阿里妹導讀：5G時代悄悄來臨，甚至成為街頭巷尾都在討論的話題。相信你一定有過一些疑問：什麼是5G？僅僅只是網速更快嗎？5G如何做到毫秒級的延遲？網路切片是什麼？5G的標準之爭是怎麼回事，在爭什麼？看完本文，相信你對5G能有基本的瞭解。
摩爾定律相信大家可能都會比較熟悉，但是通訊領域的夏農定理就沒那麼普及了。記得在研究生的一門課程《資訊理論》中嚴格推導過這個公式，這個定理的公式指明瞭與通訊速率相關的要素，極限值在哪裡。
- 在有隨機熱噪聲的通道上傳輸資料訊號時，通道容量Rmax與通道頻寬W，訊雜比S/N關係為：Rmax=W*log2(1+S/N)。注意這裡的log2是以2為底的對數。
- 上面的公式簡單來說，就是如果想要提升通道容量，可以透過增大頻寬，或者提升訊雜比的方式。增大頻寬比較容易理解，但是頻譜資源本身有限，不可能無限分配。即使可以無限分配，還有一個關鍵因子訊雜比也會限制。提升訊雜比，可以有很多種方法，可以透過增大發射功率來搞定，但國家對於基站發射功率是有嚴格限制的，不能無限制的增加，就算可以，對於器件等也有很高的要求，高頻的放大不是一件簡單的事，另外可以透過改善信源編碼、通道編碼來改善。
關於5G的一些相關技術，整理了一張腦圖，希望能讓大家更系統性的瞭解5G技術。大家可以對照著來看，如果本文講的不是很清楚的地方，可以根據關鍵詞自己網上搜尋一下。5G的關鍵技術比較多，因此將這些技術與三大場景相結合著來看，每項技術都是為了去解一些實際場景中的問題發展出來的，可能會更便於理解。
沒有規定用多大頻寬，可以使用32載波聚合來滿足，這個速率是基站的峰值速率，並非單個使用者的速率，這個速率是屬於一個基站覆蓋範圍內的使用者共享的。標準中還有針對更細分割槽域的使用者體驗速率的要求描述，比如在我們比較關心的演唱會高密集人員區域的速率要求，5G裡面關於Broadband access in a crowd的描述是，整體使用者密度是50萬／km2，活動因子是30%時，需滿足使用者體驗速率下行25Mbps，上行50Mbps，區域容量下行[3,75]Tbps／km2，上行速率[7,5]Tbps/km2。1）IMT-A 是國際電信聯盟(ITU)制定的4G行動通訊標準規範。4G的頻譜效率可以這麼來看，4G的願景是在20MHz上實現100Mbps的速率，所以4G的頻譜效率一般可以認為是5bps/Hz。2）按照KPI，5G裡面頻譜效率提升還是很明顯的，而且頻譜效率提升來指導技術的提升會更直接，因為根據夏農公式，提升速率可以使用增加頻寬，而這在很多時候是很容易做的，但問題是頻譜是稀缺資源，只能在一定程度上增加供給。按照這個3～5倍於4G的頻譜效率，5G在100MHz上理論上應該提供1.5Gbps～2.5Gbps的速率。去年5月9日貴州聯通首個5G基站開通，在外場環境下，100MHz寬頻下單臺終端測試的5G網路峰值下行速率達到了1.8Gbps。★ 移動性達500公里/時
這個問題在4G時代其實解得不太好，在高鐵上網路時斷時續。500km/h的速率會產生比較嚴重的多普勒效應，對於幀格式處理等都會有一些挑戰。另外極快的速度可能會產生頻繁的越區切換，這對資料鏈路的穩定性也提出了一些挑戰。物聯網遍地開花，這個指標確實看起來很給力，但事實上5G裡物聯網標準mMTC是推進的相對緩慢的，原因可能是爆發性的產品還沒有出現，目前的NB-IoT還沒有達到飽和，推動的動力不足，雖然大家都認可物聯網的重要意義，但可能還需要耐心的等待一段時間。基站越建越多，運營商電費也越花越多，降低能耗，綠色環保。
負責標準化制定的是3gpp組織，官網網址在這 https://www.3gpp.org/，有關標準化程序，可以去這個官網瞭解。5G NR物理層協議下載地址：http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/38_series/，如果想了解協議細節技術，可以下載協議文件檢視。3GPP TS 38.201V15.0.0 (2017-12)中概述了NR物理層協議的主要內容。物理層包含一個概述文件TS 38.201，六個協議文件：TS 38.202 TS38.211 TS38.212TS38.213 TS38.214和TS38.215。
圖片來源：
https://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79117626
各種速率吹得天花亂墜的，一會20Gbps，一會4.6Gbps，一會6.5Gbps，為什麼會差別那麼大，那些4.6Gbps的一定就比6.5Gbps的差嗎？1）5G峰值下載速率6GHz以下200MHz 4.6Gbps。這個6GHz是指的載波頻率在6GHz一下，200MHz指的是頻寬，載波頻率和頻寬概念搞不清楚的同學可以自行百度。4.6Gbps是峰值速率，按照5G的KPI，頻譜利用效率需要為4G的3～5倍，4G是多少？4G頻譜效率是5（即20MHz頻寬實現100Mbps的峰值速率），那麼按照5G的KPI我們來計算一下200MHz頻寬應該要達到多少才達標，簡單的公式計算，達標的速率應該是3Gbps～5Gbps 。2）毫米波800MHz 6.5Gbps(4G LTE可體驗速率的10倍)。毫米波指的是頻段，國際主流的是28GHz，這個指的是載波頻率。800MHz指的是頻寬，高頻段就是好啊，資源相當豐富，動輒都800MHz頻寬了。這個實際算下來這個的頻譜效率只是4G的1.625倍，這個可能主要是由於頻寬較寬，所以使用的OFDM子載波頻寬也較寬，子載波間隔增大後頻譜效率就降下來了。但這個速率仍然很給力了。值得注意的是這些速率都是峰值速率，是在一個基站下的你我他共享的資源，所以你的實際體驗速率並不會那麼快，基站側會有排程演算法來保證公平，但5G裡面可能不會有絕對的公平了，付費的企業使用者可能會獲得更多的資源排程，不再是一鍋端了。另外要注意的通訊裡的速率都是bit，而非byte，是有8倍的差距的，包括你家裡裝寬頻時也是bps，而非Bps。總結來說，就是大家記住5G的頻譜效率KPI，然後加上頻寬就能知道峰值速率是多少了，而這個峰值速率只能說明你的總容量大小，和個人感知速率是不一樣的，但是會明確瓶頸在哪裡。不說多大頻寬下實現多少速率的都是耍流氓。PS：載波頻率和頻寬是兩碼事，峰值速率和頻寬和頻譜效率有關，和載波頻率無關。就和一趟火車一樣，決定裝載量大小的是車廂的多少，而不是速度。伴隨著AR和VR市場規模的不斷擴大，影片流也勢必會呈現顯著的增長，而類似於 6DoF 的下一代內容格式會對網路提出更高的要求，個人資料速率的需求上限也會從 200Mbps 跳到 1Gbps，這些都會需要更多的頻寬來支援。做AR和VR的很多公司已經開始摩拳擦掌了，準備好好把握住這一先機，大家對於5G顯得熱情高漲，都想盡早的拿到那張門票、打造爆款、佔領市場。5G是一種通訊技術，本身解決的是傳輸的問題，本身VR和AR需要解決的很多體驗問題、內容源問題、資源問題等都仍需要產業繼續解決，當然誰解決的最好，與5G配合得最好，消費者肯買單就會佔領市場先機。順著前面的我們再來算算頻寬，以目前聯通/電信運營商被分配到的100MHz頻寬為例，按照5G要求，最高能提供2500Mbps的頻寬，如果按照流暢的VR需要50Mbps來算的話，最多就能同時承受50個人同時使用，當然這個是理論值，加上一些信令相關的開銷，可能無法達到這個值，這個離演唱會現場每人可以實時多角度的看演出還是有很大距離，當然這只是網路初期，後期還會分配更多毫米波頻段的資源，同時對於非互動式的可以使用廣播的形式來緩解。
其實AR和VR並不完全一樣，所面臨場景解決的問題也不一樣，這裡並未做區分。而這個產品未來的形態，到底是google glass那種還是投影那種，抑或是一種更先進的互動方式其實還有待繼續觀察，期待看到更加牛的解決方案。曾經參加一個5G的交流會的時候，大家談到全息投影在5G裡的應用，讓一個已故的歌手能重新站在舞臺上繼續為大家獻唱確實是一件很酷的事情，事實上目前在小範圍的特定的IP上已經實現了，但這個的推廣發展目前還是受限於內容，內容是需要花時間精力去精心創作的，創作的過程往往是更花時間的。而實際裝置可以透過各種租賃得到，反而是更容易搞定的事情，但是今天來看那種舞臺幕布搭建的方式打造的立體感想要規模化的在現實中應用，仍然是不小的挑戰，我們可以期待以後有更好的互動方式，就像科幻片裡那樣直接在空氣中、穿衣鏡等上面進行互動。今天全息投影更多需要解決的是本身投影技術、內容創作等方面的問題，傳輸只是其中的一部分，換句話說，今天不用5G還可以用光纖，如果問題解決到只是那一根光纖影響體驗了，那直接上5G打造一個完美的體驗就好了，但今天還需要解決的更多是場景本身所在領域的事情。當然傳輸鏈路的提升，也會帶來很多的好處，比如說可以大頻寬低延遲的傳輸，那麼很多的計算、渲染都可以在雲端完成，雲端的機器可以很快速方便的擴容，甚至是不惜成本的擴容。透過這種雲端渲染的方式來打造更加完美的使用者體驗也是一個研究方向，雲端渲染的另一個好處可以讓多個孤立的場景組合起來，形成一個更有意思的虛擬世界，就像我們在打的聯機遊戲一樣，VR不僅僅需要頻寬，良好的體驗對於延遲也會更加敏感。因此針對VR的網路切片，可能會處於大頻寬和低時延兩者之間的一個折中網路切片。網路切片作為5G裡非常重要的一項技術，廣受運營商喜愛。因為透過這項技術可以對資料包進行分級，可以建立服務等級，實現差異化的服務。大白話就是，有錢的可以提供好的服務，保證頻寬保證延遲，沒錢的就往後放放。在之前的4G標準中也有定義差異化服務QoS，但是原有的差異化服務只是針對接入網的，也就是說只針對了手機到基站這一段做了差異化服務，原來做差異化服務也是來源於需求，當基站在分配上網使用者資源和語音電話使用者資源時，肯定是不一樣的，會優先保障語音使用者。在4G時代，運營商是使用qci來進行服務分級的，但是這個粒度比較粗，3gpp一共規定來9個等級，4個GBR(Guranteed Bit Rate) ，5個Non-GBR。網路切片可分為核心網中的網路切片和接入網中的網路切片，核心網中的網路切片與虛擬化技術息相關。NFV（network function virtualization，網路功能虛擬化）與SDN（software defined networking，軟體定義網路）作為實現核心網中的網路切片的主要技術支撐，受到了廣泛的關注和研究。接入網中的網路切片實現更具有挑戰性。除了用於不同的商業模型之外，針對業務的指標需求不同，網路切片和接入網路還需同時提供低時延、大連線、高可靠等效能指標，並保證網路切片之間的隔離。阿里集團正在探索網路切片相關的應用，在4G時代其實沒有完整的網路切片方案，3GPP協議定義了QCI（QoS等級標識），不同QCI承諾了不同的資料包延遲、誤包率等，運營商透過QCI提供面向使用者與業務等差異化服務。3GPP定義的QCI=3的使用者的典型場景是Real Time Gaming(實時遊戲)，一般普通使用者的資料業務是在QCI=6上進行承載。如果下圖所示，為某次壓力測試中，QCI=3的保障使用者在資料包平均時延和抖動方面明顯優於QCI=6普通使用者，在頻寬資源緊張時，QCI=6的使用者無法搶佔足夠多的頻寬資源完成業務，而QCI=3的使用者可以保持穩定的800kbps的穩定速率。4G時代的"切片"僅僅是接入網的一個較粗的QoS等級劃分，5G的切片將是更完整的端到端的解決方案。
在5G將會有各種不同場景的網路切片，有針對車聯網的切片、有針對VR的切片、有針對物聯網裝置的切片等等，而網路切片的粒度也會更細，後續可能會出現不同的服務質量需要付不同的費用。5G時代變成了運營商B端收費或者B端C端兩邊收費，這一塊的業務落地我們還會持續關注，也歡迎集團內有相關資源或技術的團隊能給我們提供幫助。
如果說4G時代運營商建了全國的公路，那麼5G時代運營商既建設了公路也建設了高速公路，如果想要更好的服務，可以掏錢走高速公路。
在不考慮重傳的情況下，LTE網路內部時延是小於20ms，而要ping外部伺服器，這個時延通常在40-50ms以上，光纖的傳播速度是200公里，5G在應對時延敏感用例時，要求接入網時延不超過0.5ms，這意味著5G中心機房(或資料中心)與5G小區(基站)之間的物理距離不能超過50公里。面對物理時延的挑戰，我們不得不考慮在接入網引入移動邊緣計算(MEC)、邊緣資料中心，也就是將以前核心網和應用網的一些功能下沉到接入網。邊緣計算由於部署在靠近物或資料來源頭的網路邊緣側，具有融合的網路、計算、儲存和應用核心能力。利用邊緣計算提供的計算能力和服務，能夠滿足低時延、海量連線業務需求和資料的聚合最佳化需求等，緩解核心網和回程鏈路的負載壓力。因此，邊緣計算和網路切片的結合變得尤為有意義。在網路傳輸延遲或資料安全等角度考慮，很多的領域無法直接將資料傳送至雲端處理，因此邊緣計算是一個大趨勢，大家經常舉例的自動駕駛就是一個例子，為了保證實時性和可靠性，影像處理需要在邊緣端完成。除了這種意義上的移動邊緣計算之外，其實運營商期望的移動邊緣計算應該是在更靠近接入網的部分部署算力，支援邊緣計算，後續可能應用可以直接部署於基站內的雲裝置內，這樣對一些延遲極度敏感的應用將是一個好訊息。3.4 物聯網應用
目前物聯網逐漸火熱起來，mMTC也是物聯網三大場景之一，承擔了未來智慧世界裡的重要想象空間。但是目前的mMTC仍然有一些亟待解決的問題，我們可以看到5G KPI裡是要求能支援每平方公里100萬個連線，這其實是一個非常讓人興奮的數字，但是這個會有點容易讓人誤解，100萬個連線並不是同時收發資料，只是連線，連線有可能是時斷時續的，有可能是一天只傳送一個資料包的監控節點。可以看到目前應用比較廣泛的還是電力超表類應用，因為這類資料基本都只是在上報，而且頻次要求不高，實時性要求也不高。但是對於很多的應用場景來說，實時／準實時的雙向通訊是很大的需求。
NB-IoT超強的資料連線並不是真正的實時連線。NB-IoT的小區容量很大大，NB-IoT終端入網成功後，核心網和IoT平臺會一直儲存使用者會話狀態，終端在PSM，eDRX休眠情況下，網路側維持IP會話。但這其實是以終端睡眠來達到的容量提高，並非特別大的技術提升。NB網路使用15Khz終端接入， 180Khz頻寬，“併發使用者數”理論為12個，如果在同一個時刻有多臺裝置進行入網，一方面會導致底噪升高，裝置入網困難，另一方面，超出的裝置需要排隊入網。因此更加適合的是一些低速率、低時延要求的場景。
大麥目前已經將NB-IoT應用到實際產品中了，由於NB-IoT使用的是CoAP協議，而CoAP協議底層使用的是UDP，不可靠的，因此我們上層做了應用層的ACK應答機制來保證資料可靠到達。
由於我們的場景對功耗不敏感，但是期望資料能儘快到達，所以我們與運營商溝通後關閉了PSM和eDRX，以便讓資料儘快到達，但是對於一些監測類的場景對於功耗是敏感的，因此就會透過睡眠等方式來儘可能的儲存體力。這對於純上行監測類應用來說還好，但是如果想要準實時下發可就難了，因此也會限制一些場景的想象空間，在低功耗方面仍然有很長的路要走。
NB對於場景的覆蓋也還有待加強，對於一些樓宇裡的空調，目前覆蓋應該是夠的，但是水錶等表類產品，安裝的環境很封閉，或者說無線網路很難滲透過去，這樣就導致了很多安裝在現場的水錶（窨井下，樓梯間）無法上傳資料，讓水錶廠家和NB-IoT技術滿臉的尷尬。
未來5G的mMTC場景還會基於NB-IoT、eMTC技術繼續演進，期待未來能更好的解決目前存在的一些問題。
D2D其實是一項挺有意思的技術，讓裝置和裝置之間能直接通訊。當然不是完全的自主通訊，是在基站控制下完成資料通訊，基站主要負責控制信令，裝置間直接進行通訊。這可能會催生一些基於鄰近特性的社交應用場景。其中車聯網中的V2V（Vehicle-to-Vehicle）通訊就是典型的物聯網增強的D2D通訊應用場景。基於終端直通的D2D由於在通訊時延、鄰近發現等方面的特性，使得其應用於車聯網車輛安全領域具有先天優勢。在D2D通訊模式下，兩個鄰近的移動終端之間仍然能夠建立無線通訊，為災難救援提供保障。家庭應用中的投屏場景是一個很好的D2D場景，但是目前基本都是WiFi-Direct的天下，如果D2D想要應用進來，還需要與這個強大的對手進行競爭。4G時代，CDN基本部署在CR（核心路由器）、SR（業務路由器）附近，部署位置偏上。同時，節點部署稀疏，平均每個節點覆蓋方圓10公里。5G時代，在架構上，CDN應從CR、SR端向使用者端遷移。同時在節點部署上，向小型化、高密化發展，原來每節點覆蓋方圓10公里，現在需縮小到1公里甚至更小。網路切片中的NFV和SDN技術也將應用到CDN中，NFV實現網路資源共享，擴充套件靈活，CDN NFV實現硬體和軟體解耦。SDN讓排程和路由控制更靈活，網路感知能力和集中控制與能力的開放，提供靈活排程和最最佳化的路由能力。借用集團陳威如專家演講中的一些觀點，未來十年，是從消費互聯化到產業互聯化的全面協同升級。未來，產業網際網路有兩個發展方向，第一，在你所處的產業環節進行線上線下融合。如果你是做零售的，你就要把線上、線下銷售場景，用數字化、視覺化的方式重構、融合起來；如果你是做供應鏈的，也要先做數字化，進行線上、線下融合，達到線上線下一盤貨。第二，做全鏈路環節的數字化相連。當你把全鏈路串起來以後，就會對生態圈、消費者、企業商業模式產生一個極大的變革。因此5G可能會依託於物聯網技術帶來全鏈路的數字化，進而助力產業網際網路。
