详解5G:关键能力、关键技术、应用场景、网络架构、经济影响……

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未来,5G将渗透到未来社会的各个领域,以用户为中心构建全方位的信息生态系统。

5G,第五代移动电话行动通信标准,也称第五代移动通信技术,也是4G之后的延伸。作为新一代信息通讯发展的主要方向,5G将渗透到未来社会的各个领域,以用户为中心构建全方位的信息生态系统。

当前,国际电信联盟(ITU)已启动了面向5G标准的研究工作。3GPP作为国际移动通信行业的主要标准组织,承担5G国际标准技术内容的制定工作。3GPP R14阶段被认为是启动5G标准研究的最佳时机,R15阶段可启动5G标准工作项目,R16及以后将对5G标准进行完善增强。

这期,小宅根据IMT-2020(5G)推进组的《5G网络技术架构白皮书》、《5G网络技术架构设计白皮书》、《5G愿景与需求白皮书》、《5G概念白皮书》,以及中国信通院的《5G经济社会影响白皮书》等文献资料,从以下四个方面详细剖析5G为啥这么牛?

一、5G的关键能力和关键技术

(1)5G的关键能力

回顾移动通信的发展历程,每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义,其中,1G采用频分多址(FDMA),只能提供模拟语音业务;2G主要采用时分多址(TDMA),可提供数字语音和低速数据业务;3G以码分多址(CDMA)为技术特征,用户峰值速率达到2Mbps至数10Mbps,可以支持多媒体数据业务;4G以正交频分多址(OFDMA)技术为核心,用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps,能够支持各种移动宽带数据业务。

5G需要具备比4G更高的性能,支持0.1~1Gbps的用户体验速率,每平方公里一百万的连接数密度,毫秒级的端到端时延,每平方公里数10Tbps的流量密度,每小时500Km以上的移动性和数10Gbps的峰值速率。其中,用户体验速率连接数密度时延为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

性能需求效率需求共同定义了5G的关键能力,犹如一株绽放的鲜花。红花绿叶,相辅相成,花瓣代表了5G的六大性能指标,体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力,其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值;绿叶代表了三个效率指标,是实现5G可持续发展的基本保障。

(2)5G的关键技术

面对多样化场景的极端差异化性能需求,5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案,5G技术创新主要来源于无线技术网络技术两方面。

在无线技术领域,大规模天线阵列超密集组网新型多址全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点;在网络技术领域,基于软件定义网络(SDN)网络功能虚拟化(NFV)的新型网络架构已取得广泛共识。

此外,基于滤波的正交频分复用(F-OFDM)、滤波器组多载波(FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通(D2D)、多元低密度奇偶检验(Q-ary LDPC)码、网络编码、极化码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。

二、5G的应用场景

面向2020年及未来,5G将解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战,不同应用场景面临的性能挑战有所不同,用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可能成为不同场景的挑战性指标。

国际电信联盟 ITU 召开的 ITU-RWP5D 第 22 次会议上确定了未来的5G具有以下三大主要的应用场景:1)增强型移动宽带;2)超高可靠与低延迟的通信;3)大规模机器类通信。具体包括:Gbps移动宽带数据接入、智慧家庭、智能建筑、语音通话、智慧城市、三维立体视频、超高清晰度视频、云工作、云娱乐、增强现实、行业自动化、紧急任务应用、自动驾驶汽车等。

后来,IMT-2020(5G)从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发,将5G主要应用场景纳出为:连续广域覆盖热点高容量低功耗大连接低时延高可靠四个主要技术场景,与ITU的三大应用场景基本一致。

(1)5G主要技术场景

  • 连续广域覆盖场景,是移动通信最基本的覆盖方式,以保证用户的移动性和业务连续性为目标,为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地(包括小区边缘、高速移动等恶劣环境)为用户提供100Mbps以上的用户体验速率。
  • 热点高容量场景,主要面向局部热点区域,为用户提供极高的数据传输速率,满足网络极高的流量密度需求。1Gbps用户体验速率、数10Gbps峰值速率和数10Tbps/km2的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。
  • 低功耗大连接场景,主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多,不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力,满足100万/km2连接数密度指标要求,而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。
  • 低时延高可靠场景,主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求,这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求,需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。

连续广域覆盖热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求,也是传统的4G主要技术场景。低功耗大连接低时延高可靠场景主要面向物联网业务,是5G新拓展的场景,重点解决传统移动通信无法很好支持地物联网及垂直行业应用。

(2)5G技术场景和关键技术的关系

连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接等四个5G典型技术场景具有不同的挑战性指标需求,在考虑不同技术共存可能性的前提下,需要合理选择关键技术的组合来满足这些需求。

  • 在连续广域覆盖场景,受限于站址和频谱资源,为了满足100Mbps用户体验速率需求,除了需要尽可能多的低频段资源外,还要大幅提升系统频谱效率。大规模天线阵列是其中最主要的关键技术之一,新型多址技术可与大规模天线阵列相结合,进一步提升系统频谱效率和多用户接入能力。在网络架构方面,综合多种无线接入能力以及集中的网络资源协同与QoS控制技术,为用户提供稳定的体验速率保证。
  • 在热点高容量场景,极高的用户体验速率和极高的流量密度是该场景面临的主要挑战,超密集组网能够更有效地复用频率资源,极大提升单位面积内的频率复用效率;全频谱接入能够充分利用低频和高频的频率资源,实现更高的传输速率;大规模天线、新型多址等技术与前两种技术相结合,可实现频谱效率的进一步提升。
  • 在低功耗大连接场景,海量的设备连接、超低的终端功耗与成本是该场景面临的主要挑战。新型多址技术通过多用户信息的叠加传输可成倍提升系统的设备连接能力,还可通过免调度传输有效降低信令开销和终端功耗;F-OFDM和FBMC等新型多载波技术在灵活使用碎片频谱、支持窄带和小数据包、降低功耗与成本方面具有显著优势;此外,终端直接通信(D2D)可避免基站与终端间的长距离传输,可实现功耗的有效降低。
  • 在低时延高可靠场景,应尽可能降低空口传输时延、网络转发时延及重传概率,以满足极高的时延和可靠性要求。为此,需采用更短的帧结构和更优化的信令流程,引入支持免调度的新型多址和D2D等技术以减少信令交互和数据中转,并运用更先进的调制编码和重传机制以提升传输可靠性。此外,在网络架构方面,控制云通过优化数据传输路径,控制业务数据靠近转发云和接入云边缘,可有效降低网络传输时延。

三、5G的网络架构

(1)SDN和NFV

当前的核心网EPC的一大缺陷就是耦合问题:控制平面和用户平面的耦合、硬件和软件的耦合

EPC中有四大组件:

  • MME:移动管理实体,负责网络连通性的管理,主要包括用户终端的认证和授权、会话建立以及移动性管理;
  • HSS:归属用户服务器,作为用户数据集为MME提供用户相关的数据,以此来协助MME的管理工作;
  • SGW:服务网关,负责数据包路由和转发,将接收到的用户数据转发给指定的PGW,并将返回的数据交付给eNB;
  • PGW:PDN网关,负责为接入的用户分配IP地址以及进行用户平面QoS的管理,并且是PND网络的进入点。

从图中的虚线和实线标记可以看出,MME仅承担控制面功能,但是SGW和PGW既承担大部分用户平面功能,又承担一部分控制平面功能,这就使得用户平面和控制平面严重耦合,从而限制了EPC的开放性和灵活性。另一方面,在这种架构下,很多网络元素必须运行于配备专用硬件的多个刀片式服务器上,这对于运营商来说是极大的开销。

为此,5G网络架构中引入了SDN(软件定义网络)NFV(网络功能虚拟化)这两种技术来解决EPC存在的耦合问题。

①  SDN

SDN(Software Defined Network),软件定义网络。是Emulex网络一种新型网络创新架构,是网络虚拟化的一种实现方式,负责分离控制面和数据面,将网络控制面整合于一体。

这样,网络控制面对网络数据面就有一个宏观的全面的视野。路由协议交换、路由表生成等路由功能均在统一的控制面完成。实现控制平面与数据平面分离的协议叫OpenFlow,OpenFlow是SDN一个网络协议。

举个例子,如下图。右边的H节点获知一个新的网络Z(10.2.3.x/24)存在,现在它需要将这一信息告诉给网络中的其它节点。

首先需要通过OpenFlow将网络拓扑镜像到控制面,控制面初始化网络拓扑,初始化完成后,控制面会实时更新网络拓扑,会向每个转发节点发送转发表,每个节点根据转发表在网络内传送用户数据。

假设现在节点H获知新的网络Z (10.2.3.x/24),节点H将通过OpenFlow告知控制面,因为控制面统领全局,它可以快速的为每一个转发节点创建新的路由表,用户数据就可以传送到这个新网络,这样就能实现控制面和数据面的分离。

SDN技术是针对EPC控制平面与用户平面耦合问题提出的解决方案,将用户平面和控制平面解耦可以使得部署用户平面功能变得更灵活,可以将用户平面功能部署在离用户无线接入网更近的地方,从而提高用户服务质量体验,比如降低时延。

②NFV

NFV(Network Function Virtualization),网络功能虚拟化。通过使用通用性硬件以及虚拟化技术,来承载很多功能的软件处理。从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象,使网络设备功能不再依赖于专用硬件,资源可以充分灵活共享,实现新业务的快速开发和部署,并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。

NFV技术颠覆了传统电信封闭专用平台的思想,同时引入灵活的弹性资源管理理念,因此,ETSI NFV提出了突破传统网元功能限制、全新通用的NFV架构下图所示。

NFV技术主要由3个部分构成:VNF(虚拟网络层,Virtualized Network Function)NFVI(网络功能虚拟化基础设施NFVI,NFV Infrastructure)MANO(NFV管理与编排,Management and Orchestration)

  • VNF,是共享同一物理OTS服务器的VNF集。对应的就是各个网元功能的软件实现,比如EPC网元、IMS网元等的逻辑实现。
  • NFVI,可以将它理解为基础设施层,从云计算的角度看,就是一个资源池。NFVI需要将物理计算/存储/交换资源,通过虚拟化转换为虚拟的计算/存储/交换资源池。NFVI映射到物理基础设施,就是多个地理上分散的数据中心,通过高速通信网连接起来。
  • NFV MANO,基于不同的服务等级协议(ServiceLevel Agreements ,SLAs),NFV MANO运营支撑层负责“公平”的分配物理资源,同时还负责冗余管理、错误管理和弹性调整等,相当于目前的OSS/BSS系统。

NFV技术是针对EPC软件与硬件严重耦合问题提出的解决方案,这使得运营商可以在那些通用的的服务器、交换机和存储设备上部署网络功能,极大地降低时间和成本。

(2)从4G到5G整体网络架构演变

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关键解释:

① 5G网络空口至少支持20Gbps速率,用户10秒钟就能够下载一部UHD(超高清,分辨率4倍于全高清,9倍于高清)电影。

② 核心网功能分离,核心网用户面部分功能下沉至CO(中心主机房,相当于4G网络的eNodeB),从原来的集中式的核心网演变成分布式核心网,这样,核心网功能在地理位置上更靠近终端,减小时延。

③ 分布式应用服务器(AS),AS部分功能下沉至CO(中心主机房,相当于4G网络的eNodeB),并在CO部署MEC(Mobile Edge Computing,移动网络边界计算平台)。MEC有点类似于CDN(内容分发网络)的缓存服务器功能,但不仅于此。它将应用、处理和存储推向移动边界,使得海量数据可以得到实时、快速处理,以减少时延、减轻网络负担。

④ 重新定义BBU和RRU功能,将PHY、MAC,或者RLC层从BBU分离下沉到RRU,以减小前传容量,降低前传成本。

⑤ 通过NFV技术,就是将网络中的专用电信设备的软硬件功能(比如核心网中的MME, S/P-GW和PCRF,无线接入网中的数字单元DU等)转移到虚拟机(VMs,Virtual Machines)上,在通用的商用服务器上通过软件来实现网元功能。

⑥ 5G网络通过SDN连接边缘云和核心云里的VMs(虚拟机),SDN控制器执行映射,建立核心云与边缘云之间的连接。网络切片也由SDN集中控制。

SDN,NFV和云技术使网络从底层物理基础设施分开,变成更抽象灵活的以软件为中心的构架,可以通过编程,来提供业务连接。

⑦ 网络切片。得益于NFV/SDN技术,5G网络将面向不同的应用场景,比如,超高清视频、虚拟现实、大规模物联网、车联网等等,不同的场景对网络的移动性、安全性、时延、可靠性,甚至是计费方式的要求是不一样的,因此,需要将物理网络切割成多个虚拟网络,每个虚拟网络面向不同的应用场景需求。虚拟网络间是逻辑独立的,互不影响。

(3)5G网络架构设计

① 5G系统设计

如下图所示,5G网络逻辑视图由3个功能平面构成:接入平面控制平面转发平面

  • 接入平面,引入多站点协作、多连接机制和多制式融合技术,构建更灵活的接入网拓扑。
  • 控制平面,基于可重构的集中的网络控制功能,提供按需的接入、移动性和会话管理,支持精细化资源管控和全面能力开放。
  • 转发平面,具备分布式的数据转发和处理功能,提供更动态的锚点设置,以及更丰富的业务链处理能力。

在整体逻辑架构基础上,5G网络采用模块化功能设计模式,并通过“功能组件”的组合,构建满足不同应用场景需求的专用逻辑网络。5G网络以控制功能为核心,以网络接入和转发功能为基础资源,向上提供管理编排和网络开放的服务,形成了管理编排层、网络控制层、网络资源层的三层网络功能视图,如下图所示:

② 5G组网设计

SDN/NFV技术融合将提升5G进一步组大网的能力:SDN技术实现虚拟机间的逻辑连接,构建承载信令和数据流的通路,最终实现接入网和核心网功能单元动态连接,配置端到端的业务链,实现灵活组网。NFV技术则实现底层物理资源到虚拟化资源的映射,构造虚拟机(VM),加载网络逻辑功能(VNF);虚拟化系统实现对虚拟化基础设施平台的统一管理和资源的动态重配置。

一般来说,5G组网功能元素可分为四个层次:

  • 中心级:以控制、管理和调度职能为核心,例如虚拟化功能编排、广域数据中心互连和BOSS系统等,可按需部署于全国节点,实现网络总体的监控和维护。
  • 汇聚级:主要包括控制面网络功能,例如移动性管理、会话管理、用户数据和策略等。可按需部署于省分一级网络。
  • 区域级:主要功能包括数据面网关功能,重点承载业务数据流,可部署于地市一级。移动边缘计算功能、业务链功能和部分控制面网络功能也可以下沉到这一级。
  • 接入级:包含无线接入网的CU和DU功能,CU可部署在回传网络的接入层或者汇聚层;DU部署在用户近端。CU和DU间通过增强的低时延传输网络实现多点协作化功能,支持分离或一体化站点的灵活组网。

借助于模块化的功能设计和高效的NFV/SDN平台。在5G组网实现中,上述组网功能元素部署位置无需与实际地理位置严格绑定,而是可以根据每个运营商的网络规划、业务需求、流量优化、用户体验和传输成本等因素综合考虑,对不同层级的功能加以灵活整合,实现多数据中心和跨地理区域的功能部署。

(4)5G网络代表性服务能力

与4G时期相比,5G网络服务具备更贴近用户需求、定制化能力进一步提升、网络与业务深度融合以及服务更友好等特征,其中代表性的网络服务能力包括:网络切片移动边缘计算

①  网络切片

网络切片是网络功能虚拟化(NFV)应用于5G阶段的关键特征。一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络,按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。网络切片架构主要包括切片管理切片选择两项功能。

  • 切片管理功能,有机串联商务运营、虚拟化资源平台和网管系统,为不同切片需求方(如垂直行业用户、虚拟运营商和企业用户等)提供安全隔离、高度自控的专用逻辑网络。包括三个阶段:商务设计阶段实例编排阶段运行管理阶段
  • 切片选择功能,实现用户终端与网络切片间的接入映射。切片选择功能综合业务签约和功能特性等多种因素,为用户终端提供合适的切片接入选择。用户终端可以分别接入不同切片,也可以同时接入多个切片。用户同时接入多切片的场景形成两种切片架构变体:独立架构体共享架构体

② 移动边缘计算

移动边缘计算(MEC, Mobile EdgeComputing)改变4G系统中网络与业务分离的状态,将业务平台下沉到网络边缘,为移动用户就近提供业务计算和数据缓存能力,实现网络从接入管道向信息化服务使能平台的关键跨越,是5G的代表性能力。MEC核心功能主要包括:应用和内容进管道、动态业务链功能、控制平面辅助功能

移动边缘计算功能部署方式非常灵活,即可以选择集中部署,与用户面设备耦合,提供增强型网关功能,也可以分布式的部署在不同位置,通过集中调度实现服务能力。

四、5G的经济影响

(1)5G对经济产出的贡献

从产出规模看,2030年5G带动的直接产出和间接产出将分别达到 6.3万亿和10.6万亿元。

在直接产出方面,按照2020年5G正式商用算起,预计当年将带动约4840亿元的直接产出,2025年、2030年将分别增长到3.3万亿、6.3万亿元,十年间的年均复合增长率为 29%。

在间接产出方面,2020年、2025年和2030年,5G 将分别带动1.2万亿、6.3万亿和10.6万亿元,年均复合增长率为24%。

从产出结构看,拉动产出增长的动力随5G商用进程的深化而相继转换。

在5G商用初期,运营商大规模开展网络建设,5G网络设备投资带来的设备制造商收入将成为5G直接经济产出的主要来源,预计2020年,网络设备和终端设备收入合计约4500亿元,占直接经济总产出的94%。在5G商用中期,来自用户和其他行业的终端设备支出和电信服务支出持续增长,预计到2025年,上述两项支出分别为1.4万亿和0.7万亿元,占到直接经济总产出的64%。在5G商用中后期,互联网企业与5G相关的信息服务收入增长显著,成为直接产出的主要来源,预计2030年,互联网信息服务收入达到2.6万亿元,占直接经济总产出的42%。

从设备环节看,5G 商用中后期各垂直行业将成为网络设备支出主要力量。

在5G商用初期,运营商开展5G网络大规模建设,预计2020年,电信运营商在5G网络设备上的投资超过2200亿元,各行业在5G设备方面的支出超过540亿元。随着网络部署持续完善,运营商网络设备支出预计自2024年起将开始回落。同时随着5G向垂直行业应用的渗透融合,各行业在5G设备上的支出将稳步增长,成为带动相关设备制造企业收入增长的主要力量。2030年,预计各行业各领域在 5G 设备上的支出超过5200亿元,在设备制造企业总收入中的占比接近69%。

(2)5G对经济增加值的贡献

5G的发展将直接带来电信运营业、设备制造业和信息服务业的快速增长,进而对GDP增长产生直接贡献,并通过产业间的关联效应和波及效应,放大5G对经济社会发展的贡献,即间接带动国民经济各行业、各领域创造更多的经济增加值。在测算5G对经济增加值贡献时,需要将5G对总产出的贡献转换为增加值口径。按照2012年国家投入产出表,电信和其他信息传输服务业的增加值率为55%,软件和信息技术服务业的增加值率为35%,通信设备行业的增加值率为16%,全社会各行业增加值率的平均值为31%。由以上各部门的增加值率参数乘以对应部门的总产出贡献,加总得到5G拉动的经济增加值。

2030年预计5G直接创造的经济增加值约3万亿元

2020年,预计5G将创造约920亿元的GDP,这部分贡献主要来自于5G网络建设初期电信运营商的网络设备支出。2025年,预计5G将拉动经济增加值约1.1万亿元,对当年GDP增长的贡献率1为3.2%,主要来自于用户购买移动终端、流量消费及各类信息服务的支出。2030年,预计5G对经济增加值的直接贡献将超过2.9万亿元,对当年GDP增长的贡献率将达到5.8%,这主要来自于用户购买移动互联网信息服务的支出、各垂直行业的网络设备投资和流量消费支出等。十年间,5G直接创造GDP的年均复合增长率约为41%。

2030年5G间接拉动的GDP将达到3.6万亿元

按照产业间的关联关系测算,2020年,5G 间接拉动GDP增长将超过4190亿元;2025年,间接拉动的GDP将达到2.1万亿元;2030年,5G间接拉动的GDP将进一步增长到3.6万亿元。十年间,5G间接拉动GDP的年均复合增长率将达到24%。

十年间,5G拉动GDP增长的关键动力依次更迭

5G的部署将对几乎所有经济部门产生积极影响,预计2020年拉动GDP增长的动力是电信运营商的5G 网络投资和各类用户的终端购置支出,所产生的GDP约740亿元,占当年5G对GDP总贡献的80%。随着5G的广泛普及应用,5G相关服务的GDP带动效应将显著超越5G相关制造环节的GDP带动效应,预计2030 年,电信运营商流量收入所产生的GDP约9000亿元,占当年5G对GDP总贡献的31%,各类信息服务商提供信息服务将产生约1.7万亿元的GDP,占当年5G对GDP总贡献的58%。

五、写在最后

5G作为新一代信息通讯发展的主要方向,将使信息突破时空限制,提供极佳的交互体验,为用户带来身临其境的信息盛宴;将拉近万物的距离,通过无缝融合的方式,便捷地实现人与万物的智能互联;将为用户提供光纤般的接入速率,“零”时延的使用体验,千亿设备的连接能力,超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务,业务及用户感知的智能优化,同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低,最终实现“信息随心至,万物触手及”的总体愿景。

 

作者:小宅,微信公众号:小宅的视界。我是一名科研人员,喜欢技术,喜欢产品,喜欢与人交流学习。关注人工智能,关注前沿技术,关注智能产品,关注市场动态。欢迎您与我交流,在交流中相互学习,在学习中共同进步。

本文由 @小宅  原创发布于人人都是产品经理。未经许可,禁止转载。

题图来自PEXELS,基于CC0协议

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