走近5G 了解5G
一.移动网络的发展历程
二.5G技术的运用场景及技术
l 5G技术指标
l 5G应用场景
l 5G关键技术
三.5G技术面临的挑战
四.个人总结
一.移动网络的发展历程
移动通信技术具有代际演进规律
“G”是一个时代的代名词
每10年一个周期
移动通信延续着每十年一代技术的发展规律,已历经1G、2G、3G、4G的发展。每一次代际跃迁,每一次技术进步,都极大地促进了产业升级和经济社会发展。从1G到2G,实现了模拟通信到数字通信的过渡,移动通信走进了千家万户;从2G到3G、4G,实现了语音业务到数据业务的转变,传输速率成百倍提升,促进了移动互联网应用的普及和繁荣。当前,移动网络已融入社会生活的方方面面,深刻改变了人们的沟通、交流乃至整个生活方式。4G网络造就了繁荣的互联网经济,解决了人与人随时随地通信的问题,随着移动互联网快速发展,新服务、新业务不断涌现,移动数据业务流量爆炸式增长,4G移动通信系统难以满足未来移动数据流量暴涨的需求,急需研发下一代移动通信(5G)系统。
5G作为一种新型移动通信网络,不仅要解决人与人通信,为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频等更加身临其境的极致业务体验,更要解决人与物、物与物通信问题,满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。最终,5G将渗透到经济社会的各行业各领域,成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。
超跃光纤的接入速率,零时延的使用体验,将带动自动驾驶、远程医疗等低时延应用的进一步落地:也会使AR/VR等云端应用真正走进大众生活。
二.5G技术的运用场景及技术
二.1 5G技术指标
现已5G与4G的对比为例:
超跃光纤的接入速率,零时延的使用体验,将带动自动驾驶、远程医疗等低时延应用的进一步落地:也会使AR/VR等云端应用真正走进大众生活。
1.35的应用场景
流量密度:
0.1Tbps/(比特每秒种)*1024=102.4Gbp 4G
Km2每平方米他的带宽 每平方米承受的流量为多少
1TB=0.1*1024GB=1024*1024MB
=1024*1024*1024kb
=1024*102410241204B
链接数扩大的1
毫秒10ms
流量密度5G是4G的100倍
连接数密度:每平方公里连多少台设各 手机ipad摄像头等
时延:数据发出去,能够回到我的手机上,手机百度搜索打开页面返回叫做时延,越短越好
移动性:高铁速度
能效:司样将4G和5G设备进行对比,5设备1kWh(1000瓦特)能量消耗可以支持5425GB流量的传输,也就是说,5G基站每1度电可以供我们下载5000.多部超清电影,而在4G时代,司样的电量仅能下载200部不到。
频谱:数字通信系统的链路频谱效率(Link spectral efficiency)的单位是bit/s/1,或者(bit/s)/Hz(较少用,但更准确)。其定义为净比特率(有用信息速率,不包括纠错码)或最大吞度量除以通信信道或者数据链路的宽带(单位:赫兹)除以频率。
峰值:上传 下载
总结:
- 流量密度:单位面积内的总流量数
- 连接数密度:指单位面积内可以支持的在线设备总和时延,发送端到接受端接受数据之间的间隔。
- 移动性:支持用户终端的最大移动速度
- 能源效率:每消耗单位能量可以传送的数据量
- 用户体验速率:单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量
- 频谱效率:每个区或单位面积内,单位频谱资源提供的吞吐量
- 峰值速率:用户可以获得的最大业务速率
5G对比4G关键性能指标有了相当大程度的提升,总之5G具有高速率,低延迟,大容量,可靠性,海量连接等特点。
5G应用场景--远程医疗
5G应用场景--智慧社区
二.3 5G的关键技术
3.1超密集组网
3.1.1 5G需要满足热点高容量场景
3.1.2超密集组网:大量增加小基站,以空间换性能
3.1.3基站一般包括:宏基站和小基站
3.1宏基站:即“铁搭站”,一般覆盖范围数千米
3.2小基站:一般覆盖范围在10m~200M,
小基站又分为:家庭基站(Femto cell)
微基站(Micro cell)
微微基站(Pico cell,又称皮基站)
室内基站
个人基站
小基站性能指标及参数
分类 |
用户密度 |
基站密度 |
基站半径(m) |
用户数据速率 |
部署场景 |
微基站 |
高 |
中 |
<300 |
中 |
室外补盲区 |
微微基站 |
高 |
中 |
<100 |
中 |
室外热点 |
室内基站 |
中/高 |
中 |
<50 |
高 |
办公室.购物场 |
家庭基站 |
低 |
高 |
<20 |
高 |
家庭.咖啡馆 |
个人基站 |
低 |
高 |
<10 |
低 |
D2D |
小基站优势
体积小,成本低,安装容易,适合深度覆盖
功率小,干扰小,更小的范围内时间频率服用,提升容量
距离用户近,提升用户质量和高速率
3.1.4.大规模天线阵列(Massivs MIMO天线阵)
优点:
提升了信号可靠性
提升了基站吞吐率
大幅降低对周边基站的干扰
服务更多的移动终端
3.2 动态自组织网络(SON)
动态自组织网络用于满足5G
两方面的性能要求:低时延、高可靠场景下降低端到端时延,提高传输可靠性:在低功耗、大连接场景下延伸络覆盖和接入能力。在传统蜂窝网络架构下,终端必须通过基站和蜂窝网网关才能与目标端进行通信。在这种架构下,终端在获得数据传输服务前必须首先选择一个服务基站,与服务基站建立并保持连接。
在动态自组织网络中,任何接入网节点,都具备数据存储和转发功能,动态自组网中的每个节点,都具备无线信号收发能力,并且每个节点,都可以与上一个或多个相邻节点进行无线通信,整个自组网呈网状结构。
在动态自组织网络中,任何节点间(終端与终端、终端与基站、基站与基站等)均通过无线通信,无须任何布线,并具有支持分布式网络的冗余机制和重新路由功能。任何新节点(如终端或基站)的添加,只需要简单的接上电源即可,节点可自动配置,并确定最佳多跳传输路径。
动态自组网有如下优点:
1.部署灵活
部署方面,动态自组织网络节点(终端或微型基站),只要处于目标区域,就可以进行自动的配置,自动建立并维护络拓扑,确定最佳传输路径,大大降低网络部署成本,加快部署速度。
2.支持多跳
动态自组织网络支持多跳传输,与发射端有直接视距的接收端先接收到无线信号,然后接收端无线信号转发到与它直接视距的下跳终端。因此,数据包在自组网络中传输,能够这样一跳一跳传递下去,直至到达目标终端。动态自组织络通过多跳方式传输,大大扩展了应用领域和覆盖范围.
3.高可靠性
动态自组织网络支持空口中多路冗余传输提高传输可靠性,还通过支持多路由传输提高端到端传输可靠性,如果传输中某节点故障,可通过备用路径切换到另一节点。因此,动态自组织网络比传统蜂窝络更可靠,因为它不依赖于单一节点的性能。在传统蜂窝网络中,如果某一基站故障,该基站覆盖的区域也将瘫痪。
4.支持超高带宽
无线通信领传输距离越短,越容易获得高带。因为传输距离越长,干因素也会大大增加。而自组织络的多跳传输可以有力的获得高带宽。也因为传输距离小,需要的功率也小,因此更加绿色节能。
3.3 软件定义网络(SDN)
在5G的网络架构设计上要遵循智能、开放、灵活、高效的原则。IT新技术给了5G网络架构的实现,提供了新的技术支持。其中软件定义网络(SDN)和网络功能虛拟化技术(NFV,可以有效满足这些需求。
SDN起源:
SDN起源于2008年美国斯坦福大学教授 Nick Mckeown等人的 Ethane项目研究。其主要思想是将传统网络设备的数据平面和控制平面分离,使用户能通过标准化的接口对各种络转发设备进行统一管理和配置。这种架构具有可编程可定义的特性,对网络资源的设计、管理和使用提供了更多的灵活性,更有力于网络的革新与发展。
传统网络设备向SDN的演变,正像大型机与PC机的类比
大型机向PC的演变
IT技术的发展,是由大型机的软硬件一体化,向PC机的:硬件、操作系统、应用软件,这样的分层结构转变的过程。
大型机采用专业的硬件、专业的操作系统、专业的应用软件,不能自由定义软件功能。而PC则是一个由软件定义功能的产品:安装Windows系统的时候,它就是一台Windows计算机;安装 Linux操作系统的时候,它就是一台 Linux计算机:安装游戏软件的时候,它就是一台游戏机:安装翻译软件的时候,它就是一台翻译机
当下的络设备,厂商出厂时封装了什么功能,你就只能用什么功能。定义权牢牢把控在厂商手里,无法通过软件自行定义它的功能。
而SDN的研究者们,除了希望针对软件设备实现软件定义(可编程可定义)功能外,还要实现数据平面与控制平面的分离,即将原有络设备的控制功能抽离出来,将络设备的数据转发与控制能力分开部署。达到更加灵活高效的管理效。
传统网络向SDN演进
传统网络设备由原来的软硬件一体化,向网络分层及虚拟化的方向发展:基础设施层、控制层、应用层。
SDN的定义
SDN的核心技术是通过网络设备控制平面与数据平面区分开来,从而实现网络流量的灵活控制,为核心网络及上层应用的创新提供良好的平台。
SDN逻辑架构
软件定义网络是一种新的网络方法,在物理上分离网络控制平面
路由器=专用路由器硬件+对应的ISO软件组成
电脑=CPU+操作系统
总结
SDN软件定义网络
SDN的核心思想---转发和控制分离,从而实现网络流量的灵活控制
SDN网络的新角色---控制器
承上:对上层应用提供网络编程的接口
启下:对下提供对实际物理网络网元的管理
3.4网络功能虚拟化(NFV)
NFV (Network Function Virtualization)是采用虚拟化技术,将传统电信设备的软件与硬件解耦,基于通用计算、存储、网络设备实现电信网络功能,提升管理和维护效率,增强系统灵活性。
传统的专用硬件网络及通信设备,将逐步虚拟化、软件化,部署更加灵活,管理和维护成本更低。
SDN与NFV的区别与关联
SDN是从传统的全分布式、对等控制的网络架构,演变为控制平和数据平面分离的架构,由分布式管理变成集中管理,控制平面可以在全局掌握数据平面设备的性能及状态,使链路状态更新更快,容错及收敛效率更高。
NFV是将传统的软硬件一体化的网络设备,演变为软件化,在通用硬件(如:PC机或虚拟化平台)上部署。使专用硬件与软件解耦,功能更灵活,应用更方便,也可实现云化部署的目标。
总结
NFV ---网络功能虚拟化
NFV的核心思想-—-软件和专用硬件解耦,软件与通用硬件联姻
NFV的核心技术—虚拟化,把通用服务器的CPU、内存、IO等资源切片给多个虚拟机使用。把交换机路由器防火墙的功能作为软件应用运行在虚拟机里来模拟它们的功能。通过openstack来进行管理和编排。
NFV带来的网络革命--网络瘦身(专用硬件向通用硬件的转化),业务带宽随需而动。
SDN与NFV的深度融合
SDN是向网络架构的创新
NFV是面向设备形态的创新
SDNFVS使整个网络可编程,可灵活性。
三.5G面临的挑战
3.1频谱资源的挑战
我国的频段划分属于行政划分,和相对比的市场主导有区别。
在欧美国家,频段是用来拍卖的,比如在3G时代,对于相应的频段,我国三大运营商都已经行政划分好了,剩下的就是比拼服务。而欧美是采用拍卖的方式,他们首先要拍的此频段的牌照,比如英国的3G频谱就拍卖了220亿英,德国的则高达450亿美元。频谱之所以这么贵,是因为目前可用的频谱资源是有限的。
相对于提高频谱利用率,增加频谱带宽的方法显得更简单直接。在频谱利用率不变的情兄下,可用带宽如果翻倍则可以实现的数据传输速率也翻倍。但是,现在常用5GHz以下的频段已经非常拥挤。因此使用高频段和超高频段,成为各大厂商不约而同的解办法。比如使用28GH2和60GH的毫米波频段,是最有希望使用在5G的两个频段。使用28GHz和60GH的毫米波频段,可以获得更大的带宽。各个频段可用频谱带宽比较。
综上,5G技术的落地,仍然要面对频谱资源稀缺及高段开发等挑战:通信产业发展至今,频谱资源日益稀少。
5G网络需要通过高频段甚至超高频段(例如毫米波频段)的深度开发、非授权频段的使用,满足未来网络对频谱资源的需求。这些技术的发展同时也需要终端设备的升级。
与低频无线传播特性相比,高频対无线传播路径上的建筑物材质、植被、雨衰/氧衰等更敏感。不同频段存在不同的使用规则和约束,这使得频谱规划也变得更加复杂。
3.2新业务的挑战
围绕业务体验进行网络建设已成为行业共识,体验建网以达成用户体验需求作为网络建设的目标,规划方法涉及的关键能力包括:业务识別、体验评估、GAP分析、规划仿真等。根据业务类型的体验需求特征,不同的5G业务要求不同。
URLLC:对时延(1ms)和可靠性(99.999%)的要求很高
mMTC:对连接数量和耗电/待机的要求较高
eMBB:要求移动络为AR/VR等新业务提供良好的用户体验
针对5G新业务在待机、时延、可靠性等方面的体验需求,当前在评估方法、仿真预测、以及规划方案等领域均处于空白或刚起步的阶段,面临非常大的挑战。
3.3新使用场最的挑战
因为大量新业务的引入,5G应用场景将远远超出了传统移动通信络的范围,包括:
移动热点:人群的聚集和移动会带来大量的移动热点场景,需要有超密组网场景的网络规划方案。
物联网络:面向各种垂直行业的物联新业务,如智能抄表.智能停车.工业4.0等,其应用场景大大超出了人的活动范围。
低空/高空覆流:很多国家明确提出了通过移动通信网络为低空无人机提供覆和监管的需求:高空飞机航线覆盖,5G为飞机航线提供高速数据业务。
对于这些应用场景,无论是相关的传播特性、还是组网规划方案,目前基本是空白,需要开展相关的课题研究。
3.4终端设备带来的挑战
随着移动互联和物联网的兴起,终端不断向便携式、智能化、多元化方向发展,未来联网终端数量将呈爆发式増长,互联网时代的用户长尾化需求、移动互联网时代的用户碎片化需求,将在终端设备形态上得到充分体现。対用户而言,友好的用户体验和应用的多样化成为服务类终端的核心竞争力。因此,要实现低成本多模终端的研发,对终端设备的芯片和工艺、射频技术以及器件.电池寿命等技术研发带来了挑战。
3.5 5G面临的安全挑战
5G带来了三大应用场景:增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器类通信(mMTC)、高可靠低时延通信(uRLLC)。
三大应用场景面临的安全挑战
这三大应用场景中,对增强移动宽带来说,一是它需要更高的安全处理性能,保障用户获得良好的体验速率:二是它需要支持外部网络二次认证,能更好地与业务结合在一起:三是需要解决目前发现的已知漏洞的问题。对低功耗的大规模机器类通信来说,需要轻量化的安全机制,以适应功耗受限、时延受限的物联设备的需要;需要通过群组认证机制,解决海量物联网设备认证时所带来的信令风暴的问题;需要抗DDOS攻击机制,应对由于设备安全能力不足被攻击者利用,而对网络基础设施发起攻击的危险。对于高可靠低时延通信来说,需要提供低时延的安全算法和协议,要简化和优化原有安全上下文的交換、密钥管理等流程,支持边缘计算架构,支持隐私和关键数据的保护。
新架构的安全挑战
面对5G带来的三大应用场景,以IT为中心的络架构,会引入超密集组网、SDN、云计算、NFV等新技术。
新技术也带来了新的挑战,比如:SDN和NFV
这样的技术引入,使网络边界变得十分模糊,以前依赖物理边界防护的安全机制难以得到应用。所以,安全机制要适应虚拟化、云化的需要。5G网络会变得更加开放,相比现有的相对封闭的移动通信系统来说,会面临更多的网络空间安全问题。比如APT攻击、DDOS、Worm恶意软件攻击等,而且攻击会更加猛烈,规模更大,影响也会更大。
四.总结
移动通信历程:语音到数据、低帯宽到高带宽
5G技术指标:中国的5G之花
5G的三大应用场景: eMBB、 uRLLC、mMTC
5G新技术: Massive MIMO、SON、SDN等
5G面临的频谱资源、新业务、安全等全新挑战
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