黑科技 | 5G标准完成意味着什么?

DirectIndustry2022-02-18 07:00:08

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如约而至,近日3GPP TSG#80全会批准完成5G NR 独立组网(SA)标准,全球电信业、互联网和垂直行业共同见证了这一历史性时刻


5G NR非独立组网(NSA)标准已于2017年12月完成,至此第一阶段全功能完整版5G标准正式出台。


这一里程碑事件,对于电信业意味着什么?



1 \ 端到端的全5G网络构架终于来了!


从4G向5G演进,3GPP主要定义了5大网络部署选项:选项2、选项3、选项4、选项5、选项7。


•选项2独立组网(SA)模式,引入5G核心网,仅5G基站连接5G核心网。


•选项3:非独立组网(NSA)模式,连接4G核心网,4G基站为主站,5G基站为辅站。


•选项4:非独立组网(NSA)模式,引入5G核心网,5G基站为主站,4G基站为辅站。


•选项5:独立组网(SA)模式,引入5G核心网,但仅4G基站连接到5G核心网。


•选项7:非独立组网(NSA)模式,引入5G核心网,4G基站为主站,5G基站为辅站。


2017年12月,3GPP完成的非独立组网(NSA)标准,实际上就是选项3。


如上图所示,选项2依托于现有的4G系统部署5G基站,控制面锚定于4G基站,核心网也沿用4G核心网,这种方式是最容易部署的选项,适用于运营商早期引入5G基站提升网速,但缺点是性能受限,且5G网络覆盖受限。


2018年6月14日,也就是昨天3GPP完成的独立组网(SA)标准,实际上就是选项2。


如上图所示,选项2完全独立于独立于4G系统,它是一个从5G核心网到5G基站的,完整的、端到端的5G网络构架。


有了选项2,这意味着运营商可以规模部署一张完整的、高性能的5G网络,同时,5G的重点在核心网,基于云化的核心网使能“网络切片”,实现一张物理网络支持丰富的5G应用,不仅最大化网络价值,还为运营商业务向垂直领域扩展、开拓新的商业模式铺平了道路。


这正是此次独立组网标准完成的重大意义之处。


2 \ 5G标准远不止于此,后续还有重要的工作要做


如上所述,截至目前,3GPP已经完成了选项3和选项2组网,但后续还有选项4、5、7需要完成。


选项4、5、7同样重要,因为这关系到运营商如何成功实现网络从4G向5G演进。


考虑成本、技术和商业成熟周期,有些运营商并不打算一开始就采用选项2独立部署5G网络,他们会考虑先采用选项3部署,再引入5G核心网,逐步实现全覆盖的5G网络。


通常,这些运营商可选择的5G部署路径包括:


•选项3 to 选项7/选项5:先基于4G系统引入5G基站,再部署5G核心网,最后将4G和5G基站一起接入5G核心网。


•选项3 to 选项4/选项2:先基于4G系统引入5G基站,再部署5G核心网,最后将5G基站迁移到5G核心网。


当所有选项及细节完成之后,这些运营商将结合自身实际情况,权衡各种演进路径的利弊,决定适合自己的从4G到5G的演进方向。


此外,如上表,选项2是独立组网,选项3、4、7是非独立组网。所谓非独立组网,就是LTE与NR的双连接(EN-DC),或者NR与LTE的双连接(NE-DC),双连接的好处是可以实现4G LTE低频段与5G NR高频段融合建网。


后来,有运营商提出了新的需求—— NR-NR双连接。


众所周知,5G支持广泛的频谱范围,有些运营商计划利用低、中、高频段来建设一张全覆盖、高容量的5G网络,比如,他们计划采用或重耕700/800/900MHz频段来建设一张广覆盖的5G网络,再采用28GHz毫米波频段来补充网络热点。


由于这两个频段相差太大,无线传播特性迥异,700/800/900MHz频段覆盖范围远远大于28GHz,共站实现载波聚合技术有些不实际,因此,韩国KT、日本KDDI和美国Verizon等运营商提出了NR-NR双连接技术的需求。


在本次全会上,3GPP批准了这一请求,并纳入Rel.15标准,计划在后续完成。


随着Rel.15标准完成,这意味着真正的5G已经就绪。不过,Rel.15只是5G故事的第一步,后续还有Rel.16版本,计划于2019年第四季度完成。



3 \ 电信业的挑战才真正开始


5G有多种双连接选项,物理层多达600个参数,而LTE Rel.8不过仅80个,5G是一个复杂的系统。


Rel.15标准完成意味着电信业可以采用符合标准的设备测试5G技术了,但面对更加复杂的系统,测试工作必然是一项史上最艰巨的任务。


比如,5G终端要支持Rel.15版本,哪些功能是可选的,哪些功能是强制的,如何实现终端与4G/5G基站的最佳配合,还有大量的工作要做。比如,5G核心网基于微服务构架,在IT融合、集成,乃至运营商软件文化转型上,都是挑战。


回想自2015年下半年开始5G标准化工作以来,有段时间一些运营商迫不及待发起非3GPP联盟,一度令业界担忧这将导致5G标准分裂。为统一步伐,3GPP加速了标准制定流程,短短两年多时间,让5G由梦想真正走进现实,这一成绩着实令人惊叹。尽管前路依然充满挑战,但通信业一直勇往直前,迈向改变社会的5G时代。



延伸阅读


一文带你秒懂5G黑科技!


这一切,要从一个“神奇的公式”说起。。。



    一个神奇的公式     



就是这个公式。。。



还记得这个公式的童鞋,请骄傲地为自己鼓个掌。。。



通信技术,无论什么黑科技白科技,只分两种——有线通信和无线通信


我和你打电话,信息数据要么在空中传播(看不见、摸不着),要么在实物上传播(看得见、摸得着)。。。



在有线介质上传播数据,想要高速很容易。。。 


实验室中,单条光纤最大速度已达到了26Tbps。。。是传统网线的两万六千倍。。。



空中传播这部分,才是移动通信的瓶颈所在。。。




▼图片来自网络


不偏题,回到电波先。。。


电波属于电磁波的一种,它的频率资源也是有限的。。。


为了避免干扰和冲突,我们在电波这条公路上进一步划分车道,分配给不同的对象和用途。。。

 

▼不同频率电波的用途


大家注意上面图中的红色字体。一直以来,我们主要是用中频~超高频进行手机通信的。。。


例如经常说的“GSM900”、“CDMA800”,其实就是工作频段900MHz和800MHz的意思。。。


目前主流的4G LTE,属于超高频和特高频。。。


我们国家主要使用超高频:



随着1G、2G、3G、4G的发展,使用的频率是越来越高的。。。


为什么呢?


因为频率越高,速度越快。。。


又为什么呢? 


因为频率越高,车道(频段)越宽。。。 



看懂了吧。。。车道按指数级扩大。。。



更高的频率→更大的带宽→更快的速度



5G的频段具体是多少呢?



原因很简单——不是不想用。。。是用不起。。。


电磁波的一个显著特点:频率越高(波长越短),就越趋近于直线传播(绕射能力越差)。。。


而且,频率越高,传播过程中的衰减也越大。。。


你看激光笔(波长635nm左右),射出的光是直的吧,挡住了就过不去了。。。


再看卫星通信和GPS导航(波长1cm左右),如果有遮挡物,就没信号了吧。。。


而且,卫星那口大锅,必须校准瞄着卫星的方向。。。稍微歪一点,都会有影响。。。


如果5G用高频段,那么它最大的问题,就是覆盖能力会大幅减弱。


覆盖同一个区域,需要的基站数量将大大超过4G。



这就是为什么这些年,电信、移动、联通为了低频段而争得头破血流。。。


基站就是要花钱买的啊。。。能不玩命争取么。。。


有的频段甚至被称为——黄金频段。。。



这也是为什么5G时代,运营商拼命怼设备商。。。


甚至威胁要自己研发通信设备。。。



所以,基于以上原因。。。


在高频率的前提下,为了减轻覆盖方面的成本压力,5G必须寻找新的出路。。。


首先,是微基站。 



微基站


基站有两种,微基站和宏基站。看名字就知道,微基站很小,宏基站很大!


以前都是大的基站,建一个覆盖一大片 ▼



以后更多的将是微基站,到处都装,随处可见。


▼微基站 看上去是不是很酷炫?


微基站的造型有很多种,灵活地与周围的环境相融合(伪装),不会让用户在心理上产生不适。。。


提醒

基站对人体健康不会造成影响。

         ——小编宣 


而且,恰好相反,其实基站数量越多,辐射反而越小! 


你想一下,冬天,一群人的房子里,一个大功率取暖器好,还是几个小功率取暖器好?


大功率方案▼


小功率方案▼


基站越小巧,数量越多,覆盖就越好,速度就越快。。。


     天线去哪了?    


大家有没有发现,以前大哥大都有很长的天线,早期的手机也有突出来的小天线,为什么后来我们就看不到带天线的手机了?

有人说,是因为信号好了,不需要天线了。。。


其实不对。。。信号再好,也不能没有天线。。。


更主要的原因是——天线变小了。。。


根据天线特性,天线长度应与波长成正比,大约在1/10~1/4之间。



手机都能塞好多根,基站就更不用说了。。。


▼以前的基站,天线就那么几根。。。



5G时代,就不是按根来算了,是按“阵”。。。“天线阵列”。。。


▼天线多得排成阵了。。。一眼看去一大片的节奏。。。



不过,天线之间的距离也不能太近。


因为天线特性要求,多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上。


不要问我为什么,去问科学家。。。



     你是直的?   还是弯的?    


大家都见过灯泡发光吧? 


其实,基站发射信号的时候,就有点像灯泡发光。


信号是向四周发射的,对于光,当然是照亮整个房间,如果只是想照亮某个区域或物体,那么,大部分的光都浪费了。。。



基站也是一样,大量的能量和资源都浪费了。 


我们能不能找到一只无形的手,把散开的光束缚起来呢? 


这样既节约了能量,也保证了要照亮的区域有足够的光。


答案是:可以。


这就是——


波束赋形



波束赋形

在基站上布设天线阵列,通过对射频信号相位的控制,使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄,并指向它所提供服务的手机,而且能跟据手机的移动而转变方向。

这种空间复用技术,由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,波束之间不会干扰,在相同的空间中提供更多的通信链路,极大地提高基站的服务容量。




直的都能掰成弯的。。。还有什么是通信砖家干不出来的?



     别收我钱,行不行?    


在目前的通信网络中,即使是两个人面对面拨打对方的手机(或手机对传照片),信号都是通过基站进行中转的,包括控制信令和数据包。。。 


而在5G时代,这种情况就不一定了。。。


5G的第五大特点——D2D,也就是Device to Device。


D2D


5G时代,同一基站下的两个用户,如果互相进行通信,他们的数据将不再通过基站转发,而是直接手机到手机。。。



这样,就节约了大量的空中资源,也减轻了基站的压力。 


不过,如果你觉得这样就不用付钱,那你就图样图森破了。。。



控制消息还是要从基站走的,而且用着频谱资源,运营商爸爸怎么可能放过你。。。


     后记...    


写着写着,小编发现洋洋洒洒写的有点多。。。


能看到这的,都是真爱。。。

相信大家通过本文对5G和她背后的通信知识已经有了深刻理解,而这一切,都只是源于一个如今小学生都能看懂的数学公式。。。


通信技术并不神秘,5G作为通信技术皇冠上最耀眼的宝石,也不是什么遥不可及的创新革命技术,它更多是对现有通信技术的演进。


正如一位高人所说——


通信技术的极限,并不是技术工艺方面的限制,而是建立在严谨数学基础上的推论,在可以遇见的未来是基本不可能突破的。



如何在科学原理的范畴内,进一步发掘通信的潜力,是通信行业众多奋斗者们孜孜不倦的追求。。


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