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5G前蜂窝移动系统和业务概述 | 带你读《5G UDN(超密集网络)技术详解》之二

简介: 蜂窝移动网络经历了 1G、2G、3G、4G、5G 五大阶段或时代,伴 随着 ICT 技术和移动市场业务应用的不断快速变化,蜂窝移动系 统的形态和架构也经历了相应的变化,或演进或变革,或渐变或剧烈。 深入了解 5G 前蜂窝移动历史,有助于理解当下 5G 蜂窝网络的核心特 点和未来发展趋势。
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第1章 5G 前蜂窝移动历史

前言:超密集网络UDN的核心特点

蜂窝移动网络经历了 1G、2G、3G、4G、5G 五大阶段或时代,伴随着 ICT 技术和移动市场业务应用的不断快速变化,蜂窝移动系统的形态和架构也经历了相应的变化,或演进或变革,或渐变或剧烈。
深入了解 5G 前蜂窝移动历史,有助于理解当下 5G 蜂窝网络的核心特点和未来发展趋势。

| 1.1 5G前蜂窝移动系统和业务概述 |

蜂窝移动通信学术界,早在 21 世纪初,就已开始了对未来更先进的 蜂窝移动技术的研究,它里面其实已包含了,今日正在被工业界大力推向 5G 系统标准化的大量技术雏形,如大规模多天线输入输出技术(Massive MIMO、3D MIMO)、高频波束赋形技术(HF Beamforming)、非正交多址 技术(Non-orthogonal Access)、高频超大带宽传输技术(HF Wider Band Transceiving)、新空口波形技术(F-OFDM、FB-OFDM 和 UF-OFDM)、 新编码调制技术(Turbo Code 2.0、LDPC、Polar、256QAM 等)、全双工 技术(Simutaneous Tx/Rx、Super Duplex)、无线接入网云化技术(RAN Clouding)、端到端网络切片技术(NW Slicing)、移动边缘计算技术(Mobile Edge Computing)、终端 3D 定位技术、人工智能大数据应用化技术等。过去 多年,由于受到商业模式、业务应用、各种客观工程条件和开发实现成本等方 面因素的制约,上述当中的蜂窝移动系统先进技术,在 5G 之前的时代,并不 能以较低的工程成本和稳定度实现,或者即使技术层面实现了,但由于相应的 蜂窝业务市场还不够成熟,商业层面无法推广应用,因此无法获取到相应的市 场价值回报。因此大部分移动通信先进技术,只能“静静默默地”躺在论文和 专利库之中,等待时机成熟之时,被重新发现并利用,以发挥出其工程和市场 价值。可以这么说,蜂窝移动早期既广阔又深厚的技术理论储备,早已为后续 移动通信产业的蓬勃发展,提供了充足的理论积淀和基础。一切似干柴待烈火,蓄势待发而已。
相比之下,移动通信工业界国内外的一些组织,如 EU 欧盟的 METIS 项目、 中国 IMT-2020、韩国 5G Forum 等,还有 NGMN、GSMA,2013 年前后, 先后开展了 5G 蜂窝移动系统的前期预研和技术规划,力图基于过去几代蜂窝 移动系统的标准化和工程化经验教训,紧密结合未来新兴蜂窝业务市场和技术 等诸多客观条件因素,充分挖掘和利用过去移动通信学术界的大量先进理论技 术的积累,聚合业界的广泛力量,设计开发出更先进、更强大、更灵活、性价 比更高的 5G 蜂窝移动系统。因此在详细介绍 5G 系统和 UDN 技术之前,笔者 先简单地梳理一下,5G 之前的蜂窝移动系统的一些特点,如:代表性关键技术、 主要业务应用、用户市场状况。5G 之前,蜂窝移动系统的发展,大概经历了 1G → 2G → 3G → 4G 几大阶段,而每个大阶段内其实还有一些小阶段,比如: 4G LTE 早期、LTE 中期、LTE 后期。每个大阶段的历时长短不同,但平均约 10 年左右的时间。目前,除了 1G 系统基本从蜂窝移动市场消失了,2G 及其之 后的几代系统都还在广泛地部署使用中。
1G 被称为模拟移动通信时代,世界范围内,分属于众多通信设备厂家的各 种无线接入技术制式林立,各具特色和优劣,没有全球性,甚至地区性的蜂窝 移动系统的统一标准,网络设备市场极度地分裂,终端市场手机的机型也非常 有限,用户使用移动通信的成本也非常高。最形象的代言物就是“大哥大”手 提电话。1G 时代,相对有区域代表性的标准如 AMPS,它采用了模拟调制解调 技术和 FDMA 频分多址方式,蜂窝系统容量很低。1G 时代主要服务于语音类 业务,用户能轻松地接打电话,听清彼此的对话,通话不掉线,那就是高质量 网络的性能标准。
2G 开启了数字移动通信时代,随着数字集成电路 / 计算机技术等的初步发 展,很多模拟电路系统逐步被数字电路系统所取代,如 2G 采用的 GMSK 数字 调制,2G 蜂窝系统架构和协议栈设计也愈发完备、成熟和精炼,且网元节点的 物理实现集成度不断提高。由于通信设备市场有着互联互通的天然需求,在市 场推动下,逐渐形成了一些地区性或地域性标准,如:欧洲的 GSM/GPRS(采 取时分多址方式)、美国的 IS-95 CDMA(采取窄带 CDMA 码分多址方式)。虽 然从全球层面看,网络设备市场仍然存在区域性分割,但终端市场的手机机型 却逐渐丰富,出现了高、中、低端的差异,用户移动通信的成本也逐渐降低。 2G 时代主要服务于语音类和中低速率的数据业务,如:短信、传真、电子邮件 等,2G 为之后的全球移动市场迈向统一化奠定了良好基础,因为人们已能充分 感受到:移动通信方式所带来的便利和高效,逐步摆脱了传统的固网固话方式。
3G 被称为宽带移动通信时代,随着高集成电路 / 计算机 / 互联网等技术的进一步迅猛发展,3G 蜂窝系统架构协议和物理集成度,继续不断地提升和优 化,更多的互联网数据业务应用极大地刺激了无线宽带传输的需求,移动通信 的主要内容从之前的语音逐渐向数据迁移。至此,全球移动通信设备厂家的强 弱市场格局逐渐形成,更逐渐形成了多个准全球性的蜂窝移动标准,如:欧洲 的 UMTS/HSPA、美国的 cdma2000 和中国的 TD-SCDMA,它们都是宽带 码分多址方式,都采用了逼近香农容量极限的 Turbo 信道编码。3G 蜂窝设备 的市场格局逐渐趋向集中收敛和多足鼎立,终端市场的手机机型也已经非常之 多,且手机集成了大量的非通信功能,如:拍照、音乐、电子游戏、定位导航等, 用户无线数据传输的成本被进一步降低,手机俨然已成为生活、工作中的重要 物件。3G 时代主要服务于语音类和中高速率的宽带类数据业务,如:高清语音、 视频电话、多媒体网页浏览互动、文件传输等。3G 推动着移动互联网开始走向 大众化,保证了部分前卫人群对移动互联网丰富多彩业务的体验和开发,逐步 摆脱了传统的桌面互联网方式。
4G 被称为超宽带移动通信时代,它以 OFDM 正交频分多址技术,外加“绝 配技术搭档”MIMO 为核心基础(MIMO 配合 CDMA 技术的实现成本较高, 效果不佳,但却很适合搭档 OFDM 技术)和全 IP 网路(语音可以用 VoIP), 蜂窝通信设备节点和单站的容量与数据处理能力都得到进一步增长,主流通信 设备厂家的技术和市场优势地位,继续扩大巩固,更多元、丰富且疯狂增长的 互联网数据新业务应用,继续极大地刺激着移动设备市场的前行,运营商们被 迫加速升级其蜂窝网络的容量、覆盖和性能以应对。至此,应该算形成了真正 意义上的全球性蜂窝标准:LTE FDD、LTE TDD。蜂窝网络设备市场的格局 已基本稳定,优胜劣汰后只剩下了几家网络设备厂家和移动芯片巨头,终端市 场的手机机型也已浩如烟海,多似繁星。由于更高的无线传输谱效和带宽,用 户无线数据传输的成本更被降低到历史新境界,如:已出现不限流量 Flatrate 的包月套餐,10 元能购买 10GB 的流量。4G 时代主要服务于语音类和各种速 率等级及 QoS 要求的数据类业务,如:超高清语音、高清视频电话、移动支付、 在线视频、大型网络游戏、巨量文件传输和共享等。4G 蜂窝系统进一步促进 了移动互联网在民众生活、工作、娱乐中的渗透、普及、移动休闲、移动办公、移动商务,已俨然成为很多人的一种新生活、工作方式,手机已成为生活工作中必不可少的物件。
5G 被称为万物互联准无极移动通信时代,除了蜂窝通信网络设备和终端的 能力与性能方面,继续大踏步地前进之外,5G 蜂窝网络服务的对象更是远远超 越了人自身,而延伸到了自然界的各种物体:动植物、各类机器仪表、车船飞 机等,还有未来富于人工智能的超级机器人,从而形成了人对人、人对物、物对物之间的三大通信类别。蜂窝移动运营商、网络设备商、终端芯片商们,除 了继续推进着 5G 网络容量、覆盖和性能的高速发展,还在积极酝酿着新的蜂 窝移动运营商业模式和盈利方式,以及对垂直类行业的跨界渗透、切入。本段 开头 5G 之所谓“准无极”而不是“全无极”,是因为 5G 蜂窝移动系统还主要 以陆基为主,服务于陆地、近海、低空的终端;但还不能服务于远海深海、高 空深空的终端,不能无极地做到“移动通信上天入海”5G 蜂窝移动系统也暂时 不能和卫星类通讯系统相融合或彼此深入互操作。基于上述 1G → 2G → 3G → 4G → 5G 的发展历程,读者不难推断和体会到:5G 对今日和未来人类社会的 方方面面都会产生深刻的影响,它不仅仅会让人类之间的信息交流更快、更自 由、更便宜,更可能会改变每个通信个体在世间的价值和地位,继续改变、重 塑着人类工作、生活、娱乐的方式,整合、重构、优化着全球诸多垂直行业、 产业等。对于这些内容,笔者在后面将分章节穿插式地再介绍。总而言之,5G 对于未来的任何人和物、对于任何行业领域,都是无法逃脱,且必须积极面对 的事物。5G 确实是推进人类社会无数方面进行再创造、再发展、再颠覆的强大 使能器 Enabler。
今日全球已普及应用的 4G LTE 系统,奠定了一个特殊的蜂窝移动通信时 代,它对今日和未来的 5G 系统发展,在技术和市场两大方面,起到承前启后、 至关重要的作用和意义。特别是最具有 4G 代表意义的 LTE-A 蜂窝系统,它 自诞生之日起,本身就是面向未来长期的演进,因此它在架构功能和性能方面, 即使在5G时代,也具有极强的前向演进性和市场生命力。随着智能终端技术(如 智能手机、平板电脑、AR/VR 设备、无人驾驶车等设备)的高速发展和市场应 用的迅猛推进,以及来自各门类 OTT 类互联网企业的林林总总的业务应用洪 水式地泛滥增长,广大蜂窝移动用户已逐渐摆脱了传统语音和运营商自己定制 开发的数据类业务应用,而积极转向 OTT 互联网企业开发的、各种更有诱惑 力和实用性的新兴数据业务应用。比如:大量移动用户并不会使用运营商网络 VoLTE 或者电路域语音业务,而更多地使用微信 /Skype 等 OTT 通信软件提 供的 VoIP 业务,广大移动用户每月的数据流量消费,集中在互联网企业开发 的各种蜂窝业务应用之上,如:电子商务、社交应用、移动搜索导航、视频门 户、云计算存储等。在这种移动用户通信消费偏好和习惯变迁的背景、趋势下, 运营商们投入巨资建设、维护的蜂窝网络,逐渐沦为底层的数据比特流传输管 道,即所谓“移动管道化”,运营商们仅仅能收获到相对低廉的商业利润,很难 再坐享着过去 2G/3G 时代高额的移动通信利润。这背后大部分的行业价值和利 润,无奈被 OTT 互联网应用厂家们间接地夺走,造成所谓“网络投入大,但 ARPU 无显著提升,增量不增收”的窘况,或所谓网络 CAPEX/OPEX 投入和收入利润之间的“剪刀差”效应,如图 1-1 所示。
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因此当下,蜂窝移动运营商们在 4G、5G 蜂窝技术发展方面,都迫切地希 望取得下面三大目标和转变。
(1)继续不断地降低蜂窝移动系统的 CAPEX/OPEX,即降低网络设备的 购买成本和运营维护成本。网络设备购买成本基本由蜂窝技术的先进性自身和 网络设备供应商(NW Vendor)所构成的大市场生态环境所决定的。更高效、 更先进的蜂窝移动技术的引入(特别是物理层关键技术、空中接口高层关键技 术和网络高层关键技术)和更多方、丰富且势力均衡、稳定(非垄断的)的网 络设备供应商市场生态,就意味着网络设备购买成本的不断降低和可持续性升 级演进。更高效、更灵活、更智能的蜂窝部署组网技术,则更利于降低蜂窝网 络的组网运营和维护成本。因此长期以来,运营商阵营(Operator Camp),如 NGMN 各成员非常关注未来 5G 蜂窝网络高低层关键技术的标准化情况,以及 网络设备供应商市场生态的构建、优化。在业内最有影响力的 3GPP 组织内, 运营商阵营总的原则目标就是:要不断推动维护现有的网络设施投资,不断降 低未来新网络设备的购买和运营维护成本,扩大不同厂家之间网络设备节点的 互联互通的可能性,以及不断降低网络设备市场的技术准入门槛。
(2)更注重对自己“数字比特流管道”内流量的经营和数据挖掘利用。运 营商们力图摆脱被“管道化”的命运,希望能从单位比特数字流量中,获得更 多的行业利润和价值。运营商天然容易获取到大量移动用户的个人数据,辅以 强大的网络人工智能手段,挖掘利用好这些个人数据,一方面可使自身蜂窝网 络的运维和利用能变得更合理、高效;另一方面还可以进一步提取出大数据增 值价值。例如,从蜂窝网络管道中奔跑的众多比特流中,提取出关键用户信息,挖掘出用户的行为和消费特征,向第三方伙伴提供部分网络能力开放和二次开 发机会等。在 2G/3G 时代,由于语音类业务在 QoS 和移动连续性方面的特殊 性要求,几乎没有其他任何 RAT 制式的无线系统能和蜂窝移动网络相匹敌, 因此,那时运营商们基本能尽收语音类业务的全部市场价值和利润。未来,运 营商们正力图通过创造出诸如:大视频、企业网切片、物联网切片、超高可靠 无线链路等移动新业务,力图创新出新的商业盈利模式,进一步提升移动用 户的 ARPU 值,使自己能够重新更好地掌控、支配自己“数字比特流管道”中 的数据流量,并从中获得更多的营收利润,重构有利于运营商自己的商业经营业态。
(3)更注重对蜂窝移动网络设备的弹性扩展升级以及软件定义和设备 虚 拟 化(SDN,Software Defined Network/NFV,Network Function Virtulization)。过去 2G/3G 的网络设备,基本都是基于特定的硬件平台和功 能元组开发、集成出来的,设备一旦过期和退网,就几乎是一堆无用的“废铜 烂铁”,设备所有内部资源全部作废,运营商意识到这是一笔很大的 CAPEX 投 资浪费。如果蜂窝移动网络设备内的各种功能模块化、虚拟化、软件定义化、 可编排化,从而减少它们对特定硬件平台和器件元组资源的依赖,这样当这些 网络设备需要升级或扩容的时候,可通过相对更容易的软件修改、去升级和功 能重编排、重安装来实现。因此,老设备内的大部分硬件资源(如 CPU、缓存、 内存、硬盘等)都可被重新利用,非定制化而更通用的硬件开发平台也能进一 步降低整机设备的开发、测试成本。运营商们的这种诉求,有利于打破一些传 统网络设备厂家对设备市场的长期垄断,推动降低网络设备复杂度的技术壁垒, 抑制高物理集成度设备而导致的高价格,降低新兴设备开发者的技术准入门槛, 构建出更开放共享和互联互通的供应商市场环境。更多的 ICT 厂家,都能参与 设备模块和组件的开发、生产、测试之中,这样运营商才能有更丰富的蜂窝设 备供应面选择,才能更灵活、自主地去构建和运营自己定制的 5G 网络。
与运营商阵营相对应的就是网络设备商 阵营(NW Vendor Camp)和芯片终端商阵 营,它们三者之间既有密切的合作关系,又 有残酷的竞争关系,如图 1-2 所示。比如, 处于优势市场地位的网络和终端设备厂家, 希望能进一步巩固自身市场份额地位,因此 出于商业目的考虑,经常会千方百计地阻挠 或拖延,运营商阵营对诸如“接口开放”“功 能解耦”“设备技术和物理集成度方面门槛降低”的建议。某些具有业内统治力的终端设备厂家,更希望引入终端间的直 连通信方式,以尽量摆脱网络设备对其的控制约束或终端对网络的依赖,此外, 终端设备厂家还希望把无线接入技术广泛用于网络节点间的前后回程,以部分 替代有线承载网络,但网络设备商却不愿让芯片终端商拥有较多的控制权和自 主权等。在运营商、网络设备商、芯片终端商每个阵营的内部,由于各成员 之间存在资金实力、市场地位和技术驾驭能力等方面大小强弱的差异,因此 也存在阵营内部方方面面的竞合矛盾关系,因此具体来看,各厂家都有为自己 的利益考虑。从总体上来说,对于某个特定的问题,3GPP 制定的对应工程标 准化方案,通常都是上述各个阵营内外的各种竞合复杂关系作用下、长期博弈 后的结果。

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无论是 4G LTE 在 5G 时代的长期演进,还是今日新设计的 5G NR(New Radio),运营商们都紧紧围绕着上述三大核心诉求和总原则目标,在网络设备 商阵营和终端芯片商阵营之间,进行着商业技术利益层面的长期博弈。今日和 未来 3GPP 组织内的 5G 标准化进程和相关结果,如 5G 系统所期望达到的新能 力、新功能、新特征和上述三大诉求本质地关联着,都是三大阵营之间相互妥 协、商议博弈后的结果。在下面的各个章节中,笔者将会结合具体的关键技术 点实例,有条件地再进行介绍分析,期待读者能更清晰地明白每个 5G 的新需求、 新功能、新特征等背后的本质诉求和因果关联。

1.2 4G LTE同构宏蜂窝和异构微蜂窝概述

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