移动通信技术从最早的模拟通信技术开始,到现在已经经历了5代通信技术的发展。目前被大家所提及的5G的全称为第五代移动电话行动通信标准,也称为第五代移动通信技术(The Fifth Generation Mobile Communication Technology)。
1G网络开启了模拟语音通信时代。早年的“大哥大”使用的就是以模拟技术为基础的移动无线网络。“大哥大”最早是由美国摩托罗拉公司的工程师发明的,摩托罗托公司作为移动通信的先驱者,一直引领移动通信的发展,直至2G数字通信时代。
2G数字通信时代与模拟语音通信时代相比,具有更高的传输速度、更好的抗干扰能力,不仅能够提供语音通信,而且能够提供短消息业务(SMS)、多媒体消息业务(MMS)、无线应用协议(WAP)等。在2G时代,欧盟提出了GSM(Global System for Mobile Communications,全球移动通信系统),并开始在全球范围内进行大规模的推广,最后GSM拥有全球第一市场占有率,远远超过摩托罗拉的CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)技术。虽然CDMA技术相对于GSM技术能够容纳更多的移动终端,但是其起步晚、市场规模小,最终GSM成为市场占有率全球领先的技术。在2G时代,诺基亚成为行业新的领头羊。
随着用户对数据业务需求的不断增多,2G网络开始向3G网络变迁。除了提供2G网络能够提供的多项服务以外,3G网络重点提高了网络速度。基于新的网络体系,移动高速网得到了广泛发展,移动上网成为可能,音视频等数据得以高速传输。随着智能手机的出现特别是iPhone的出现,3G网络的优势充分地体现出来。用户在生活中开始使用移动QQ、微博、高德导航等各种APP,这些APP为生活带来了极大的便利。在3G网络的争夺战中,中国移动通信集团有限公司(以下简称中国移动)制定的TD-SCDMA与欧盟的WCDMA和美国的CDMA2000一同争夺市场。
4G网络是在3G网络上的一次更好的改良,4G网络的速度可以达到100Mbit/s,能够更好地传输图像和视频。在4G网络的支持下,短视频APP、在线影院、直播平台快速发展起来,成为创新增长点。微信等即时通信软件所具备的视频通信功能给众多用户带来了可视的通信,快手、抖音等短视频软件给用户带来了新的娱乐模式,斗鱼、虎牙、YY等直播平台给用户带来了新的生活模式。中国的4G采用了自己的标准TD-LTE(Time Division Long Term Evolution,分时长期演进),覆盖了全中国10多亿人口,成为全球规模最大的4G网络之一。
5G网络的发展不同于之前,5G网络诞生之初即针对行业应用做了设计。1G到4G通信技术基本是在移动宽带方面做改变,用户在使用时感觉网络速度越来越快,越来越稳定;而5G网络在4G网络的基础上增加了网络低时延、高可靠性、低功耗等特点。5G网络相较于4G网络,不仅网络峰值速率达到了每秒数十吉比特,而且时延也降低到了1ms,可靠性提高到了99.99%,实现了每平方千米百万级设备的连接密度,这些都是4G网络无法实现的。
5G在设计之初就考虑了其主要业务的应用场景,分别是增强型移动宽带(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、超可靠低时延通信(Ultra-Reliable and Low-Latency Communication, URLLC)和大规模机器类型通信(Massive Machine Type Communication, mMTC)。5G带给用户的除了高速的网络以外,还有更可靠的网络和更大规模的连接。
5G的增强型移动宽带主要应用于网络的覆盖,保障移动网络能够满足用户基本的移动性网络需要,让用户在任何地点、任何时间都可以使用稳定、高速的网络。除此之外,在一些特殊的地点,用户可以获得超高速数据传输网络,可以使用每秒数十吉比特的峰值速率来传输大量数据。5G将网络速度从100Mbit/s提高到了10Gbit/s,之前4G网络需要下载很久的视频文件在5G网络中只需花费几秒钟就可下载完成,满足了用户对4K(即4K分辨率,属于超高清分辨率)甚至是8K电影的需求。同时5G网络具有更大的网络承载能力,可以连接更多的移动设备,在保证网络中有大量移动设备的同时仍可以提供高速带宽支持。
5G的超可靠低时延通信主要是指移动网络的延迟小于1ms,其主要用于满足对于时延要求比较高的应用,例如远程操作、自动驾驶、远程手术等。使用5G网络将再也不用担心画面卡顿的问题,可以完全准确地进行操作。以远程驾驶为例,驾驶人要能安全快速地驾驶车辆,必须对网络的时延有极高的要求,不能因为网络的时延导致无法及时控制汽车而出现事故。4G网络的时延完全不能够满足远程驾驶的要求,只有5G网络才能提供足够低的时延,从而保障远程驾驶的安全性。
5G的大规模机器类型通信主要应用于物联网,主要面对以信息采集为目标的设备应用,例如环境监测、森林防火、仓库管理、物流流通等。这些设备应用终端数量众多,在有限的范围内大量分布,需要网络能够在很小的范围内大量接入并传输数据。5G网络每平方千米的最大连接数目是4G网络的10倍。在5G网络覆盖下,每平方千米可以有100万台设备同时在线并高速传输数据,可以实现物与物、物与人之间的连接,连接的设备将呈指数级增长,为物联网提供基本条件。
5G从设计之初就考虑了差异化收费,大规模机器类型通信和超可靠低时延通信场景将针对不同的应用收取不同的费用。目前5G网络运营商已经实现了增强型移动宽带的基础场景,在该场景下,用户可以使用快速的网络,大多数应用不会发生本质的改变。早在3G网络普及不久时,腾讯和网络运营商就曾在流量费用方面存在分歧。当时腾讯QQ被大量手机用户使用,网络运营商发现使用腾讯QQ的手机用户占用了大量的移动网络资源,可运营商收到的流量费却与资源占用情况不成正比,主要原因就是腾讯QQ使用了移动网络中免费的信令通道来确认用户的在线状态,再加上使用腾讯QQ的手机用户太多,导致基站负担太大。因此从那时起网络运营商就希望可以根据不同的应用进行流量分级并收取不同的费用。到了5G时代,网络运营商可以根据不同的应用划分不同的网络,为不同的场景提供服务,例如为远程驾驶、工业控制、虚拟现实/增强现实(VR/AR)提供低时延高可靠的网络,同时也提高相应的网络使用费用;对于物联网上使用的大量传感器,提供大容量延迟较长网络和相对较低的网络使用费用;对于普通的5G移动客户端用户,根据速度要求可以提供不同的网络速度以及相对应的网络使用费用等。
5G网络采用了大量的新技术,具有高传输速度、低功耗、低时延、万物互联、安全可靠等特点。这些特点将改变现有的商业模式,并为新的商业模式注入新的活力。
5G所具有的传输速度约是4G网络的10倍,也是目前运营商首先实现的应用场景。随着移动网络速度的加快,很多之前受限于网络速度而无法实现的想法现在都能够落地,从而带来商业模式和业务模式的变化。5G所具有的高传输速度将会如同当年的4G网络一样给用户再次带来大量的爆款应用,将更进一步地提高社会效率,增强用户之间的沟通。以4K直播为例,在大型的体育赛事、演唱会等活动中,用户对画质和临场感都有很高的需求,同时还需要能够看到实时现场状况。原有的4G网络无法满足4K超高清视频的实时直录回传,而5G网络则可以将4K摄像机拍摄的IP数据流直接编码后发送给5G基站,再通过核心网进行分发,从而实现4K超高清视频的实时直播。2019年10月1日,在庆祝中华人民共和国成立70周年阅兵式上,华为使用5G网络和5G设备首次完成了对阅兵式的4K超高清直播,并将直播信号引入电影院线。
5G网络的低功耗将解决物联网应用中的某些关键问题,为物联网建立网络基础。物联网的建立需要有一个以低功耗通信为基础的网络环境,没有低功耗的通信环境,物联网上的传感器就面临着需要配置有线电源及后期人力物力维护等问题,过高的成本将阻碍物联网的发展。5G的低功耗特性使大量的物联网应用使用电池即可方便部署,同时又能保证数据的实时传输,通过收集和分析数据,形成强大的服务能力。
5G网络的低时延是指在5G网络中设备之间传输信息所需要的时间很低,能够达到1ms。5G的低时延可以确保工业控制、远程驾驶、远程手术等应用的正常操作,而4G网络的时延高达几十毫秒是无法满足精准控制要求的。以远程驾驶为例,使用5G的远程驾驶技术将把驾驶人和汽车运输分离开来,可以让驾驶人在指定的地点远程控制运输车辆进行运输。5G网络能确保驾驶人的操作和远程车辆的动作是同步的,驾驶人怎么操作,汽车就会怎么行驶。5G网络的低时延不仅是通过网络技术的更新来实现的,还综合使用了边缘计算、网络智能化等技术。在5G网络中人们一改之前处理数据的模式:之前基站只是作为一个信息接收中心,在接收到数据后,将这些数据上传到服务器中心进行处理,处理后的结果再通过基站回传给用户;但是在5G网络中,基站将不仅是信息的接收中心,而且也是数据处理和存储中心,基站直接处理数据并将结果返回给用户,这将大大节省网络传输时间,确保5G网络的低时延。
5G网络为万物互联提供了网络基础。在3G和4G网络时代,移动网络传输的数据主要是人与人之间的数据。随着物联网的发展,移动网络中机器与机器之间的数据流将会越来越多,预计到2025年,移动通信终端接入数目将达到100亿。从手机、计算机、电视、空气净化器、空调、冰箱、智能手环、智能手表、智能跑鞋等家用设备,到汽车、火车、无人机等都将接入网络,成为智能管理的一个终端,帮助人们更加高效、更加便利地工作与生活。5G网络将突破通信设备数量的限制,不仅能够满足人与人之间的通信要求,也能够满足各种设备和产品加入网络的需要,实现物联网的万物互联。
5G网络将重建网络信息安全机制。传统互联网的主要业务是信息传输、游戏等内容,但是随着互联网的发展,业务模式发生了巨大的改变,很多软件随着移动互联网的出现先后被开发出来,融入人们的生活中。导航软件、外卖软件、短视频软件、购物软件等都深入人们的生活,发挥着重要作用,不再是可有可无的软件应用。截至2021年6月,中国移动、中国联合网络通信集团有限公司(以下简称中国联通)和中国电信集团有限公司(以下简称中国电信)三家基础电信企业的移动电话用户总数已达16.14亿户,网络安全已经开始影响到每一个人。5G网络面临的安全问题将更加复杂,因为5G网络不仅具有传统移动网络的人与人之间的通信功能,还实现了万物互联,所有的设备终端都连接在5G网络上,如果没有一个安全的网络机制就会造成灾难性的后果。5G将会使用数字链路加密、网络切片等技术手段重新建立网络信息安全机制。
每一代通信网络的进步都是基于新技术,而每次新技术的进步又推动了通信网络的发展。5G网络正是采用了诸多新技术,才具有了远超4G网络的性能优势。
由于受到资金、人力、物力等因素的限制,5G网络的出现并不会马上使4G网络淘汰,4G网络将和5G网络并存很长一段时间。在并存的这段时间里,5G网络的部署需要最大限度地考虑到原有4G网络,充分利用现有的4G网络资源。在现有条件下,5G网络部署要从与4G网络混合组网开始,逐步过渡到独立组网(Standalone, SA)。
现有的4G网络如果直接升级到5G网络,会造成巨大的资源浪费,也会给运营商带来巨大的资金压力,毕竟4G网络的投资还没有收回就要开始投资5G了。所以在5G的建设中提出了非独立组网(No-Standalone, NSA)的概念,也就是说使用现有的4G核心网络传输网络数据,但是采用5G接入设备接入5G的终端。
在5G网络建设初期,非独立组网可以为用户提供高带宽和更可靠的网络质量,用户可以感觉到在使用网络时,网络速度明显变快。使用非独立组网时,5G基站只负责通过5G频段和用户进行数据交互,所以5G的其他特性(如网络切片、全业务低时延等特性)必须使用5G独立组网才能够实现。5G独立组网需要使用全新的网络单元、网络接口、网络虚拟化等新技术的5G核心网,再配合使用5G基站,才能实现真正的5G网络。
非独立组网和独立组网各有优缺点。非独立组网的优势就是投资少、见效快,可以很快地在现有4G核心网上使用5G网络,为终端用户提供快速稳定的网络接入。但是非独立组网也有缺点:由于只采用了5G的基站,所以用户只能享受到增强型移动宽带场景的应用;由于采用4G核心网,因此在遇到高密度终端环境突发数据请求时,用户体验并不比4G网络好;非独立组网向独立组网转变时还要投资,并且混合网络管理更为复杂。
独立组网的优势是一步就可以完成5G网络的建设,避免了重复升级、重复投资,可以直接使用5G的网络切片等最新技术,网络结构简单,管理相对于混合网络而言较为容易;缺点就是初期投入大。从目前的趋势看,很多国家都是先采用非独立组网,进而再转向独立组网。
5G网络具有强大的传输能力,使用5G网络以后数据传输速度将是4G网络的10倍以上。但是仍存在一个问题,即数据通道虽增加了,计算能力却依旧没有变化,还是需要在云端和终端之间来回传输大量数据,所有的计算量还是要靠云端来完成。为了解决这个问题,5G网络中增加了边缘计算这个概念。
边缘计算就是在数据源头的网络接入点就近提供拥有计算、存储、应用能力的开放平台,在该平台上完成数据计算、数据存储、安全保护等功能,从而降低网络的时延。边缘计算可以根据不同的需求,建立具有低功耗、高性能的网络服务的小型基站,也可以建立大型数据处理中心以满足高强度计算要求,边缘计算节点可以随着业务需求来分布。
在4G网络中,所有的业务都享受一样的服务,使用一样的网络,而在5G网络中可以使用网络切片技术,根据不同的需求提供不同的服务。
要在同一个网络中同时支持不同的需求场景,就要根据业务需要对网络进行不同的配置,确保通过不同的网络路径和单元模块完成不同的应用数据的传输。网络切片技术可根据不同的应用场景,设置不同的网络速度、网络时延、网络管理。例如,在自动驾驶这种对于网络环境要求很高的场景中,5G网络就需要确保网络传输速度快、时延低、通量大、边缘计算能力强;在森林防火等对传感器的网络要求高的场景中,5G网络就需要满足小数据量传输、低功耗等要求。
网络切片技术实际上是将一个物理网络通过软件控制来人为地划分成多个虚拟网络,每个虚拟网络应用于不同的业务场景。网络切片技术为运营商差异化经营提供了技术手段,使运营商可以根据不同的需求收取不同的费用,确保了运营商可以作为合作伙伴而不仅是网络通道提供商,参与到5G新应用的开发和研究中。
要在5G网络上使用切片技术,首先要能够使用软件来控制网络上不同的单元模块。这里不得不提到软件定义网络(Software Defined Network, SDN)和网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization,NFV),网络切片功能主要就是通过软件定义网络和网络功能虚拟化来实现的。
软件定义网络的主要功能是通过软件操作来重新规划数据的传输路径,相当于在一个实体网络中,用软件功能单独划出一个虚拟的网络来传输特定数据。网络功能虚拟化技术则是从根本上将原来基于硬件的解决方案转为更开放的基于软件的解决方案。最典型的例子就是在网络部署中使用软件建立虚拟防火墙和虚拟路由来代替硬件防火墙、硬件路由。
软件定义网络和网络功能虚拟化联系紧密,网络功能虚拟化是软件定义网络的补充。软件定义网络主要侧重于集中化的网络管理和控制,它与网络功能虚拟化架构相结合,可以更好地优化网络服务,提高网络工作效率,提升网络整体快捷程度。
网络功能虚拟化架构使用信息行业思维对通信行业进行了一场变革,它使用通用化IT设备来管理电信网络,彻底打破了通信行业硬件设备的壁垒;软件定义网络技术则将控制技术和数据传输技术进行了分离,将计算机网络技术引入了电信网络。未来,更多的计算机领域专家将从事5G网络相关研究,信息行业和通信行业的结合必将带来新的机遇,对经济的发展将起到不可估量的推动作用。
中国于2020年11月发表的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中提出,加快5G规模化部署。5G网络存在的意义不同于4G网络。4G网络基本上满足了用户对于打电话、发信息、看视频的需求,现有的APP也在很大程度上满足了用户的日常需要,用户已经很难感受到在利用移动通信网络服务时受到制约的现象。用户对于5G的需求并不强烈,5G网络存在的真正意义是和各行各业融合起来,实现企业和社会的数字转换。
在5G网络时代,网络运营商已经做好了同其他行业企业联手开发新应用的准备。网络运营商利用网络切片、边缘计算等技术摆脱了其在4G时代的单一网络运营商的角色。
2019年7月,万达电影与中国移动咪咕公司签署战略合作协议,双方将在超高清视频、内容生产、衍生品开发等方面展开共同探索,推动5G超高清视频内容、沉浸式影院体验落地。
2019年10月25日,北京联通和中国移动共建“5G/IPV9电影网络发行应用”。北京联通的5G网络和中国移动苏州公司的5G网络已经通过在北京邮电大学的IPV9光纤路由骨干节点和IPV9全国骨干光缆网直接连接,并在2019年5月21日成功进行了世界上第一次以端到端500Mbit/s到1000Mbit/s的速度,在IPV9全国骨干网络+5G本地接入/5G核心网络上,开展数字电影节目网络发行工作,使中国电影全国网络发行在全球率先进入了“一小时”新时代,接着还将继续开展以IPV9通信地址为中心的影院智慧化工作。
2020年8月7日,河南奥斯卡电影院线与中国联通郑州分公司在郑州奥斯卡汇金影城签署“奥斯卡5G影院战略合作协议”,未来河南奥斯卡电影院线将与中国联通郑州分公司进行5G技术在电影行业运用方面的深度联合开发,将5G新技术应用在电影发行、放映和宣发等环节,对传统模式进行智能化升级,利用5G网络高带宽、广连接等特性,让更多智能硬件应用在电影行业的方方面面。
未来影院在5G新技术的加持下,将大量地使用人工智能设备,传统的巡查、检票、零售等将无人化,除此之外,影院也将一改传统经营模式,将直播、电竞、游戏、虚拟现实等应用场景引入影院里,进一步丰富影院内容,全面提升消费者的观影、休闲、购物体验。
电影行业已经张开怀抱拥抱新技术,力图将5G技术融入电影行业的方方面面,如融资、拍摄、制作、宣发、放映、衍生品等,以实现电影行业的快速发展。