5G将扩大到产业互联网和社会应用

邬贺铨

如今，5G已经向我们走来，中国的规划是2020年，5G至少要启动商用。从1G到4G主要是面向个人的通信，5G扩大到产业互联网和社会城市应用，有三大应用场景：一是增强移动宽带，二是超可靠低时延，三是支撑移动互联网和产业互联网的发展。

5G速率提升需要从四个方面着手

怎么做到5G速率提升？通信领域有一个香农定理，5G速率需要从移动网络的容量、用户带宽，天线数以及基站四个方面来提升。

一年来，靠物理层面技术的改进移动通信容量提升了5倍。其中，更多提升是依靠小区分裂，一般城市的蜂窝半径也就300米左右，随着小区数的增加，整个网络容量提升了。所以5G的无线接口的技术是四大方向，在物理层，增加可以接入的频率，甚至可以拓展到毫米波，增加带宽。另外基站使用大规模天线，增加天线数。

另外，小区分裂，把小区越做越小，不是你想做多少就做多少，需要强大的计算能力支撑。如果小区进一步做小，互相之间有干扰，所以选址很难，另外功率加大运营成本会相应提高，所以在5G领域需要使用分层异构组网。虽然微基站功率比较低，支持大带宽的需求应用，但实际上还会出现挑战。微基站功率比较低，半径也比较小，高速移动用户在移动的时候，短时间内会跃过很多基站，导致切换频繁，影响体验。另外，互相靠得太近，干扰太大，也要求协调能力的提升。

未来控制面和数据面分离，所谓控制面是信令，哪怕开车在很多小基站中穿来穿去没有切换，在信令不够的情况下，只是用户数据之间切换就可以。

另外，小区分得很多，不能靠小区独立管理，需要分群，所以未来会出现无定型小区。比如某个移动用户，他的上下型的用户数据是走微基站，而且传统的移动通信，无论信令和用户数据都在同一个蜂窝小区，上行数据和下行数据都在同一个蜂窝小区。而5G，信令和用户数据不一样，上行和下行可能走得不一样，这样可以具备更好的适配能力，实现控制面和用户面分离。

与此同时，信令的控制是大网，用户数据是小网，上下行分离，打出去的电话、上网的数据和你接收到的数据走的不一定是一条路，哪一个地方最优化走哪一条，判断指挥协调也需要大量的计算能力，将来整个移动通信需要用云，在接入端负责几个微基站的协调，有转发云，实现各种转码，还要控制云，在整个控制面实现资源的调配。

5G网络需要集中处理和细致划分

未来5G的出现不会这么快去掉4G、3G甚至2G，包括WiFi也照样存在。实际上我们面临的是异构的网络，如何在网络中恰当地利用控制体系资源需要整个网络体系优化，现在云计算有很多，我们希望利用云计算实现集约型的控制。

现在面临的问题是，一些高速的宽带业务都要上云，需要占用干线网的资源，而且上到云要时延，不适用于虚拟现实、增强现实，远程医疗这些都要求响应地快，所以不是什么资源都上到云最好，IBM提出了物计算，把云计算能力下沉一些。5G的出现把这些能力进一步的下沉，如今出现的霾计算，比雾更厉害，原来基站没有计算能力，未来5G基站需要有计算能力。

比如北京晚上打电话很多，整个移动蜂窝存在潮汐效应，忙闲不均。每个蜂窝是无限的，通过集中的处理，可以实现资源的优化利用。

过去移动通讯2G到3G是多层次的。在4G的时候希望简化，所以一下子上到1PC，是增强演进的分组核心。后来发现，要把基站集中处理，分出BBU。5G需要进一步的划分，基站处理分为分布单元和集中单元，分布单元落在小基站，集中单元是属于多个小基站共享。所以移动通信的架构在不断的变化，促使整个体系的发展。

可以看到移动通信本身无限接口到整个交换机有传输系统，我们称之为回传，5G和4G有同步的時延等严格的要求。

通过多天线可以提升容量，本来移动通信本身不需要单向的传播，可以根据多径传播，通过多天线我们可以知道每个传来的时延怎么样，在基站对数据进行处理，把干扰变成有用信号。

原来是多天线服务一个用户，现在5G的多天线是一根天线服务用户，5G商用试验128根，未来一个基站是256根。理论上这些天线之间只要互相之间没有干扰就可以实现容量成比例地增长。

5G的多种业务需要网络软件化来处理

5G有高速宽带业务、大连接的传感器业务、时延方面的业务，这些业务的需求不一样，我们的网络怎么适应这些不同的业务需求？从逻辑上讲，根据不同业务调配不同资源，满足不同业务对网络的要求，我们称之为网络软件化。

比如我们要增强移动宽带，有大连接，有低延时业务和其他业务，本来网上是一条路，不分业务的类型，现在分离出来，不同业务走不同路径，实现资源的优化和针对性地提供有质量的保证服务。

另外，在传统的路由器上，我们有节点控制功能和转发功能，根据对等路径优先查出路径，不考虑传网的优化。随着大数据的出现，流量的分布是有不确定性的，所以希望通过软件定义网络把节点和应用层抽出来，实现网络的集中控制，把无连接的业务按照连接来控制，从而针对全局进行优化。

另外过去做网络交换机是专用的硬件专用软件，路由器是专用硬件专用软件，网关也是如此。现在底部硬件是一样的，另外只是软件有所不一样而已，这称之为软件NFV虚拟化，通过这样的方式使网络备案比较灵活，适应调配的需要。当然过去IP是来一个包发一个包，尽管一个视频可能有很多的IP包，但是这些IP包都会独立地处理，没有看成是一个视频，这样的好处是比较灵活，但是缺点是时间比较长。

现在新的SDN，Openflow结构改变了，后面的IP包如果属于同一流就走同一个路，具有二层、三层包括TCP层的处理能力。过去都是路由器处理IP包，一旦到路由器层面处理是毫秒级，到交换机层面是处理桢，现在处理时延可以缩小毫秒亿级，实现资源的调配。

过去4G网络组织是以网源划分，包括接入、网关以及计费功能、移动性管理功能等等，在每个网源里面都拥有多种能力，移动性管理也和网关都有各种功能，每一个网源的功能从大的方面有两个：控制面和用户面。两者集中在同一个网源，现在到了5G，改成横向划分，不按网关分，实现了控制面和用户面的分离。

未来5G的功能就像APP一样，挂了很多APP，你需要调动什么功能就调配这个APP，把移动端当成手机终端一样，把所有的能力当成APP的调用，所以未来5G网络既实现控制与传输的分离，也实现业务的灵活的调配。

现在的手机能力越来越强了，手机和PC机已经没有什么区别，iPad的能力超过了美国国防部1985年的超级计算机，华为最近发布了移动AI平台的麒麟970，一个平方厘米有55亿个晶体管。PC的操作系统是数千万行代码，而智能手机操作系统也有上百万的代码，苹果手机尺寸功耗时间更大的能力提升是靠软件服务，很多时候很多软件不一定装在手机上，更多是利用云端的能力丰富手机的能力，让我们为用户提供完美的体验。endprint