5G,第五代移動電話行動通訊標準,也稱第五代移動通訊技術,也是4G以後的延伸。做爲新一代信息通信發展的主要方向,5G將滲透到將來社會的各個領域,以用戶爲中心構建全方位的信息生態系統。編程
當前,國際電信聯盟(ITU)已啓動了面向5G標準的研究工做。3GPP做爲國際移動通訊行業的主要標準組織,承擔5G國際標準技術內容的制定工做。3GPP R14階段被認爲是啓動5G標準研究的最佳時機,R15階段可啓動5G標準工做項目,R16及之後將對5G標準進行完善加強。設計模式
這期,小宅根據IMT-2020(5G)推動組的《5G網絡技術架構白皮書》、《5G網絡技術架構設計白皮書》、《5G願景與需求白皮書》、《5G概念白皮書》,以及中國信通院的《5G經濟社會影響白皮書》等文獻資料,從如下四個方面詳細剖析5G爲啥這麼牛?緩存
1、5G的關鍵能力和關鍵技術(1)5G的關鍵能力安全
回顧移動通訊的發展歷程,每一代移動通訊系統均可以經過標誌性能力指標和核心關鍵技術來定義,其中,1G採用頻分多址(FDMA),只能提供模擬語音業務;2G主要採用時分多址(TDMA),可提供數字語音和低速數據業務;3G以碼分多址(CDMA)爲技術特徵,用戶峯值速率達到2Mbps至數10Mbps,能夠支持多媒體數據業務;4G以正交頻分多址(OFDMA)技術爲核心,用戶峯值速率可達100Mbps至1Gbps,可以支持各類移動寬帶數據業務。服務器
5G須要具有比4G更高的性能,支持0.1~1Gbps的用戶體驗速率,每平方千米一百萬的鏈接數密度,毫秒級的端到端時延,每平方千米數10Tbps的流量密度,每小時500Km以上的移動性和數10Gbps的峯值速率。其中,用戶體驗速率、鏈接數密度和時延爲5G最基本的三個性能指標。同時,5G還須要大幅提升網絡部署和運營的效率,相比4G,頻譜效率提高5~15倍,能效和成本效率提高百倍以上。網絡
性能需求和效率需求共同定義了5G的關鍵能力,猶如一株綻開的鮮花。紅花綠葉,相輔相成,花瓣表明了5G的六大性能指標,體現了5G知足將來多樣化業務與場景需求的能力,其中花瓣頂點表明了相應指標的最大值;綠葉表明了三個效率指標,是實現5G可持續發展的基本保障。架構
(2)5G的關鍵技術分佈式
面對多樣化場景的極端差別化性能需求,5G很難像以往同樣以某種單一技術爲基礎造成針對全部場景的解決方案,5G技術創新主要來源於無線技術和網絡技術兩方面。模塊化
在無線技術領域,大規模天線陣列、超密集組網、新型多址和全頻譜接入等技術已成爲業界關注的焦點;在網絡技術領域,基於軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)的新型網絡架構已取得普遍共識。性能
此外,基於濾波的正交頻分複用(F-OFDM)、濾波器組多載波(FBMC)、全雙工、靈活雙工、終端直通(D2D)、多元低密度奇偶檢驗(Q-ary LDPC)碼、網絡編碼、極化碼等也被認爲是5G重要的潛在無線關鍵技術。
2、5G的應用場景
面向2020年及將來,5G將解決多樣化應用場景下差別化性能指標帶來的挑戰,不一樣應用場景面臨的性能挑戰有所不一樣,用戶體驗速率、流量密度、時延、能效和鏈接數均可能成爲不一樣場景的挑戰性指標。
國際電信聯盟 ITU 召開的 ITU-RWP5D 第 22 次會議上肯定了將來的5G具備如下三大主要的應用場景:1)加強型移動寬帶;2)超高可靠與低延遲的通訊;3)大規模機器類通訊。具體包括:Gbps移動寬帶數據接入、智慧家庭、智能建築、語音通話、智慧城市、三維立體視頻、超高清晰度視頻、雲工做、雲娛樂、加強現實、行業自動化、緊急任務應用、自動駕駛汽車等。
後來,IMT-2020(5G)從移動互聯網和物聯網主要應用場景、業務需求及挑戰出發,將5G主要應用場景納出爲:連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大鏈接和低時延高可靠四個主要技術場景,與ITU的三大應用場景基本一致。
(1)5G主要技術場景
連續廣域覆蓋和熱點高容量場景主要知足2020年及將來的移動互聯網業務需求,也是傳統的4G主要技術場景。低功耗大鏈接和低時延高可靠場景主要面向物聯網業務,是5G新拓展的場景,重點解決傳統移動通訊沒法很好支持地物聯網及垂直行業應用。
(2)5G技術場景和關鍵技術的關係
連續廣域覆蓋、熱點高容量、低時延高可靠和低功耗大鏈接等四個5G典型技術場景具備不一樣的挑戰性指標需求,在考慮不一樣技術共存可能性的前提下,須要合理選擇關鍵技術的組合來知足這些需求。
3、5G的網絡架構 (1)SDN和NFV
當前的核心網EPC的一大缺陷就是耦合問題:控制平面和用戶平面的耦合、硬件和軟件的耦合。
EPC中有四大組件:
從圖中的虛線和實線標記能夠看出,MME僅承擔控制面功能,可是SGW和PGW既承擔大部分用戶平面功能,又承擔一部分控制平面功能,這就使得用戶平面和控制平面嚴重耦合,從而限制了EPC的開放性和靈活性。另外一方面,在這種架構下,不少網絡元素必須運行於配備專用硬件的多個刀片式服務器上,這對於運營商來講是極大的開銷。
爲此,5G網絡架構中引入了SDN(軟件定義網絡)和NFV(網絡功能虛擬化)這兩種技術來解決EPC存在的耦合問題。
① SDN
SDN(Software Defined Network),軟件定義網絡。是Emulex網絡一種新型網絡創新架構,是網絡虛擬化的一種實現方式,負責分離控制面和數據面,將網絡控制面整合於一體。
這樣,網絡控制面對網絡數據面就有一個宏觀的全面的視野。路由協議交換、路由表生成等路由功能均在統一的控制面完成。實現控制平面與數據平面分離的協議叫OpenFlow,OpenFlow是SDN一個網絡協議。
舉個例子,以下圖。右邊的H節點獲知一個新的網絡Z(10.2.3.x/24)存在,如今它須要將這一信息告訴給網絡中的其它節點。
首先須要經過OpenFlow將網絡拓撲鏡像到控制面,控制面初始化網絡拓撲,初始化完成後,控制面會實時更新網絡拓撲,會向每一個轉發節點發送轉發表,每一個節點根據轉發表在網絡內傳送用戶數據。
假設如今節點H獲知新的網絡Z (10.2.3.x/24),節點H將經過OpenFlow告知控制面,由於控制面統領全局,它能夠快速的爲每個轉發節點建立新的路由表,用戶數據就能夠傳送到這個新網絡,這樣就能實現控制面和數據面的分離。
SDN技術是針對EPC控制平面與用戶平面耦合問題提出的解決方案,將用戶平面和控制平面解耦可使得部署用戶平面功能變得更靈活,能夠將用戶平面功能部署在離用戶無線接入網更近的地方,從而提升用戶服務質量體驗,好比下降時延。
②NFV
NFV(Network Function Virtualization),網絡功能虛擬化。經過使用通用性硬件以及虛擬化技術,來承載不少功能的軟件處理。從而下降網絡昂貴的設備成本。能夠經過軟硬件解耦及功能抽象,使網絡設備功能再也不依賴於專用硬件,資源能夠充分靈活共享,實現新業務的快速開發和部署,並基於實際業務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。
NFV技術顛覆了傳統電信封閉專用平臺的思想,同時引入靈活的彈性資源管理理念,所以,ETSI NFV提出了突破傳統網元功能限制、全新通用的NFV架構下圖所示。
NFV技術主要由3個部分構成:VNF(虛擬網絡層,Virtualized Network Function)、NFVI(網絡功能虛擬化基礎設施NFVI,NFV Infrastructure)和MANO(NFV管理與編排,Management and Orchestration)。
NFV技術是針對EPC軟件與硬件嚴重耦合問題提出的解決方案,這使得運營商能夠在那些通用的的服務器、交換機和存儲設備上部署網絡功能,極大地下降時間和成本。
(2)從4G到5G總體網絡架構演變
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關鍵解釋:
① 5G網絡空口至少支持20Gbps速率,用戶10秒鐘就可以下載一部UHD(超高清,分辨率4倍於全高清,9倍於高清)電影。
② 核心網功能分離,核心網用戶面部分功能下沉至CO(中心主機房,至關於4G網絡的eNodeB),從原來的集中式的核心網演變成分佈式核心網,這樣,核心網功能在地理位置上更靠近終端,減少時延。
③ 分佈式應用服務器(AS),AS部分功能下沉至CO(中心主機房,至關於4G網絡的eNodeB),並在CO部署MEC(Mobile Edge Computing,移動網絡邊界計算平臺)。MEC有點相似於CDN(內容分發網絡)的緩存服務器功能,但不只於此。它將應用、處理和存儲推向移動邊界,使得海量數據能夠獲得實時、快速處理,以減小時延、減輕網絡負擔。
④ 從新定義BBU和RRU功能,將PHY、MAC,或者RLC層從BBU分離下沉到RRU,以減少前傳容量,下降前傳成本。
⑤ 經過NFV技術,就是將網絡中的專用電信設備的軟硬件功能(好比核心網中的MME, S/P-GW和PCRF,無線接入網中的數字單元DU等)轉移到虛擬機(VMs,Virtual Machines)上,在通用的商用服務器上經過軟件來實現網元功能。
⑥ 5G網絡經過SDN鏈接邊緣雲和核心雲裏的VMs(虛擬機),SDN控制器執行映射,創建核心雲與邊緣雲之間的鏈接。網絡切片也由SDN集中控制。
SDN,NFV和雲技術使網絡從底層物理基礎設施分開,變成更抽象靈活的以軟件爲中心的構架,能夠經過編程,來提供業務鏈接。
⑦ 網絡切片。得益於NFV/SDN技術,5G網絡將面向不一樣的應用場景,好比,超高清視頻、虛擬現實、大規模物聯網、車聯網等等,不一樣的場景對網絡的移動性、安全性、時延、可靠性,甚至是計費方式的要求是不同的,所以,須要將物理網絡切割成多個虛擬網絡,每一個虛擬網絡面向不一樣的應用場景需求。虛擬網絡間是邏輯獨立的,互不影響。
(3)5G網絡架構設計
① 5G系統設計
以下圖所示,5G網絡邏輯視圖由3個功能平面構成:接入平面,控制平面和轉發平面。
在總體邏輯架構基礎上,5G網絡採用模塊化功能設計模式,並經過「功能組件」的組合,構建知足不一樣應用場景需求的專用邏輯網絡。5G網絡以控制功能爲核心,以網絡接入和轉發功能爲基礎資源,向上提供管理編排和網絡開放的服務,造成了管理編排層、網絡控制層、網絡資源層的三層網絡功能視圖,以下圖所示:
② 5G組網設計
SDN/NFV技術融合將提高5G進一步組大網的能力:SDN技術實現虛擬機間的邏輯鏈接,構建承載信令和數據流的通路,最終實現接入網和核心網功能單元動態鏈接,配置端到端的業務鏈,實現靈活組網。NFV技術則實現底層物理資源到虛擬化資源的映射,構造虛擬機(VM),加載網絡邏輯功能(VNF);虛擬化系統實現對虛擬化基礎設施平臺的統一管理和資源的動態重配置。
通常來講,5G組網功能元素可分爲四個層次:
藉助於模塊化的功能設計和高效的NFV/SDN平臺。在5G組網實現中,上述組網功能元素部署位置無需與實際地理位置嚴格綁定,而是能夠根據每一個運營商的網絡規劃、業務需求、流量優化、用戶體驗和傳輸成本等因素綜合考慮,對不一樣層級的功能加以靈活整合,實現多數據中心和跨地理區域的功能部署。
(4)5G網絡表明性服務能力
與4G時期相比,5G網絡服務具有更貼近用戶需求、定製化能力進一步提高、網絡與業務深度融合以及服務更友好等特徵,其中表明性的網絡服務能力包括:網絡切片、移動邊緣計算。
① 網絡切片
網絡切片是網絡功能虛擬化(NFV)應用於5G階段的關鍵特徵。一個網絡切片將構成一個端到端的邏輯網絡,按切片需求方的需求靈活地提供一種或多種網絡服務。網絡切片架構主要包括切片管理和切片選擇兩項功能。
② 移動邊緣計算
移動邊緣計算(MEC, Mobile EdgeComputing)改變4G系統中網絡與業務分離的狀態,將業務平臺下沉到網絡邊緣,爲移動用戶就近提供業務計算和數據緩存能力,實現網絡從接入管道向信息化服務使能平臺的關鍵跨越,是5G的表明性能力。MEC核心功能主要包括:應用和內容進管道、動態業務鏈功能、控制平面輔助功能。
移動邊緣計算功能部署方式很是靈活,便可以選擇集中部署,與用戶面設備耦合,提供加強型網關功能,也能夠分佈式的部署在不一樣位置,經過集中調度實現服務能力。
4、5G的經濟影響(1)5G對經濟產出的貢獻
從產出規模看,2030年5G帶動的直接產出和間接產出將分別達到 6.3萬億和10.6萬億元。
在直接產出方面,按照2020年5G正式商用算起,預計當年將帶動約4840億元的直接產出,2025年、2030年將分別增加到3.3萬億、6.3萬億元,十年間的年均複合增加率爲 29%。
在間接產出方面,2020年、2025年和2030年,5G 將分別帶動1.2萬億、6.3萬億和10.6萬億元,年均複合增加率爲24%。
從產出結構看,拉動產出增加的動力隨5G商用進程的深化而相繼轉換。
在5G商用初期,運營商大規模開展網絡建設,5G網絡設備投資帶來的設備製造商收入將成爲5G直接經濟產出的主要來源,預計2020年,網絡設備和終端設備收入合計約4500億元,佔直接經濟總產出的94%。在5G商用中期,來自用戶和其餘行業的終端設備支出和電信服務支出持續增加,預計到2025年,上述兩項支出分別爲1.4萬億和0.7萬億元,佔到直接經濟總產出的64%。在5G商用中後期,互聯網企業與5G相關的信息服務收入增加顯著,成爲直接產出的主要來源,預計2030年,互聯網信息服務收入達到2.6萬億元,佔直接經濟總產出的42%。
從設備環節看,5G 商用中後期各垂直行業將成爲網絡設備支出主要力量。
在5G商用初期,運營商開展5G網絡大規模建設,預計2020年,電信運營商在5G網絡設備上的投資超過2200億元,各行業在5G設備方面的支出超過540億元。隨着網絡部署持續完善,運營商網絡設備支出預計自2024年起將開始回落。同時隨着5G向垂直行業應用的滲透融合,各行業在5G設備上的支出將穩步增加,成爲帶動相關設備製造企業收入增加的主要力量。2030年,預計各行業各領域在 5G 設備上的支出超過5200億元,在設備製造企業總收入中的佔比接近69%。
(2)5G對經濟增長值的貢獻
5G的發展將直接帶來電信運營業、設備製造業和信息服務業的快速增加,進而對GDP增加產生直接貢獻,並經過產業間的關聯效應和波及效應,放大5G對經濟社會發展的貢獻,即間接帶動國民經濟各行業、各領域創造更多的經濟增長值。在測算5G對經濟增長值貢獻時,須要將5G對總產出的貢獻轉換爲增長值口徑。按照2012年國家投入產出表,電信和其餘信息傳輸服務業的增長值率爲55%,軟件和信息技術服務業的增長值率爲35%,通訊設備行業的增長值率爲16%,全社會各行業增長值率的平均值爲31%。由以上各部門的增長值率參數乘以對應部門的總產出貢獻,加總獲得5G拉動的經濟增長值。
2030年預計5G直接創造的經濟增長值約3萬億元。
2020年,預計5G將創造約920億元的GDP,這部分貢獻主要來自於5G網絡建設初期電信運營商的網絡設備支出。2025年,預計5G將拉動經濟增長值約1.1萬億元,對當年GDP增加的貢獻率1爲3.2%,主要來自於用戶購買移動終端、流量消費及各種信息服務的支出。2030年,預計5G對經濟增長值的直接貢獻將超過2.9萬億元,對當年GDP增加的貢獻率將達到5.8%,這主要來自於用戶購買移動互聯網信息服務的支出、各垂直行業的網絡設備投資和流量消費支出等。十年間,5G直接創造GDP的年均複合增加率約爲41%。
2030年5G間接拉動的GDP將達到3.6萬億元。
按照產業間的關聯關係測算,2020年,5G 間接拉動GDP增加將超過4190億元;2025年,間接拉動的GDP將達到2.1萬億元;2030年,5G間接拉動的GDP將進一步增加到3.6萬億元。十年間,5G間接拉動GDP的年均複合增加率將達到24%。
十年間,5G拉動GDP增加的關鍵動力依次更迭。
5G的部署將對幾乎全部經濟部門產生積極影響,預計2020年拉動GDP增加的動力是電信運營商的5G 網絡投資和各種用戶的終端購置支出,所產生的GDP約740億元,佔當年5G對GDP總貢獻的80%。隨着5G的普遍普及應用,5G相關服務的GDP帶動效應將顯著超越5G相關製造環節的GDP帶動效應,預計2030 年,電信運營商流量收入所產生的GDP約9000億元,佔當年5G對GDP總貢獻的31%,各種信息服務商提供信息服務將產生約1.7萬億元的GDP,佔當年5G對GDP總貢獻的58%。
5、寫在最後
5G做爲新一代信息通信發展的主要方向,將使信息突破時空限制,提供極佳的交互體驗,爲用戶帶來身臨其境的信息盛宴;將拉近萬物的距離,經過無縫融合的方式,便捷地實現人與萬物的智能互聯;將爲用戶提供光纖般的接入速率,「零」時延的使用體驗,千億設備的鏈接能力,超高流量密度、超高鏈接數密度和超高移動性等多場景的一致服務,業務及用戶感知的智能優化,同時將爲網絡帶來超百倍的能效提高和超百倍的比特成本下降,最終實現「信息隨心至,萬物觸手及」的整體願景。