李进良:对《5G将是一个彻底的失败通信技术》与杨学志商榷

通信产业网|2019-03-26 16:16:24
作者:李进良 来源:通信产业网

【通信产业网讯】(中国电子科技集团公司第七研究所教授级高工 李进良)早在2月26日我就收阅了杨学志这篇文章,乍一看“5G将是一个彻底的失败通信技术”,感到异常惊讶,为了深入消化分析还下载了全文。看完文章,觉得有一定道理,继而全盘思考历史、经济、技术和产业,初步感到失之偏颇。进一步深入分析之后,从5G与4G比较的6大性能指标与3大关键能力来看,无论那一方面都有10倍以上的提高,能说5G技术比4G技术没有显著进步吗?既然技术进步了,能找不到应用吗?只要有应用场景就可以开拓市场,怎么会失败,而且是一个彻底的失败?因此便萌发了撰写商榷的意愿。

杨文首先回顾了无线通信产业发展的历史,总结如下:“1G发掘出了移动通信的巨大需求,但是采用了比较落后的技术体制,因此长不大。2G进行了数字化革命,从而获得巨大成功。3G是为了新出现的移动互联网需求而诞生,但是在技术上走了弯路,全球的3G业务都不是太成功;而4G回归了正确的技术路线,目前4G业务蓬勃发展。”从而得出了“单数的1G、3G都不是太成功,而双数的2G、4G获得巨大成功”的结论,由此推论单数的5G将彻底的失败!

对此,我认为过于简单,有点牵强附会,便先列出以蜂窝技术为基础的公众移动通信近30年间从1G到4G所历经的4代构成:

1G:第一代的AMPS、TACS、NMT等8种标准都是基于频分多址(FDMA)技术,主要解决了公众模拟话音通信。

2G:第二代的DAMPS、GSM、JDC等3种标准基于时分多址(TDMA)技术,主要解决了公众数字话音通信与低速数据通信。随后又出现CDMA第4种标准。

3G:第三代的WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA等3种主流标准也就基于码分多址(CDMA)技术,主要解决公众高速数据通信。临末了又挤进了WiMAX第4种标准。

4G:第四代的LTE-FDD和TD-LTE及WiMAX等3种标准;都是基于正交频分多址(OFDMA)技术,由于WiMAX无人采用实际只有2种。

下面再对每一代的发展概况与重要意义分别稍加论述:

公众移动电话的诞生对于1G不应认为“采用了比较落后的技术体制,因此长不大”。我们要回顾无线通信的发展历程,才能理解1G的重要意义。自从19世纪末马可尼发现无线电波远距传输信息的作用后,人类才能摆脱有线固定通信电线的束缚,1899年11月美国“圣保罗”号邮船在向东行驶时,收到了从150公里外的怀特岛发来的无线电报,莫尔斯电码的嘀嘀嗒嗒声象婴儿呱呱落地的第一声啼声,向世人宣告一个新生事物——“移动通信”诞生了。1900年1月23日在波罗的海霍格兰岛附近的一群遇难渔民,通过无线电呼叫而得救,移动通信第一次在海上证明了它对人类的价值。紧接着1901年英国蒸汽机车装载了第一部陆地移动电台。1903年底莱特驾驶自己的飞行器,开创了航空新领域,飞机更需要通信来保证飞行,于是移动通信这个二十世纪的同龄人便相继在海、陆、空起步了。

移动通信一百多年的发展历程,大体经历了三个阶段:

· 初期的军政机要移动通信阶段,

· 进而发展至民用专业移动通信阶段,

·七十年代末国际上出现的蜂窝汽车电话标志着发展到了公众移动通信的新阶段。

可以看出经历了70多年漫长的探索,开始远距离通信要依靠短波的天波发射,而超短波只能视距传播,适合近距离通信,限于掌握的频谱资源有限,移动通信只能为军政机要飞机车船少数人服务。

公众移动电话的突破

虽然早在1947年,贝尔实验室的科学家利用超短波只能视距传播的制约,逆向思维提出了蜂窝通信的概念,解决了频率复用、覆盖扩展两个问题,为广大百姓应用奠定了技术基础。但是过了30年贝尔实验室才于1978年研制出先进移动电话系统(Advanced Mobile Phone Service,AMPS),1G得以面市。到1985年美、日、英、法、北欧相继生产了基于蜂窝通信概念的8种大同小异的FDMA模拟移动电话1G系统,各个国家的实践表明将无线电从为小数人服务扩展到为广大公众服务是可行的。作为诺基亚和爱立信祖国的芬兰和瑞典2004年1G的NMT还在使用,前后使用了20年,能说作为移动电话的1G不太成功吗!

数字移动通信的萌芽

1984年夏我有幸作为原电子工业部的代表出席ITU每年一度的会议。会上美国人提出:鉴于无线寻呼统一为国际标准后,发展极其迅速,又好又便宜,“标准统一”起了主要作用。因此,建议把模拟蜂窝移动通信(即1G)也统一标准。会上争辩激烈,意见主要有二:第一,统一移动通信标准,为时尚早;第二,要统一也不能就用美国标准。当时记忆特别深刻的是美国人引用了中国一句老话叫“千里之行,始于足下”,意思是移动通信的理想就是要拿部手机通遍天下;现在提出这个问题可能早了点,但万里长征,总得跨出第一步,如果现在不考虑,猴年马月才能统一?1984年1G本来只有4种标准,到1985年增加到了8种,争论不出结果。干脆放弃模拟制式的统一,重起炉灶,从尚在孕育的数字制式开始考虑,为此成立了十国委员会研究未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)。经过12年酝酿,ITU-T已通过移动网与固定网互连等7项建议;ITU-R已通过系统概况、网络结构等16项建议。1997年ITU才正式启动了无线传输技术方案征集工作。

欧洲抢先2G登场

在这期间欧洲抢先行动,组织了数字移动通信标准方案的征集,当时提出了8种方案,经过评比优选,确定了全欧统一的全球移动通信系统(GSM),于是1991年2G登场了。随即美国赶紧将其模拟AMPS数字化升级为DAMPS,日本也数字化升级为JDC,这样2G就有3种基于TDMA体制标准。由于GSM标准完备,全欧统一,在全球推广得力,超过200个国家和地区超过10亿人使用,大获成功。而DAMPS只在美国和美洲应用,JDC仅限日本。20世纪末突然杀出了一匹黑马,美国高通公司独创了CDMA数字蜂窝移动通信系统,历经十年坎坷,多亏韩国攻克了CDMA技术的诸多问题,使用户达到100万,其优越性这才得到全球业界公认。

FPLMTS转为3G

1997年ITU启动了无线传输技术方案征集工作。此时欧洲已发展2G,于是ITU就将FPLMTS转为3G。截至1998年6月30日,共收到美、欧、日、韩、中等国提交的15个提案,经过无线传输技术评估接入网融合成5种、核心网为2种如下:

接入网:

(1) CDMA DS(WCDMA),FDD;

(2) CDMA MC(cdma2000),FDD

(3) TD-SCDMA及UTRA CDMA,TDD(实际两种);

(4) TDMA MC(UWC-136),FDD;

(5) TDMA SC(UP-DECT),TDD。

核心网:

(1) GSM MAP用于CDMA DS,以便继承当时的GSM系统;

(2) ANSI 41用于CDMA MC,以便兼容当时的IS-95 CDMA系统。

由于公认两种TDMA制式没有前景,被束之高阁,而2G杀出的黑马CDMA频谱效率较高,因此,欧洲的WCDMA、美国的cdma2000和中国的TD-SCDMA成为3种主流制式,3G标准就是这么诞生的。3G并不是“为了新出现的移动互联网需求而诞生”。事实是由于当时的国际环境及历史局限,标准存在二大问题:第一,本来希望一部手机通遍天下,结果并没有统一。第二,原来3G的发展目标是沿着有线固定通信老思路定位在“移动的ISDN”,也叫一线通的2B+D传输速率144kbps,最高仅384kbps。当初并没有料到1996年后互联网会飞速发展,因此,欧美标准根本就没有考虑适应互联网的要求,这样3G便处于一种高不成低不就的尴尬状态。而且WCDMA和cdma2000都存在不适应互联网非对称业务的致命弱点,以致到2005年日本、欧洲和黄、香港和记还都发展缓慢、经营困难、甚至巨额亏损,欧美的3G商用一再延期。这就迫使WCDMA标准不得不修改升级,于是产生了3.5G的高速下行分组数据接入HSPA标准,这才获得发展。

中国TD-SCDMA才是为移动互联网需求而诞生

TD-SCDMA标准的名称。就标明这是采用时分双工TDD,以S开头的智能天线(smart antenna)、软件无线电(softradio) 和上行链路同步(synchronisation)3项关键专利技术综合开发成的CDMA移动通信系统。

2009年1月7日,我国最终决定同时发放三张3G牌照,涵盖了国际电联2000年推荐的三种技术体系,这在全球是独一无二的。TD-S与WCDMA,及cdma2000从此都踏上了正式运营之路。当时在世界范围内,WCDMA和cdma2000的应用较多,有上千款终端,就像两个在全球移动通信市场历练了七八年身强力壮的大汉;而TD-S的商用较晚,还是一个刚踏进市场缺乏锻炼的少年,尚处于弱势,有人喻之为与狼共舞。

值得欣慰的是,在全国TD-S产业界与中国移动顶着骂名的艰苦努力下,2013年开始,TD-S像井喷那样呈爆发式地增长,前11个月新增的用户数9276万户,竟为中国电信与中国联通二家之和的1.6倍。新款3G手机型号核准数,已经超过了二者,达到了与WCDMA手机做到三同:同步、同价、同质的目标。WCDMA从2000年日本DoCoMO 开始建网商用,经过14年发展所达到的水平,TD-S 只用4年就赶上了,这在移动通信领域实在是一个奇迹!

通过实践证实TD-S具有适于移动互联网需求的下列技术优势:

第一,采用TDD技术,它利用了语音通信的特点,当一方讲话时对方都是在听的,因此只用一个下行的路,上行的路是空闲的;还有互联网非对称业务的特点,从网上下载的远远多于发给网上的,因此也是下行路忙,上行路闲;只要一个频段,按需分配上行或下行的时间。所以TD有它节约频谱的天然优势,符合移动互联网发展方向。

TD-SCDMA只需1.6MHz带宽;而FDD的cdma2000需要1.25×2 MHz带宽,WCDMA需要5×2MHz;其话音频谱利用率比WCDMA高达2.5倍,数据频谱利用率甚至超过3倍;且无须成对频段,便于运营商获取。

第二,采用智能天线,可降低发射功率,减少多址干扰,提高系统容量;采用接力切换,可克服软切换大量占用资源的缺点;采用TDD,不要双工器,可简化射频电路,系统设备和手机成本较低。

第三采用软件无线电,更易实现多制式基站和多模终端,系统易于升级换代,通过TD/GSM双模终端可适应二网一体化的要求。

人们认识到当时的TDD体制有小区不能大于10公里、运动速度限于120公里/小时的局限性,仅用于数字无绳移动通信系统,而蜂窝公众移动通信系统所有两代都是FDD体制。TD-S采取了一系列技术措施,在青岛海域组建了覆盖半径60公里的大区网,在上海磁悬浮铁路满足了400公里/小时高速列车上的通话要求;克服了TDD微区、慢速的局限性。这样TD-S不但能够大范围覆盖、高速移动和高速数据,适于独立组网,而且具有频谱效率高、适合非对称业务、性价比高、适于2G网络过渡和技术升级等突出优势。从而在公众移动通信领域迈入移动互联网探寻了一条新航线,也为电子信息产业开恳了一块丰收的处女地。从而TDD体制为后续4G/5G的TD-LTE奠定了技术基础与产业基础;

智能天线使用光纤拉远技术解决了9根天线阵与27条馈送电缆的工程困扰,为后续4G/5G采用MIMO(Multi-In Multi-Out 多输入-多输出)天线技术创造了条件。

软件无线电为后续5G的SDN(Software Defined Network软件定义网络)、NFV(Network Function Virtual网络功能虚拟化)技术开了先河。

尽管3G的CDMA多址技术在后续各代中已被扬弃,但至今还在运营服务,特别是TD-S为移动互联网的先导探寻了一条新航线,功不可没。综合考虑能说3G不太成功吗?

4G的诞生与TD-LTE的特征

3G虽以满足多媒体数据业务需求为主,但是由于其容量和承载能力所限,对高清电视这样的视频流媒体业务还是显得力不从心,因此移动互联网业务的发展迫切需要网络向大容量、高带宽演进。

同时,数据业务流量的激增也为运营商带来建设和运营方面的巨大挑战,由于业务收入不能随着业务量线性增长,承载成本和业务收入之间的差距随着数据业务量的指数增长也将越来越大,因此运营商势必要寻求更为高速率、低成本的技术体制。

正交频分多址(OFDM)技术适合在多径传播和多普勒频移的无线信道中传输高速数据,因而被无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)采用,后又移植到移动通信领域WirelessMAN。随着WiMAX的挑战,促使高速蜂窝移动网加快向3G长期演进技术(LTE)发展,4G也就应运而生了。

2006年9月,LTE标准正式开始起草,制定了基于WCDMA的LTE-FDD与基于TD-SCDMA的LTE;它们和WiMAX的重要底层技术都是基于OFDM和MIMO;作为3G技术的长期演进,代表了移动通信产业发展的一个重要方向,受到多数传统移动通信运营商的高度重视,发展异常迅速。TD-LTE技术顺应移动通信网络宽带化、IP化、智能化的发展趋势,具有如下显著特征:

(1)高速率,下行峰值速率至少100Mbps,上行至少50Mbps;

(2)高频谱效率,为HSPA的2-4倍;在带宽需求日益增加而频谱供应日益紧张的情况下,TDD方式的频谱效率较高;

(3)网络结构扁平化,整体架构基于分组交换;可灵活地支持非对称业务,更适应移动互联网的需求;

(4)系统部署灵活,能支持1.4MHz-20MHz的多种系统带宽,以及成对和非成对的频谱分配;

(5)降低无线网络时延,具有完善和严格的QoS机制,保证实时业务的服务质量;

(6)自组织网络,降低网络建设、优化、维护成本;

(7)强调向下兼容,支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作;

(8)可利用信道对称性易于实现MIMO等新技术来改进系统性能。

可见与3G相比,TD-LTE具有明显的技术优势,可很好解决业务带宽需求以及承载成本的问题,因而得以高速发展与LTE-FDD并驾齐驱,平分天下。

总结1G到4G

公众移动通信领域总体是芝麻开花节节高,后代更比前代强。

1G的蜂窝技术,为公众移动通信后续各G网络部署创造了一脉相承的基本模式。

2G的数字化为公众开辟了数字话音通信与数据通信,得以应用计算机技术与集成电路技术,为公众移动通信后续各G的系统的高速发展与终端的小型化奠定了技术基础。

3G的码分多址(CDMA)技术,主要解决公众高速数据通信。特别是TD-SCDMA适于移动互联网的TDD体制为后续各G提高了频谱效率,智能天线为4G/5G采用MIMO天线技术创造了条件。

4G继承了前3代的优秀基因并采用了OFDMA技术,更适应高速移动互联网的需求。

可见公众移动通信下一代总是传承了上一代的优秀技术,扬弃了其不适用技术,才得以芝麻开花节节高,后G更比前G强。就像一个人吃4个馒头就饱了,没有前面3个馒头垫底,第4个馒头能饱吗?

而且同一代中的不同技术体制标准,发展的规模也有优劣差异,如2G的GSM就超过DAMPS、JDC;同一代中的同一技术体制标准,不同的运营商的成绩也相差悬殊,如同为GSM,中国联通虽早一年部署,结果比中国移动规模小,利润低。再如3G的TD-S最终在中国与狼共舞中超越了WCDMA及cdma2000;就全球而言2G的JDC与3G的TD-S都仅用于一个国家,JDC就没有对后续各代有什么贡献,而TD-S就大不一样对后续的4G/5G做出了显著贡献。可见并无单数的1G、3G都不是太成功,而双数的2G、4G获得巨大成功的规律可言。

5G总体愿景与更高性能

移动通信深刻改变了人们的生活,但已经规模应用的4G,应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景捉襟见肘,促使人们对更高性能移动通信的追求,第五代移动通信(5G)系统也就应运而生。

5G将渗透到未来社会的各个领域,以用户为中心构建全方位的信息生态系统。5G将使信息突破时空限制,提供极佳的交互体验,为用户带来身临其境的信息盛宴;5G将拉近万物的距离,通过无缝融合的方式,便捷地实现人与万物的智能互联。5G将为用户提供光纤般的接入速率,“零”时延的使用体验,千亿设备的连接能力,超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务,业务及用户感知的智能优化,同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低,最终实现“信息随心至,万物触手及”的总体愿景。

为此5G需要追求比4G更高的性能:

(1)用户体验速率(bps)——真实网络环境下用户可获得的最低传输速率,支持100~1000Mbps,4G仅10 Mbps;

(2)连接数密度(/km2)——单位面积上支持的在线设备总和,每平方公里100万,4G仅10万;

(3)端到端时延(ms)——数据包从源节点开始传输到被目的节点正确接收的时间,1毫秒,4G达10毫秒;

(4)流量密度(Mbps/m2)——单位面积区域内的总流量,10 Mbps/m2,4G仅0.1 Mbps/m2;

(5)移动性(km/h)——满足性能要求下收发双方间的最大相对移动速度,每小时500km以上,4G仅350km;

(6)单用户峰值速率(bps)——单用户可获得的最高传输速率,20 Gbps,4G仅1Gbps。

其中,用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。

同时,5G相比4G还需要大幅提高网络部署和运营的频谱效率、能源效率、成本效率:

(1)频谱效率(bps/Hz/cell或bps/Hz/km2)——每小区或单位面积内,单位频谱资源提供的吞吐量,提升5~15倍;

(2)能源效率(bit/J)——每焦耳能量所能传输的比特数,提升百倍以上;

(3)成本效率(bit/Y)——每单位成本所能传输的比特数,提升百倍以上。

2019年1月23日,我国IMT-2020(5G)推进组宣布,5G技术研发试验第三阶段测试结果,5G基站与核心网设备均可支持非独立组网(NSA)和独立组网模式(SA),主要功能符合预期,达到预商用水平。2019年将启动5G增强及毫米波技术研发试验等工作。说明5G当前研发的网络设备所采用的各种技术,其综合效果对上述主要性能是能够符合预期的。至于网络部署和运营的频谱效率、能源效率、成本效率还有待预商用去考验并改进。

5G与前四代不同的发展特征

从1G到4G系统,依次以FDMA→TDMA→CDMA→OFDMA等不同多址接入技术革新为换代标志,频谱效率与数据速率也依次提高,1G/2G是基于有线电信网技术亦即基于CT技术,导致了电信网的移动化。从2G数字化之后,提供了运用计算机技术与微电子技术的可行性,又恰逢互联网亦即基于IT技术的大发展,产生了互联网移动化的需求。从3G开始促使CT技术与IT技术融合,于是4G向移动互联网迈进。这4代都是解决人与人的连接通信问题。

现阶段,全球新一轮科技革命和产业变革正孕育兴起,如人工智能、大数据、云计算等等的兴起,跨行业、跨领域的融合创新不断深入,对移动通信技术也提出了更高的要求。已经不满足于人与人通信的移动互联网的4G,日益期望扩展物与物、人与物智能互联即物联网,使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。这样移动互联网与物联网就是未来移动通信发展的两大主要驱动力,成了新一代移动通信技术发展的方向,将在提升移动互联网用户业务体验的基础上,进一步满足未来物联网应用的海量需求,与工业、医疗、交通等行业深度融合,期望最终实现“信息随心至,万物触手及”的总体愿景。在这两大主要驱动力的推动下,导致了5G的启动,可是现阶段还没有出现某种可以作为标志性的技术变革。就提升移动互联网用户业务体验来说,还只能靠OFDM与MIMO,在这2项技术基础上去加强,我们可以说这是加强版的移动互联网,也可以说是4G+。可是还要加上物与物、人与物智能互联的物联网,怎么才能名正言顺,于是响当当的5G也就唱响了。由于5G与前4代以不同多址接入技术革新为换代标志大大不同,5G的概念便由过去的无线技术为主向网络技术延伸,由“标志性能力指标”与“网络关键技术”来共同定义。5G是什么?就不是像前4代那样一句话可以定义的,而是移动互联网与物联网结合,在传承前4代优良基因的基础上,综合采用无线与网络多种先进技术比4G提高10倍以上性能,最终实现的全球统一的新一代移动通信网。

杨文论证5G彻底失败的依据

无线通信产业是由技术和需求两个轮子驱动前进的。杨文为了论证“5G将是一个彻底的失败通信技术”就从技术和需求两方面进行分析:

从技术角度看,

1调制,这块还是没有变;

2编码,5G采用了LDPC和Polar码,系统容量的提升已经不大,大概是1~2%左右;

3多址,对于eMBB这块没有变,还是采用了OFDM;

4组网,仍采用4G的SFR。

5多天线,massive MIMO,可以成百倍地提升系统容量,是一个有潜力的领域,但是其实用化问题仍然没有解决。虽然能够提高容量,但是要增加设备,有成本的。

6频谱,同样的网络覆盖,比起4G的2.6GHz,3.5GHz的投资要高出50%;28GHz实现覆盖花5倍的银子也是正常的。

综合这6项技术,5G比4G没有进步,成本会更高。

从5G的三大业务市场需求看,

5G业务大致可以分为3种场景:eMBB(增强移动宽带)、mMTC(海量机器类通信)、和uRLLC(超可靠低时延通信)

1.eMBB受体是人,它能够处理的最大信息速率,也就是带宽,是固定的,超过了人的带宽是没有意义的。人眼的带宽就确定了通信的最大速率,这是一个物理瓶颈,不管什么应用出现都是无法突破的。4G的速率已经超出需求了,5G的高速率完全是没必要的。只有VR沉浸式体验,才有1G速率的需求。

2.mMTC物联网多数是2B的,象油田,电力公司这些大企业更倾向于自建网络,就不用向运营商交月租了。物联网只有小部分落入5G的范围。

3.uRLLC 低时延高可靠性虽是5G定义的三大场景之一,但是这与5G作为一个公共网络的基本特征相矛盾,人的感官时延大概是100毫秒左右,所以4G几十毫秒的时延是比较合适的,1ms的时延对人没有意义。所以,只要有人参与的应用,就不需要低时延。

高速率和低时延的需求都是不存在的,是绝无可能实现的。

总结5G的技术与需求,于是得到令人异常惊讶的结论:

“5G,需求是虚构的,技术上并没有进步,所以必然是要失败的。”

5G的技术进步将丰富创新应用

为了与与杨学志商榷,我也从从技术和需求两方面进行分析:

从技术方面分析

诚如杨文所述调制、多址5G没有变,姑且不论。下面讨论:

1.编码,5G采用了LDPC和Polar码,系统容量的提升是1~2%,虽则不大,百尺竿头,再进一步,只要力求用最佳的算法最低的成本来实现,也是值得争取的科技进步。就像奥运会100米短跑被誉为“挑战人类速度极限”的比赛。1894年,创造了11”2世界纪录;经过74年,于1968年创造了9”95的世界纪录;2015年,又经过48年博尔特创造了9”58的纪录,只不过提升3%多一点,可见挑战极限的难能可贵!

2.多天线,则大有可为。

MIMO技术虽已经在4G系统中得到广泛应用。面对5G在传输速率和系统容量等方面的性能挑战,大规模天线massive MIMO即天线数目的进一步增加仍将是MIMO技术继续演进的重要方向。虽则实践暴露有“一演示就成功,一实用就趴窝。”的问题;说明演示多半是在一个理想环境,而实用则是在各种各样的复杂环境,正需要研究探索在复杂环境下新的波束赋形途径。大规模阵列天线的构架、髙效/髙可靠/小型化/低成本/模块化收发组件、髙精度监测与校准方案等关键技术的进步将直接影响到大规模天线技术在实际应用环境中的性能与效率,并将促成大规模天线技术最终进入实用化阶段。为了获得稳定的多用户传输增益,需要依赖下行发送与上行接收算法的完善来有效地抑制用户间乃至小区间的同道干扰。基于大规模天线的预编码/波束赋形算法与阵列结构设计、设备成本、功率效率和系统性能都有直接的联系,随着MIMO技术进步可以较为有效地降低大规模天线系统计算复杂度;随着微电子技术进步可以有效地提高大规模天线系统计算能力;随着频谱的升高可以有效地减低大规模天线系统的尺寸,增加天线数目;因此,在大大提高容量的同时,不一定显著增加成本是可能的,完全可以争取最佳的性能价格比。

3组网,除了与4G一样采用SFR之外。深感4G用户体验速率太慢,要求5G流量密度(Mbps/m2)——单位面积区域内的总流量,提高到10 Mbps/m2;以满足局部热点区域(如办公室、密集住宅、密集街区、校园、大型集会、体育场、地铁、公寓等)实现百倍量级的系统容量提升,那就需要采用超密集组网,对合理利用有线资源与无线资源、接入和回传联合设计、干扰管理和抑制、小区虚拟化、软扇区技术等都要有进步,能够以较低的部署和运营成本来满足网络的端到端业务质量要求。

从上述5G与前四代不同的发展特征看出,5G由过去的空中接口无线技术为主向网络技术延伸,因此其组网更需要进一步深入研究新型网络架构、基础设施平台及网络关键技术。当前的电信基础设施平台是基于专用硬件实现。5G网络将通过引入互联网和虚拟化技术,设计实现基于通用硬件的新型基础设施平台,从而解决现有基础设施平台成本高、资源配置能力不强和业务上线周期长等问题。

网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络(SDN)是实施5G新型设施平台网络关键技术。

NFV通过软件与硬件的分离,组件化的网络功能模块,实现控制面功能可重构;使网元功能与物理实体解耦,采用通用硬件取代专用硬件,可以方便快捷地把网元功能部署在网络中任一位置,同时对通用硬件资源实现按需分配和动态伸缩,为5G网络提供更具弹性的基础设施以达到最优的资源利用率。

SDN通过控制与转发的分离,有利于通过网络控制平面,从全局视角来感知和调度网络资源,来实现网络连接的可编程。因此,更易于实现不同垂直行业的网络需求,大大节约网络基础设施的投资。

4频谱,我国5G的频谱划分3 300—3 600MHz,带宽300MHz ;4 800—5 000 MHz,带宽200MHz ;不仅要看到5G同样的网络覆盖,比起4G的2.6GHz,具有3.5GHz的投资要高出50%;的劣势,还要看到随着频谱的升高可以有效地减低大规模天线系统的尺寸,增加天线数目获得容量增益的优势。而且为5G频谱规划如能对2G清频3G共享,则可获得黄金频谱红利、技术创新红利、成本节约红利。(详见李进良《为5G频谱规划应对2G清频3G共享》一文)。特别是5G继承了中国3G TD-S的时分双工优良基因,比4G的LTE FDD的频谱效率提高约一倍。

从需求方面分析

1.eMBB聚焦对带宽有极高需求的业务,例如高清视频,VR(虚拟现实)/ AR(增强现实)等,满足人们对于数字化生活的需求。从个人对于当前4G的体验,往往在忙时微信视频聊天图片卡顿,话音断续,不得不退而求其次,改用语音通话,而当家里改用100Mbps的到户光纤就流畅多了,足以说明很有提升用户体验速率的需求。对于VR来说,现实世界是立体的,人有左右2个眼睛,在左右眼睛的视网膜上是2张大同小异的图片,观看动态的景物也就需要2路视频数据流,如果要满足超高清沉浸式体验,需要多路视频大数据流,当前4G的用户体验速率仅10 Mbps看高清视频常常卡顿,遑论观赏3D/VR;因此,普遍认为5G的杀手级业务是3D/VR,尽管当前VR还没有走出寒冬的低谷。但人类对这种视觉盛宴的需求是强烈的。

2.mMTC 覆盖对于连接密度要求较高的场景,能满足人们对于数字化社会的需求。mMTC场景中存在多种多样的物联网设备,如处于恶劣环境之中的物联网设备,以及技术能力低且电池寿命长(如超过10年)的物联网设备等。面向物联网繁杂的应用种类和成百上千亿的连接,5G 网络需要考虑其多样性。尽管油田,电力公司这些大企业更倾向于自建网络,但智慧城市、智慧农业、智慧医疗、智慧家居等等领域只要加强市场开拓,物联网决不是小部分落入5G的范围。未来不仅仅是每个人都连接进网络,试想每个家庭的各种电器都连接进网络,这将是多大数量的需求!近几年运营商物联网用户每年都翻番地增长,就足以预示其将有巨额需求前景。

3.uRLLC聚焦对时延极其敏感的业务,例如无人驾驶、远程控制、机器人制造业等,满足人们对于数字化工业的需求。低时延和高可靠性是无人机器类业务的基本要求,如车联网业务不仅是车与车,而且是车与路构成的高级别的安全网络。5G超低时延的实现需要在端到端传输的各个环节进行一系列机制优化,不只是在空中接口。才能确保未来众多的无人驾驶、无人物流、无人清扫、无人的士等等安全行驶。

这3大业务市场需求,开始都不一定旺盛,随着5G系统的成熟,网络覆盖的完善,就提供了满足各种各样人与物、物与物连接的能力,就可以开拓各种各样的5G创新应用,详见李进良《5G将通过创新应用改变社会》一文

还应看到5G相比4G还要求网络部署和运营的频谱效率提升5~15倍;能源效率与成本效率都提升百倍以上;即使初期尚难达到这一水平,随着技术的日益进步,网络建设经验的积累,最终是可以做到符合移动通信正确发展方向,保证连续覆盖的情况下以低成本提高网络容量。综合我对技术和需求两方面的分析,5G绝不是一个彻底的失败通信技术,将得到完全相反的结论。

5G将是改变社会的新一代

要预测一代移动通信的发展应从总体上按信息经济定律即麦特卡尔夫定律和摩尔定律来分析。从1G到5G的整个发展历程来看:1G计8种标准,传输移动电话;2G计4种,传输数字电话与文字短信;3G计4种,传输电话与图片多媒体信息;4G还有2种,传输平面多媒体动态信息;经历50年的漫长时期,才形成一种全球统一的5G标准,可以传输立体多媒体动态信息,达到一机在手,通遍全球的理想,实现“信息随心至,万物触手及”的总体愿景。这就是5G标准的最大优势。现在再按信息经济定律进行分析:

1.麦特卡尔夫定律(Metcalfe’s Law)

认定网络价值同网络用户数的平方成正比。这是信息通信网络经济发展的规律,肯定了网络规模的经济潜在价值。

电信网络效应具有正反馈的特征,即消费某种网络产品的价值会随着消费该产品的消费者数量的增加而急剧增加。例如,手机用户更愿意选择原来用户多的移动网;因为网中用户越多,网络基础设施越大,质量越好,潜在用户就会越多,由使用者分担的成本越来越低,服务也将越来越满意,该网络对用户的价值也就越高。

网络效应具有先入为主的特征,一旦某种因素使一种技术标准被采纳,形成了“跑马圈地”,在圈地范围内将会阻止该技术被即使是功能优于它的技术所替代,从而市场被锁定。从1G到4G都是多种技术体制标准,2G时代,即使后来冒出的黑马CDMA频谱效率优于GSM,因市场已被GSM锁定,还是无法突围。只有到了3G时代,CDMA才能一统江湖。但还是3种门派,各占山头,建网必然重复浪费。4G还有2种平分天下。5G的一种技术体制标准,除了一机在手通遍全球的使用优势之外,按麦特卡尔夫定律还具有成本优势,5G的用户数至少是每种4G的2倍,5G网络价值则是4G的4倍,即使5G建设投资比4G高2倍,摊到每个用户头上需要承担的也不到4G的一半。何况建设一种统一技术体制,其网络规模效应对成本节约是极其显著的。5G对于4G来说,建设成本不仅取决于技术的优劣及基站数量多寡,还包含核心网、接入网等设备成本以及中间相连的光缆部署成本、基站新增的土建铁塔成本等等,可以采取利用原有网络、站址、资源种种节约举措。5G的建设成本不但不是4G的几倍,肯定总资本支出小于4G。这就是全球统一标准的最大网络优势。

2.摩尔定律(Moore’s Law)

认为每18个月芯片的计算速度和集成度会提高一倍。设保持计算能力不变,芯片的价格和体积会缩减一倍。这是信息通信设备发展的基础,对运营商的挑战和机遇主要涉及两个方面:

● 通信设备使用寿命不断缩短,加速了固定资产的升级换代。

● 加速开辟了新的业务市场,特别是为实现移动业务创造了条件。

移动超过并替代固定——来源于人的个性需求。

移动通信是当今人类个体生存的基本需求之一,由于20世纪微电子技术的突飞猛进,摩尔定律在通信领域发生重大作用,至今已经35个摩尔周期,微电子器件的密度和速度大大提高,成本大大降低,人类梦想的个人通信才得以实现。2013年12月4日工信部正式向三大运营商发布4G牌照,到2020年发放5G牌照,历经3-4个摩尔周期,尽管摩尔定律临近极限,但还可以期望微电子器件的密度和速度提高10倍,成本降到10分之一,因此,以超大规模集成电路的SOC为基础的网络设施与终端,在确保性能提高的基础上,即使实施某些技术会增加成本,但总体趋势还是下降的。由以上分析,5G是可以保证连续覆盖的情况下以低成本提高网络容量。因此,5G将不会是一个彻底的失败通信技术,相反,将是成功的辉煌的一代。

今年的两会,有很多参会的全国人大代表、全国政协委员在其提案中或者在接受媒体采访时,都对于5G的发展非常关注,并从自己的角度去思考5G发展所能带来的潜在重大机遇。由此可以看出,目前,各行各业对于5G的早日商用都有着很大的期许,国内媒体纷纷发布5G报道,容易给人一种似乎5G的终端很快可以人手一部,5G时代美妙的未来已来的错觉。杨学志在如此火热的氛围中提出这一令人惊讶观点,其用心是“希望本文能为各方提个醒,尽量减少损失”,敲起警钟,不要过度炒作,狂热冒进,避免不顾条件扩大部署,以致撞上南墙!这是一个科技工作者值得赞誉的良心。

但是在当前美国政府把中美对5G的控制权上升到军备竞赛的高度,全国上下要坚决打胜5G这一仗的关键时刻,既然“5G,需求是虚构的,技术上并没有进步,所以必然是要失败的。”这一斩钉截铁的惊人结论就可能导致部分人员被一盆冷水,把火浇灭,丧失斗志。我们要看到技术之路并没有堵死,市场需求是可以靠创新应用来开拓,5G总体上是符合信息经济定律的,就要闻鸡起舞。我们也不要被美国的所谓卫星6G忽悠,见异思迁,只要心无旁骛,有清醒的认识,正确的措施,集举国之力,稳扎稳打,循序渐进,踏踏实实走我们既定的5G之路,2019年首先在国内做好预商用,切实解决建网初期必然出现的各种工程、通信质量问题,千方百计降低能耗与部署成本,并启动5G增强及毫米波技术研发试验等工作,实实在在提高5G的6大性能和网络部署运营的3大效率,促使网络与终端成熟后再扩大规模建设,加强5G 的创新应用,5G的前景是有希望的,最终必将成为改变社会的新一代。

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