什么是5G?第一部分 - 演变和下一代

Harald Remmert Harald Remmert, CTO, Cellular Solutions , Digi International
2019年8月13日
欢迎来到我们关于5G的系列谈话。5G是下一代网络技术,有望以指数级的高带宽和低延迟来支持物联网(IoT )中大量的消费者和商业应用。对于那些开发数据密集型应用的人来说,了解5G的部署时间和方式非常重要。

在这篇文章中,Digi产品副总裁Scott Nelson再次采访Digi工程总监Harald Remmert。什么是5G?"这个话题发展成两个相关的对话。这篇文章,第一部分,涵盖了导致5G的网络世代的演变。第2部分涵盖了5G在消费者市场的采用情况和IoT 。

如果你错过了,请务必查看我们的5G系列的第一篇博客,《深入5G的迷雾》。

什么是5G,"G "是如何演变的?

斯科特:在这次谈话中,我们回顾了过去和现在的技术,这些技术导致了我们今天的成就,以及市场在5G网络方面的走向。蜂窝技术继续发展,并朝着全面采用5G的方向发展,但这需要一些时间,因为网络建设是一个漫长的、耗时的和昂贵的过程。

在Digi International,我们的业务是为商业IoT 和工业物联网(或IIoT)开发支持技术,这与消费者市场的任务是不同的。我与Harald的谈话反映了5G将如何在这些独立的道路上使用和发展。

从头开始--第一个 "G "是什么?

斯科特:所以,哈拉尔德,今天很多人都在问这个问题。什么是5G?让我们在G背景下讨论一下5G。也许你可以从头开始,把我们一直带到5G,这样我们就能理解它是什么。

哈拉尔德。当然,从第一代开始,即1G。那是在80年代,采用模拟技术,然后发展到2G,这是第一个数字GSM技术,还有CDMA,1xRTT。所以,当时有两种相互竞争的技术,在世界的一些地区仍然存在。

斯科特:你能为读者拼出GSM和CDMA这样的首字母缩写吗?

哈拉尔德。是的。GSM是全球移动系统的缩写,CDMA是码分多址的缩写,这是一种竞争性的手机技术。

斯科特:AT&T采用GSM,Verizon采用CDMA,对吗?

哈拉尔德。对,大多数手机世界都采用了GSM四代。Verizon和Sprint则采用CDMA。

斯科特:高通公司拥有CDMA,不是吗?

哈拉尔德。这是正确的。不要与Wide CDMA或WCDMA混淆,后者是后来用于3G的技术,而且几乎是由所有各方共同使用的。

斯科特:所有各方?那么,我们是在2G,然后...

哈拉尔德。是的,2G。而最初,1G和2G主要是由手机驱动的。所以,能够通过电话进行通信。2G也提供非常低速的数据通信,但这在当时更多的是为爱好者服务。

斯科特:发短信最早是在2G时代实现的吗?

哈拉尔德。这是正确的,然后也是非常慢的数据通信,也是9600波特,所以速度非常非常低。

斯科特:我们仍然有客户使用我们以前的2G产品,对吗?而他们因为即将到来的网络关闭而不得不转移?

哈拉尔德。是的,我们正在帮助他们从2G和3G技术过渡到4G LTE及以后。

斯科特:虽然没有这样的标签,但2G在当时实际上是一种IoT 技术?

哈拉尔德。绝对的。我记得在2000年代中期,Digi推出了第一批带有2G调制解调器的蜂窝式路由器之一。当时,调制解调器超级昂贵,而且相当大。从那时起,成本下降了,而且尺寸也大大缩小了。

斯科特:好的,那么,回到3G。

哈拉尔德。3G主要还是由手机推动的,它确实是第一种具有合理数据速度的技术,达到兆比特/秒的范围。它从1兆左右开始,在高峰期达到30到40兆/秒。这对智能手机上的各种应用以及IoT 生态系统来说都是非常快的。然后,在3G和4G之间有一个临时的踏脚石。一些运营商称其为3.5G,其他运营商则称其为4G。因此,这个3.5G或最初的4G非LTE几乎是3G技术的高速变体。

斯科特:像3G+?

哈拉尔德。是的,3G+。这是HSPA,即高速分组接入的意思。这是同样的技术或同一代技术,但有一点营销上的变化。

什么是网络技术中的一代?

斯科特:换个角度,当我们谈论这些技术时,让我们谈谈什么是一代人的定义。人们如何知道自己何时真正从一个时代进入了另一个时代?

哈拉尔德.国际电信联盟(ITU)及其合作伙伴确定了未来移动通信系统的要求和时间表。然后,第三代合作伙伴项目(3GPP)将这些要求和编写的规范捆绑在一系列的版本中。大约每隔十年,国际电联就会定义一个新的世代,以反映技术进步和服务于应用和行业需求。

例如,实施ITU对IMT-Advanced移动通信系统要求的第一个4G LTE版本是第8版(2008年)。 这个版本之后有几个版本,在最初的版本基础上,提供了更多的功能。 接着是5G,第一个5G版本是第15版(2018年),第16版即将在2020年初发布,第17版预计在2021年发布。

斯科特:所以换句话说,在一代人之内,移动通信系统是兼容的。但当一代人改变时,你必须升级你的硬件,对吗?

哈拉尔德。是的。

斯科特:所以CAT-M是LTE的一部分,能够部署在现有的LTE硬件上?

哈拉尔德。这是正确的。它可以通过软件更新部署在现有的LTE基础设施上。

好的所以很明显,5G将需要新的硬件。也许这就是思考问题的方式。每一代都需要网络运营商出去触摸他们所有的塔台,以安装新的硬件。

哈拉尔德。是的,没错。

斯科特:我们可以说,每隔几个版本,我们往往就会达到这个程度?

哈拉尔德。是的,这是对的。我喜欢用代际集团来思考。所以,当你考虑到这一点时,那么5G,或多或少,真的会在2020年放量,对吗?4G是在2010年才真正启动的,在这之前,3G是在2000年左右启动的。然后你可以往回数。

斯科特:这很有趣。因此,每一代人也大约是十年...

哈拉尔德。是的,大概有十年了。

斯科特:知道这一点很有意思,因为很多人都被2G-3G的关闭弄得措手不及,而他们目前操作的技术实际上已经有20年的历史。因此,他们的产品可以使用这么长时间。

哈拉尔德。所以每隔十年,我们就会有新的一代,对吗?而前几代在某种程度上是重叠的。很多时候,切换到新一代是由运营商驱动的,以重复使用,重新利用频谱。新一代产品具有更高的频谱效率,这意味着你可以在网络上更快、更有效地传输数据。随着更多的设备上线,以及用户对消费类手机和IoT 方面所要求的更快的速度,运营商别无选择,只能寻找额外的频谱,或者他们不得不基本上关闭一种技术来重新使用该技术的频谱。

关于LTE技术,猫咪和NB-IoT

斯科特:让我们回到进化的问题上,谈谈4G。对你这样的纯粹主义者来说,真正的4G是LTE,对吗?

哈拉尔德。LTE是Long-Term Evolution的缩写,这就是它真正的进化。最初的LTE设备是第三类(CAT),这意味着设备在下行链路中可以传输每秒100兆比特,上行链路中可以传输每秒50兆比特。这确实是第一个广泛采用的LTE类别。从那时起,我们有了一些其他的营销术语,使之更容易一些。LTE-Advanced是CAT 6及以上,LTE-Advanced Pro是CAT 11或12及以上,然后是5G。

斯科特:LTE实际上包含CAT-1、CAT-M和NB-IoT 版本,对吗?

哈拉尔德。这是正确的,是的。有趣的是CAT-1也是很早就定义的。所以这是在3GPP第8版中,但直到很晚才被部署,因为LTE最初的主要用例仍然是电话。但后来,生态系统发现,嘿,我们需要一个更便宜的无线电。而对于一些曾经在2G速度下运行良好的应用,甚至是3G速度,100兆比特是过剩的。因此,我们需要找到一种方法来提供一个更具成本效益的解决方案,以吸引更多的产品。在这一点上,真正的技术角色分成了高速路径和低端路径。CAT1是第一个,然后在后来的版本中,CAT-M和NB-IoT 。

斯科特:这些网络,我们在Digi称之为IoT ,或端到端网络,其特点是数据速率低得多,功率也低得多,因此它们适合于没有太多话语权的机器,而且从功率和管理的角度来看,它们更容易。

哈拉尔德。是的。特别是在电池寿命方面的电源。因此,这些是可以用电池操作的设备,并且可以运行很长一段时间,所以是几年。

什么是5G?它将如何部署?

斯科特:好了,现在,把我们带回家。什么是5G?所以5G是下一代。它有什么新特点?它是什么?

哈拉尔德。这是下一代。前几代人最初关注的是速度,所以2G、3G、4G LTE,然后在LTE内部我们也开始看到多样化,以支持大量的设备,IoT 。现在,5G是第五代,这为它增加了另一个维度,即更低的延迟。因此,它将其他维度扩展到更高的速度和更多的设备数量,但它也扩大了,增加了另一个维度,即更低的延迟。而这种延迟对于围绕AR/VR的新应用来说真的很关键,所以你可以戴上护目镜。

斯科特:AR是增强现实,VR是虚拟现实。

哈拉尔德。是的。车辆应用的低延迟将是至关重要的,例如在自动驾驶车辆之间以及与基础设施之间的通信。因此,降低延迟有助于满足这些通信要求,对吗?否则,如果你有一排汽车,一切都在20、30毫秒的延迟中发生,对吗?当你在第10辆车上时,对,所以你有一个非常长的延迟。

斯科特:是的,你有意外。

哈拉尔德。而且你有事故,正是如此。此外,对于IoT ,所以对于工业IoT ,这真的很有趣,因为现在你可以有一个无线的通信基础设施,可以用于工业自动化。工业自动化对时间非常敏感。

斯科特:什么是5G的工业IoT 应用的好例子。

哈拉尔德。例如,当电机或传送带需要停止时,你可以发送一个信号,对吗?这必须是瞬间的,有时甚至是个位数的毫秒计时,而5G将能够提供这种服务。现在,5G有一个新的基础设施,所以你看到新的网络核心正在与4G核心并行建设。你看到新的天线,在某些情况下,在相同的天线地点,在很多情况下,有新的天线地点。

斯科特:我的理解是,5G将更密集地部署?

哈拉尔德。这是正确的。对于运营商来说,这实际上是一个有趣的迁移。因此,最初,他们真的专注于建设4G网络和提供覆盖,然后在某些时候,他们开始换档,他们开始致力于4G LTE网络的密集化,然后他们也使用这种网络。由于他们看到5G的到来,他们做了一些前瞻性的投资,也把5G功能的技术放进去,以便他们可以使用它,更容易地翻转开关,并启动它。

斯科特:我听说,哈拉尔德,50米的平方。我在50米的网格上有节点。它真的有那么密集吗,还是只有在某些情况下才会这样?当你考虑到密度时,你的设想是什么?

哈拉尔德。所以,今天的蜂窝网络,实际上是一个网络的叠加。你有你的宏观网络上的宏观细胞。这些是在非常低的频率下运行的,它们覆盖的范围很广。在那里你可能每隔几英里就有一个信号塔,对吗?然后你有小蜂窝,所以有不同的风味,但让我们使用小蜂窝作为一个通用术语。这些小区覆盖的区域要小得多,它们的半径可以达到50米。

现在,这些小单元通常工作在更高的频率,这也是4G LTE和5G之间的一个主要区别。4G LTE通常工作在所谓的低频段,频率在1到2GHz之间,甚至低于1GHz和2GHz。所以,这些频率能很好地穿透墙壁,对吗?他们达到了。但它是一个使用量非常大的频谱。

现在越来越流行的是中频段的小电池。这是从2GHz一直到6GHz的频率范围,而从1GHz以下到6GHz的整个范围也被称为亚6。因此,当你听到5G的术语时,他们谈论亚6,他们可能会谈论毫米波(mmWave)。

5G毫米波使用的是24、28和39GHz频谱中的频率,所以频率非常非常高。频率越高,无线电波能到达的距离就越短。例如,当你听到每个灯杆上都有一个小单元或无线电时。

斯科特:所以我在你最近写的一篇文章中读到,这种密度的影响之一将是可靠性,而可靠性将上升两到三个数量级。是否不仅仅是密度的问题?基本上,你可以在同一时间连接到许多塔台。还有什么创造了可靠性?

哈拉尔德。嗯,密度的一部分显然是,你需要在范围内有一个手机塔,以便首先连接。

斯科特:所以你可以在任何时间点看到几座塔?

哈拉尔德。正是如此。如果你切换塔台,它是相当无缝的,但可能仍然有一个小的过渡时间,对吗?因此,真正有助于提高可靠性的是一种叫做协调多点(CoMP)的功能。

斯科特:好的。

哈拉尔德。在过去,每个基站基本上都是独立运行的,它们之间在无线电方面没有通信。因此,无线电每次只能连接到一个基站。有了协调的多点,它们之间就有了协调,你实际上有了连接到多个信号塔的无线电。这样,如果你突然进入一个隧道,或者有一个高层建筑,你开车进入那个范围,如果一个信号塔突然消失了,其他信号塔可以立即接收,所以没有延迟。

斯科特:对于任何曾经开车经过威斯康星州的人来说,这些都被称为塔台交接,它们往往不会发生,对吗?

哈拉尔德。对,然后你就有了一个下降。

斯科特:好的,所以对于5G,我们可以期待更低的延迟,更高的可靠性,更高的带宽,更高的频率。让我回到我认为有趣的事情上来。我是一个物理学家,所以我喜欢 "光谱 "这个词。对吗?你经常使用 "频谱 "这个词,然后我们谈论频率,6千兆赫兹,6以下和6以上。我思考频谱的方式有点像电视网络。因此,如果NBC网络只有蓝光,CBS网络只有红光,ABC网络只有绿光,他们只能在频谱的那一部分进行广播。这有助于直观地了解频谱。我必须考虑整个无线电频谱的直方图,基本上,然后我把它的大块。而你实际上是买了一大块,对吗?

哈拉尔德。是的,没错。

斯科特:那么,告诉我这是如何运作的。3GPP说,"这是将要支持这个版本的频谱部分",在这种情况下,它是从6级以下到39级,你说的是,还是29级?

哈拉尔德。第三十九个。

斯科特:三十九千兆赫兹。那么他们如何分配......我的意思是,他们拍卖,你听说过这些拍卖频谱的事情。那么,运营商是如何购买他们的各种频谱的?

哈拉尔德。一个非常好的问题。这是一个全球性的问题,对吗?国际电联每四年举办一次世界无线电会议(WRC),他们审视全球所有的频谱,并决定哪些频谱应该被提供。然后,顺便说一下,他们也定义了未来的一代应该是什么样子。因此,他们更有远见,而3GPP则更多地是执行者。所以他们说,哦,好吧,所以我们需要每平方公里有这么多节点,我们需要有这些速度,等等,对吗?

斯科特:他们把这些都搞清楚了。

哈拉尔德。是的。他们更多的是笼统地谈论频谱。他们说,好吧,比如说,有24GHz,对吗?然后他们将其分配给像美国联邦通信委员会这样的实体,然后联邦通信委员会与政府合作,将其拍卖。因此,一个运营商,作为一个移动网络运营商,可以出价购买全部频谱或某些大块的频谱,然后如果他们赢得竞标,其数十亿美元和频谱是好几十年。他们拥有该频谱,并可以将其用于他们的服务。

斯科特:其他人就不能吗?

哈拉尔德。而其他任何人都不能。而这也被称为许可证频谱。

斯科特:许可证频谱?这是个好问题。那么,据推测,他们可能会把5.95千兆赫的频率卖给Verizon,把6.05千兆赫的频率卖给一些范围。因此,他们在附近,但他们有非常具体的频率,他们在那里操作?

哈拉尔德。正是如此。

斯科特:谢谢你的所有这些见解。我一直很喜欢我们的对话。接下来我们将继续我们的系列讨论,谈谈5G网络建设的现状以及对5G部署时间表的期望。

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