī)房的改造升級(jí)。

    新玩家

    在傳統(tǒng)通信設(shè)備供貨模式中,運(yùn)營(yíng)商需要采購(gòu)并使用專用通信硬件系統(tǒng),軟硬件緊密耦合,主設(shè)備廠家將軟件整合捆綁在硬件中一起采購(gòu)供貨。在5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,隨著通用硬件的處理能力提升,并結(jié)合CU與DU的分離架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)軟硬件充分解耦,導(dǎo)致供貨模式可能產(chǎn)生根本性的變化,由傳統(tǒng)電信設(shè)備巨頭控制的通信市場(chǎng)可能會(huì)引入更多參與者,更多主導(dǎo)IT軟件研發(fā)的公司可能成為全新的玩家。

    新思維

    5G技術(shù)顛覆傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中組網(wǎng)主體架構(gòu)更傾向于固定穩(wěn)態(tài)常規(guī)思路,使得運(yùn)營(yíng)商能夠通過(guò)靈活多變的網(wǎng)絡(luò)配置重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。從這一點(diǎn)來(lái)看,5G不僅是一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新,一種運(yùn)維流程的革新,一種供求模式的更新,更是一種全新思維模式的大膽探索。5G不僅需要依靠其自身的“內(nèi)涵”——智能通道運(yùn)維能力的提升帶來(lái)更好的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn),更需要憑借其“外延”——在大數(shù)據(jù)變現(xiàn)、內(nèi)容創(chuàng)新等方面促進(jìn)本身價(jià)值的提升,因此,5G是全產(chǎn)業(yè)鏈的共同機(jī)遇。

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