5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展淺析

郭九鷺

(河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000)

一、5G簡(jiǎn)介

5G，顧名思義是第五代通信技術(shù)，3GPP定義了5G三大場(chǎng)景：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB，Enhance Mobile Broadband);海量物聯(lián)網(wǎng)通信(mMTC，Massive Machine Type Communication)以及低時(shí)延、高可靠通信(uRLLC，Ultra Reliable &Low Latency Communication)。

(一)eMBB：按照計(jì)劃能夠在人口密集區(qū)為用戶提供1Gbps用戶體驗(yàn)速率和10Gbps峰值速率，在流量熱點(diǎn)區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)每平方公里數(shù)十Tbps的流量密度。

2016年底，在3GPP 第87次會(huì)議關(guān)于5G短碼方案的討論中，華為Polar Code(極化碼)成為5G控制信道eMBB場(chǎng)景編碼方案。Polar Code是人類已知的第一種能夠被嚴(yán)格證明達(dá)到香農(nóng)極限的信道編碼方法，糾錯(cuò)性能超過目前廣泛使用的Turbo碼(法國主推)和LDPC碼(美國高通主推)，最終成為信道控制編碼方案。華為與澳大利亞運(yùn)營(yíng)商Optus合作完成了5G網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，使用73GHz超高頻段實(shí)現(xiàn)了高達(dá)35Gbps的傳輸速率。數(shù)據(jù)信道的上行和下行短碼方案依然是LDPC碼。

(二)mMTC(海量物聯(lián)網(wǎng))：不僅能夠?qū)⑨t(yī)療儀器、家用電器和手持通訊終端等全部連接在一起，還能面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能農(nóng)業(yè)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景，并提供具備超千億網(wǎng)絡(luò)連接的支持能力，也就是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。

物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市領(lǐng)域中，有大量的公共設(shè)施計(jì)量需求，比如水表、電表和公共環(huán)境信息監(jiān)測(cè)等，都通過各種傳感器采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)。因?yàn)闇y(cè)量的特殊性，這些傳感器往往成本很低，可能一周甚至一個(gè)月才連1次網(wǎng)，部署以后多年都不需要替換，甚至需要部署在地下或相對(duì)封閉的室內(nèi)環(huán)境中，無線信號(hào)很容易衰落，這要求物聯(lián)網(wǎng)的連接非常節(jié)能，而且有非常深度的覆蓋。所以，在海量物聯(lián)網(wǎng)方面，5G也支持更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以更低的功耗接入網(wǎng)絡(luò)，甚至可以實(shí)現(xiàn)100萬個(gè)終端同時(shí)連網(wǎng)，而聯(lián)網(wǎng)終端的電池續(xù)航，也可以長(zhǎng)達(dá)5至10年。

(三)uRLLC：主要面向智能無人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等需要低時(shí)延高可靠連接的業(yè)務(wù)，能夠?yàn)橛脩籼峁┖撩爰?jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。

低時(shí)延、高可靠一個(gè)典型的例子是自動(dòng)駕駛汽車，過去的自動(dòng)駕駛，更多是通過汽車自身的傳感器，感知周圍信息并做出判斷，但這些傳感器卻都有自身的極限和限制。2016年5月份，美國一輛特斯拉汽車與拖車相撞的事故，正是這樣的一個(gè)慘痛案例。

目前，高通等廠商在推動(dòng)的未來無人駕駛技術(shù)，既有汽車自身的信息采集，也有汽車與汽車，乃至汽車與云端網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信交流，從而對(duì)汽車的無人駕駛進(jìn)行計(jì)算、判斷和實(shí)時(shí)調(diào)整，從而更加安全。

5G，將實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，更低的時(shí)延，以及更多的網(wǎng)絡(luò)連接。

二、5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)間表

工信部主導(dǎo)的5G移動(dòng)組網(wǎng)在我國已進(jìn)入第二階段，中國移動(dòng)已在北京、上海、廣州開始5G場(chǎng)外測(cè)試，形成預(yù)商用樣機(jī)；在北京懷柔也推進(jìn)了全球最大的5G試驗(yàn)網(wǎng)。移動(dòng)通信進(jìn)化符合摩爾定律，高速發(fā)展。

(一)移動(dòng)通信組網(wǎng)回顧

移動(dòng)：2G：GSM 3G：TD-SCDMA 4G：TD-LTE

聯(lián)通：2G：GSM 3G：WCDMA 4G：FDD-LTE FDD-LTE

電信：2G：CDMA 3G：CDMA2000 4G：TD-LTE FDD-LTE

TD-LTE-----TD組網(wǎng)107，占比17%，TD終端使用量51%

FDD-LTE------FDD組網(wǎng)507，占比83%FDD終端使用量49%

(二)5G標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)圖

2017---非獨(dú)立組網(wǎng)新空口標(biāo)準(zhǔn)將與2017年底完成，滿足美日韓激進(jìn)運(yùn)營(yíng)商需求

2018---第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版本將于2018年6月完成，滿足2020年5G商用需求

2019---完整版本會(huì)在2019年9月完成，滿足ITU全部需求

2020---實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的商用

(三)5G速率

在2016月初，中國移動(dòng)在蘇州舉行首批5G試驗(yàn)網(wǎng)外場(chǎng)測(cè)試正式啟動(dòng)。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，中國移動(dòng)表示：目前5G網(wǎng)絡(luò)的平均速率可達(dá)10Gbps。

華為與中國移動(dòng)研究院、上海移動(dòng)聯(lián)合構(gòu)建5G關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證外場(chǎng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室摸底測(cè)試結(jié)果表明，單用戶在高低頻雙連接模式下的單用戶峰值速率可達(dá)到18Gbps。

5G應(yīng)用舉例一：

連接隨處可及：人、物體、地點(diǎn)都將接入網(wǎng)絡(luò)。(海量鏈接)

低功耗大連接物聯(lián)網(wǎng)：支持100萬鏈接/平方KM，終端待機(jī)時(shí)間超10年。

車聯(lián)網(wǎng)：車與鄰車、車與道路基礎(chǔ)設(shè)施(紅綠燈、道路兩旁的專用通信設(shè)備)進(jìn)行互聯(lián)，提高道路環(huán)境感知能力。相比雷達(dá)、視頻識(shí)別的優(yōu)勢(shì)：超視距車輛信息，道路基礎(chǔ)設(shè)施等實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。應(yīng)用：主動(dòng)行車安全，提高交通運(yùn)輸效率、自動(dòng)駕駛

5G應(yīng)用舉例二：

終端形態(tài)各異：汽車、飛機(jī)、加電、建筑、電表、窨井蓋等都將成為終端(海量終端)

汽車由機(jī)器變?yōu)殡娮赢a(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)由制造業(yè)變?yōu)樾畔a(chǎn)業(yè)，無人機(jī)編隊(duì)作戰(zhàn)，

快遞也由勞動(dòng)密集型變?yōu)橘Y金密集型，

5G應(yīng)用舉例三：

生活方式改變：可穿戴、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛、智能家居、遠(yuǎn)程辦公，智能生活。

VR虛擬現(xiàn)實(shí)/AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：VR/AR對(duì)寬帶的最低要求是200Mbps,對(duì)多人交互要求的帶寬是Gbps VR體驗(yàn)，時(shí)間長(zhǎng)了眩暈。

三、窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT

NB-IoT：Narrow Band Internet of Things 成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支；NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)

(一)5G與NB-IOT

5G技術(shù)帶來的絕不僅僅是更快的網(wǎng)速，而是將萬物智能互聯(lián)成為可能NB-IoT是5G商用的前奏和基礎(chǔ)，NB-IoT的演進(jìn)更加重要，例如支持組播、連續(xù)移動(dòng)性、新的功率等級(jí)等等，只要NB-IOT等基礎(chǔ)建設(shè)完整，5G才有可能真正實(shí)現(xiàn)。NB-IoT技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用帶來勃勃生機(jī)，給遠(yuǎn)程抄表、安防報(bào)警、智慧井蓋、智慧路燈等諸多領(lǐng)域帶來的創(chuàng)新突破。

(二)NB-IOT特點(diǎn)

廣覆蓋：將提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力；

具備支撐海量連接的能力：NB-IoT一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

更低功耗：NB-IoT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年；更低的模塊成本，企業(yè)預(yù)期的單個(gè)接連模塊不超過5美元

NB-IoT最大的特點(diǎn)，是傳輸距離達(dá)到10km，可以覆蓋一個(gè)小縣城。而且可以帶無數(shù)終端，一個(gè)基站可以帶20多萬個(gè)終端。這意味著，管理一個(gè)井蓋、停車收費(fèi)，都變得輕松，而且便宜。即使是200萬元建立一個(gè)基站，方圓10km都可以進(jìn)行管理

(三)NB-IOT與ROLA

LoRa與NB-IoT是最有發(fā)展前景的兩個(gè)低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)；NBIoT應(yīng)用在授權(quán)頻道，主要部署在運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。LoRa頻段無需授權(quán)，使用免費(fèi)，主要應(yīng)用在企業(yè)專網(wǎng)場(chǎng)景；LoRa無需授權(quán)使用，又可以方便各類系統(tǒng)集成商開發(fā)定制；例如，高速隧道流量監(jiān)測(cè)裝置，只需接入電源，而不再需要鋪設(shè)光纖或網(wǎng)線

四、WLAN組網(wǎng)模式

(一)分布式的無線網(wǎng)絡(luò)

1.軟件更新。軟件更新，手工逐臺(tái)進(jìn)行更新升級(jí)，通過Console線或者網(wǎng)絡(luò)的方式，同質(zhì)性的重復(fù)化明顯；由于軟件功能日趨豐富導(dǎo)致軟件更新包大，傳輸緩慢、耗時(shí)長(zhǎng)

2.配置下發(fā)。根據(jù)每個(gè)無線信號(hào)發(fā)射點(diǎn)的功率覆蓋范圍，頻段干擾，射頻卡屬性，關(guān)聯(lián)的速率，信道規(guī)劃需要人工維護(hù)一張無線信息點(diǎn)的表格，管理紊亂繁瑣。

3.無線網(wǎng)優(yōu)。對(duì)無線接入點(diǎn)智能頻制式設(shè)置，對(duì)干擾強(qiáng)的弱接入點(diǎn)，鄰居AP補(bǔ)齊，智能信道分布，限制低功率站點(diǎn)接入，限制單AP下攜帶的客戶端數(shù)量

(二)集中式無線網(wǎng)絡(luò)

發(fā)現(xiàn)加入：AP廣播等方式獲取到AC的IP地址，AP發(fā)現(xiàn)AC，請(qǐng)求加入

自動(dòng)升級(jí)：鏡像數(shù)據(jù)同步，通過比對(duì)智能升級(jí)軟體版本

配置下發(fā)：通過獲取到的AP接入點(diǎn)信息分布位置，將預(yù)先配置的腳本下發(fā)到指定的無線接入點(diǎn)

配置確認(rèn)：AP配置確認(rèn)，AC無線控制器的下發(fā)配置內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)和識(shí)別，數(shù)據(jù)的檢查。

數(shù)據(jù)保活：通過CAPWAP隧道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，互通消息。獲取到接入終端的信息和負(fù)荷量

(三)集中式無線網(wǎng)絡(luò)的特征

1.集中控制。通過無線控制器來統(tǒng)一管理和配置分布式的無線接入點(diǎn)

2.標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。采取標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CAPWAP來進(jìn)行控制器與無線接入點(diǎn)的交互，實(shí)現(xiàn)設(shè)備同質(zhì)化

3.軟硬分離。一定程度上說明了軟件與硬件的分離，通過軟硬分離無線控制器集中對(duì)設(shè)備鏡像發(fā)布

五、5G技術(shù)應(yīng)用展望

5G時(shí)代有三個(gè)特點(diǎn)：一是傳輸快，瞬間可以下載一部高清電影；二是應(yīng)用廣，可以把所有開通網(wǎng)絡(luò)終端的產(chǎn)品聯(lián)接到一起，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)；三是效率高，容量大、傳輸快、運(yùn)用廣的特點(diǎn)，讓物聯(lián)網(wǎng)瞬間就可以完成任務(wù)匹配，是人類工作效率的千倍、萬倍。在信息時(shí)代發(fā)現(xiàn)即摧毀的戰(zhàn)爭(zhēng)中，5G是國家信息強(qiáng)國戰(zhàn)略依賴的新技術(shù)。

商業(yè)模式的變革比技術(shù)更具挑戰(zhàn)性。隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不斷演進(jìn)創(chuàng)新，網(wǎng)絡(luò)變得空前靈活和復(fù)雜，5G還面臨很多挑戰(zhàn)，這場(chǎng)跨行業(yè)革命尚需協(xié)同磨合。5G不僅是通信技術(shù)的演進(jìn)，更是一場(chǎng)從智能設(shè)備、無線技術(shù)、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)到云端的跨行業(yè)革命。從5G標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)到預(yù)商用，還有更艱巨的任務(wù)在等著我們。

“技術(shù)本身不是驅(qū)動(dòng)5G發(fā)展的原動(dòng)力，需求才是，但商業(yè)模式的變革往往比技術(shù)本身更具挑戰(zhàn)性。5G若想兌現(xiàn)預(yù)期與承諾，需要5G產(chǎn)業(yè)鏈各方共同努力，在包括合作方式、業(yè)務(wù)開展方式、服務(wù)提供方式、營(yíng)收方式等眾多層面做出改變。5G未來的商業(yè)發(fā)展，一定是基于對(duì)用戶有價(jià)值需求的探索，和在產(chǎn)業(yè)鏈間的協(xié)同、融合中不斷實(shí)現(xiàn)不同商業(yè)模式的磨合。這就要求全產(chǎn)業(yè)鏈廠商尋找新的角色定位，在博弈和協(xié)同中逐漸形成新的合作關(guān)系并不斷調(diào)整。5G絕非單純的技術(shù)演進(jìn)，而是通信、計(jì)算融合之后，再與垂直行業(yè)結(jié)合的重大變革，并將徹底革新無人駕駛、數(shù)字醫(yī)療、VR、智能城市，智能家居等眾多垂直應(yīng)用，引爆全新的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式，帶來經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的乘法效應(yīng)。

舉例來說，自動(dòng)駕駛被認(rèn)為是目前最典型的5G應(yīng)用場(chǎng)景之一，很多人認(rèn)為它將成為促使5G大規(guī)模落地的“殺手級(jí)應(yīng)用”，但殺手級(jí)應(yīng)用”最關(guān)鍵的貢獻(xiàn)是給了產(chǎn)業(yè)界和消費(fèi)者一個(gè)清晰的出發(fā)點(diǎn)，而非終點(diǎn)，當(dāng)計(jì)算和通信的融合達(dá)到一定程度后，在5G業(yè)務(wù)和應(yīng)用的推進(jìn)過程中，它自然而然會(huì)出現(xiàn)。