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带你读《果壳中的5G:新网络时代的技术内涵与商业思维》第二章通信世界的第二次嬗变2.1

简介: 《果壳中的5G:新网络时代的技术内涵与商业思维》第二章通信世界的第二次嬗变2.1
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在生物世界之中,有一个奇特的现象:一只毛毛虫每天都在长大,它的样子,它的行为特征以及它的活动空间都不会有什么大的改变。可是,突然会有那么一天,这只曾经只能在树枝上蠕动的毛毛虫会羽化成为可以漫天飞舞的蝴蝶。但它已经不是原来的那只毛毛虫,而是嬗变成了 一个崭新的物种

通信技术的发展也有非常类似的过程,从第二代移动通信技术发展到第三代移动通信技术,通信网络从主要面   向语音的服务,改变为主要面向数据的服务。网络的形态、应用的内容、业务的模式都发生了彻底的改变,你很难再   用 2G的概念去理解 3G的世界,这可以被称为通信世界的第一次嬗变。5G之于4G的改变更远超2G到3G的改变,它应该是通信世界的第二次嬗变。嬗变就意味着丰富和复   杂的内容变化,而 5G的技术内容并不是基于标准制定者在会议室中的创意和构想,而是源自于技术使用者需求的   深刻变化。正是这些需求的演进使得 5G无法是一个简单的技术继承,它必须在各个领域挑战现有技术,进行颠覆。

不再只是关乎速率,万物的需求和5G的想法                                                                                     

 

通信技术的升级一直被大众用数据传输速率来解读,大众听到的、看到的所有市场宣传中, 无一不是在谈论网络的速率变化。诚然, 自从 2.5G通信网络启动了移动数据业务的发展之后,如何提升数据传输速率一直就是网络演进的主题线索。以更高的网络速率来迎接新的通信技术时代仿佛已经成了一种定式,5G也没有例外。大众消费者认知5G最典型的方式,也是将 5G与之前的通信网络进行传输速率的比较,如图 2-1所示。

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图 2-1 不同通信技术数据传输速率的演进

 

通过网络数据传输速率去认知 5G 时代的通信技术这本身并没有什么错误,但它却在很大限度上扭曲了 5G 网络所具有的全部内涵。事实上,描述一个通信网络的特征并不仅仅只有数据传输的速率,一个通信网络还有很多指标,每一个指标都表明网络的不同能力(见图2-2)。只是通信网络在面向大众消费者提供服务的时代,其他网络特征并不被用户所明显感知。但当通信网络要面向万物提供连接服务时,每一个特征指标都会成为网络服务的重要内容。事实上,对于网络能力的描述有多达十几个指标。

网络传输速率(Throughput只是表明一个网络可以多快地传输数据。这就如同说明汽车在一条道路上可以多快地行驶一样,这个速率往往与路面、路型、环境条件、道路设施等有直接的关系。

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图 2-2 描述网络能力特征的参数列表

而除了传输速率之外,网络的带宽(Bandwidth)也同样是一个重要的网络特征指标。一条道路的路面设计可以满足速率为100km/h的需求,并不意味着所有的车辆都能在这条道路上达到这个速率。因为,这条道路   上会有限高、限重、限宽的路段,这些因素就会限制某些车辆在道路上的   行驶。网络带宽就如同这样的指标,你必须提高网络对于超高、超重、超   宽的支撑能力,才能使得更大型的车辆能够在道路上自由行驶。第一代移   动通信系统的信道带宽只有 2.5kHz,它的网络就只能传输窄带的语音信号。而 5G网络想要平滑传输8K 的高清视频信号,那么网络带宽就至少需要达到百兆。


设备能耗(EnergyConsumption)也是一个网络特征指标。如果一个网络传输信号的过程,需要接收设备和发射设备做大量相关工作,那么设备自然就需要消耗大量能量。对于大众消费者使用的手机而言,这可能并不是什么大问题,大不了就准备个充电宝。但是对于长期安置在野外工作的物联网设备而言,每一点能量都是弥足珍贵的。设备的能耗对于这些场景而言就是对于网络服务最重要的需求。由于物联网设备大部分的能耗来自通信,所以,物联网设备除了自身的设计需要尽量节能之外,还需要网络尽量精简不必要的通信内容,使得物联网设备以最精简、最经济的方式得到指令和传送数据。


移动通信能力(Mobility)也是同样关键的网络特征指标。它描述着移动通信设备与通信网络之间可以在多快的相对运动速度中仍能保持良好的通信能力。记得WiMAX吗,它的静态传输速率可以达到100Mbit/s,  但只要通信设备高速运动起来,这个指标就会陡然下降。对于高速运动的 汽车、地铁、火车、轮船、飞机等场景而言,这个指标就是非常关键的特征指标。

                                                                                                                                                       

网络的覆盖范围(Coverage)说明了一个基站可以覆盖多大的范围,如果是在一个开阔的区域,如森林、河流、沙漠等做大面积的监测,我们当然希望基站覆盖面积越大越好,这样可以节约大量的投资。而网络的覆盖能力直接取决于网络通信所采用的频率、所使用的无线接入技术等。


网络的连接密度(Connectivity   Density)说明了在给定区域之内可以同时连接多少设备。在仓储、加工车间、货运码头等设备密集区域,设备数量动辄上万。如果需要每个设备都可以连接到网络且不相互干扰,就需要网络能够提供密集的连接能力,这需要无线信号、基站、天线等各方面技术的协同配合。


网络的传输可靠性(Reliability)是关键性任务系统最核心的网络特   征指标。关键性任务系统的每一次通信都非常重要,传输的数据必须要准确及时到达目的地。网络环境干扰甚至传输线路故障等都不能成为传输失败的理由,这时就必须将网络的资源聚焦于对传输质量的保障。


网络的传输时延(Latency)对于那些需要快速反应的系统来说是至    关重要的网络特征,如自动驾驶。一辆高速行驶的汽车必须在秒级,甚至   毫秒级内完成识别、决策、操作的过程。网络时延如果太大,结果不堪设想。即便是一些日常娱乐场景,如云游戏等,如果网络时延过大也会使得游戏的用户体验大打折扣。


通过以上所列的部分网络特征,我们可以看到构建一个网络实际上有很多参数。在万物互联的场景中每一个参数都可能是某些特定场景被重点关注的需求。在这种情况下,网络的建设方式就会发生变化。4G时代,网络只需要服务手机终端,所以运营商可以建设一个性能和功能都一致的连续网络,只要网络能够全面覆盖用户群体,网络的价值就能得以充分实现。但在   5G  时代,网络需要应对万物的需求,而万物的需求又各有不同,网络就必须有能力千变万化来满足不同需求,这岂能是一个传输速率就可以囊括的?这就是为什么说仅仅通过传输速率去理解 5G网络是一个很大的偏差。事实上,在很多物联网的场景下,我们根本不会去追求5G网络的传输速率超过 4G网络。


也许,有读者此时会想到,那我们为什么不设计一个完美网络,让所有这些网络特征指标都达到最大?如同一位“多边形战士”(见图2-3),这样不就可以应对万物互联在任何场景下的任何需求而不用纠结了吗。

 

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图 2-3完备的网络能力蛛网图

 

这个想法是一个美好的理想。但是,从技术上这是做不到的。因为,很多的网络特征指标相互之间是非此即彼的排斥关系,你想要很高的传输可靠性,必定需要更多的网络资源进行保障,那么有效信息的传输速率就必然会降低,网络能量消耗也必然会提高。你如果想要提高传输带宽,就必然会导致网络覆盖范围的降低。在任何给定的服务场景下,你只能对于网络性能进行取舍,无法兼得。

多边形战士既是无法实现的,同时也是没有必要的。因为,网络的应用场景通常是非常聚焦的,比如一个远程抄表的物联网设备每天只传输十几个字节,它只关心电池能持续多长时间,你根本不需要在建网时考虑为它提供200MHz的传送高清视频的带宽能力;一个点对点的固定无线传输链路,只需要考虑网络传输速率和稳定性,也没有必要为满足百万级设备连接能力而建设多余的内容。如果,每个场景都提供“多边形战士” 式的网络能力,就会意味着整个网络存在着大量根本不必要的网络能力,也就意味着大量根本不必要的网络建设成本、运维成本以及网络设备的能量消耗,这些成本必定最终会附加到每一个用户身上。这显然并不是符合商业规律的明智选择,也必定不会成为网络建设的实际方式。

所以,5G   面对万物互联的需求,必须构建一种灵活满足不同网络特征需求的能力,并以这种能力为基础的前提下,全面提升网络的各项特征指标。表 2-1所示就是5G 通信技术的设计之初,对于这些网络特征指标

的目标性定义。

 

2-1   5G网络关键特征指标

 

网络传输频率带宽

400MHz

网络数据传输速率

20Gbit/s

网络通信可支撑移动速度

500km/h

网络设备连接密度

106/km2

无线通信密度

1000Mbit/m2

网络传输端到端时延

1ms

网络传输数据丢包率

0.001%

小型物联网设备电池寿命

10 年以上

 

如我们上文提及,这些网络特征指标意味着 5G网络技术可以在这些维度上满足用户的需求,但并不意味着用户在需求场景下可以同时全部获得这些网络能力。事实上,为了把这些网络特征指标能够和实际应用场景联系起来,3GPP工作组构建了3个典型的 5G网络未来应用场景。

这 三 大 应 用 场 景 分 别 是 增 强 型 移 动 宽 带(EnhancedMobileBroadBand,eMBB), 大 规 模 机 器 通 信(MassiveMachineTypeCommunications,mMTC)以及超高可靠低时延通信(UltraReliability andLowLatencyCommunications,uRLLC)(见图 2-4)。必须提醒读者注意的是,eMBB、mMTC、uRLLC只是5G对于3个典型应用场景的描述,并不是所有的应用场景。5G  的应用场景林林总总,是不可能用 3个场景就能囊括的。同时,也不应混淆5G的应用场景与支撑技术,eMBB、mMTC和 uRLLC并不代表任何特定的5G技术。实际上,实现任何一个场景都需要很多层面的技术联合运作才能达成。

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图 2-45G网络的典型应用场景

 

正是因为 5G 对于前文所述的每一项网络特征指标都需要有完整的且相互关联的技术体系支撑,所以 5G 的技术体系内容就会更加繁杂,这也是为什么理解 5G 相比于以往任何的通信技术都更加困难的原因。下面的章节,我们就对于 5G 之中的关键技术进行一一解释和剖析,这可以帮助我们理解 5G是什么。


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