北郵博導孫松林：5G 新物種開啟新時代

【CSDN編者按】6月29日，CSDN舉辦了以「5G在物聯網領域的技術應用實踐」為主題的程序員技術沙龍。沙龍上，北郵教授、博導孫松林發表以《物聯網技術在5G中的機遇與挑戰》為主題的演講。

孫教授，位高而謙卑，和CSDN工作人員前期溝通時，每次微信溝通中一定是先向工作人員問好。

作為科技佈道者，他的演講也格外受歡迎。演講結束後，與會者把他「團團圍住」。若不是編者請孫教授和大家一起合影，「圍堵」怕是很難結束。是什麼樣的演講？會讓觀眾這麼喜歡？今天這篇文章，正是孫教授根據當天演講親自撰寫的文章，以饗未能到場的讀者。

孫教授在CSDN 5G程序員技術沙龍演講，下同

作者 | 孫松林

責編 | 胡巍巍

熟悉的陌生人

5G的到來，因為中美貿易戰，因為華為，顯得格外矚目。移動通信從1G到5G，一代代走來，大家已經耳熟能詳了，所以5G的出現並不陌生，而且可以預知下一代是6G。但是，每一代的出現必然有著革命性的進步，不但在技術上有跨越式的顛覆，而且在產業上有巨大的影響力。

5G到底有哪些與4G不同的地方，又會有哪些不同凡響的影響力？這部分主要介紹移動通信的發展史，來介紹5G為什麼會發展到今天這個樣子，它期望給社會帶來什麼。

全球通信業的技術權威是國際電聯，位於瑞士日內瓦，緊鄰聯合國總部。2015年10月，IMT-2020一錘定音，被命名為5G的正式官方名稱。IMT是International Mobile Telecommunications國際移動通信的簡稱，2020則是希望在2020年可以進行商用。在此之前，著名的3G官方名稱是IMT-2000，而4G則是IMT-Advanced。

4G技術的確定和最後的商用，使得用戶驚訝於100Mbps移動接入速率已經超乎需求。而在此之前數年，技術專家們也已經預見到4G將是一個顛覆性的革命，但的確沒有想好後面的技術如何能有更加革命性的進步，所以將其命名為IMT-Advanced。

不是當時的技術人員保守或者悲觀，而是因為香農定律非常明確的規定了通信技術的極限。只要不修改香農定律，人類可以達到的邊界是非常明確的！

夢想是人類前進的最大動力！時過境遷，在眾多高校、研究院所、公司大規模的頭腦風暴，完成了海量的文章專利專著後，以3GPP為首的各大標準化組織開始系統性的將各種技術進行總結歸納，非常驚奇的發現，原來我們的技術還是可以繼續向前邁一大步的！

香農老先生沒有深入考慮多天線帶來的效能提升，也沒有考慮高頻段超密集組網帶來的容量提升，還有諸多的改進帶來了質的飛躍，這些促成了5G的顛覆性技術。不僅如此，5G也第一次真正實現了全球一個標準。

圖1 全球移動通信標準的演進

圖1給出了全球移動通信標準的演進簡圖。尤其是3G時代，中國的三大運營商經營著三種不同的通信標準，還有一種標準沒有在中國大規模推廣；4G曾經一度想統一，但最終還是分成了TD-LTE和FDD-LTE兩大陣營；到了5G，全球終於統一為一種制式。

圖2 4G與5G性能指標的對比

從目前公開確定的指標看，5G是全面碾壓4G的。圖2給出了4G和5G性能指標在8個維度的對比，外框是5G，內框是4G。

根據信息交互對象的不同，5G分為三大應用場景：增強移動寬頻、海量機器類通信、高可靠低延時連接。

在專家們討論5G應用的時候，一開始是分成了八種典型場景，如高人群密度的特點區域、超高速移動的下一代高鐵、廣域覆蓋的平原地區等等。通過對這些典型場景的特徵歸納和技術改進的發展路徑，最終形成了目前的三大技術場景。其中，增強移動寬頻eMBB：Enhanced Mobile Broadband主要是4G對個人用戶的延續，提供大帶寬高速率的移動服務；海量機器類通信mMTC：massive Machine Type of Communication主要是面向廣域低功耗覆蓋的物聯網服務；高可靠低時延連接URLLC：Ultra Reliable & Low Latency Communication主要是面向高速移動的新一代高鐵、車聯網和工業環境下的應用服務。

5G三種場景各有分工，互為補充，將移動通信從個人業務延拓到工業環境，「4G改變生活，5G改變社會」，主要是從應用場景的擴展上來說，而更深層次的是5G這個新的網路基礎設施將給社會帶來意想不到的跨越式進步。

對於未來，3GPP已經做出了規劃，將於2023年開啟6G研究，2025年下半年開始進行6G標準化，2028年下半年將會有6G設備產品。6G發展目標的發展目標是「支持多種應用，以支持未來的數字社會」，其核心技術現狀還處於探索和討論階段，目前看可能的關鍵技術包括太赫茲、天地一體化等。

亦敵亦友的夥伴

做為無線數據通信技術，WLAN一直是高速接入的首選。語音業務用電信系統，數據業務用WLAN系統，雙方共用用戶的一個網路終端，互為補充，倒也相安無事。但在4G技術之後，電信系統進行了革命，不再將語音業務做為自己的基礎業務，將全部火力集中在高速數據通信上，這樣導致WLAN的優勢逐漸喪失。到了5G時代，其數據接入速率已經與WLAN持平，雙方旗鼓相當。

從之前的友軍變成了競爭對手，5G與WLAN正式開始了爭奪用戶終端之戰。

技術路線的選擇從來貫穿了技術發展史。早在2000年前，數據傳輸技術就有IP和ATM之爭，當時做為在技術上更加先進的ATM首先在區域網上落敗；隨後幾年，在城域網上漸漸失守；直到被IP技術徹底替換掉。

第一代移動通信技術是瞄準電信業務移動化來實現的，所以語音業務就是最重要的基礎業務，從核心網到接入網，從業務流程到安全認證，都是以電路交換技術為基礎的確定性服務為技術基礎。所以，在GSM時代，移動通信運營商會致力於提高接通率，如99.99%甚至99.999%。因為對於傳統的移動通信而言，不存在丟包率的問題，只存在接通還是沒有接通。

而網路的移動化就要求分組交換技術追求高速率、低延遲、低丟包率，這個任務就交給了WLAN。IEEE在制定了WLAN核心標準後，由WIFI聯盟授權給各設備商製造。其數據傳輸速率始終比同時期的蜂窩移動通信速率要高很多。

一個負責語音，一個負責數據，相得益彰，大家和平共處的使用著同一個用戶終端。

但事情在4G時代發生了變化。

以IP為代表的分組交換技術在全面替代電路交換技術的過程中，不斷完善，從僅僅勉強傳輸網路數據，到可以順暢的傳輸語音、視頻等多媒體數據，越來越顯得遊刃有餘。IP電話的出現，因為其低資費甚至免費，迅速贏得了用戶。語音，這個傳統電信的基礎業務被動搖了。

4G時代，還有一個重大的事情，就是移動互聯網的飛速發展，尤其在中國。2000年前後成立的BAT們，培育了用戶的網路習慣，孕育了互聯網思維，進而影響了大家的信息交互方式，從過去僅有的電話語音溝通，擴展到郵件、社交軟體等等；而2013年前後成立的TMD們，則將這種互聯網化進一步的移動化，從PC端擴展到移動終端，大家對於語音交互的依賴越來越小了。

還有最致命的一點是，從4G時代開始，蜂窩移動通信的數據傳輸速率已經明顯了接近同時期WLAN的數據傳輸速率了。中國持續多年的「提速降費」使得WLAN的成本優勢不斷下降，而其安全隱患被慢慢重視起來。所以，大家開始越來越多的選擇直接使用更加安全、資費不是太高的4G來完成所有業務。

這種趨勢，在5G將更加明顯。

2019年，5G標準並沒有完全制定完，但在很多國家已經迫不及待的商用了；也是在2019年，WLAN發布了最新的IEEE802.11ax標準，兩者的數據傳輸速率對於用戶來說相差不多，而且彼此都想進入各自的領域，這點在物聯網市場爭奪的最為激烈。

長久來看，5G雖然有高安全性的優勢，但WLAN有低成本的優勢，兩者對應用場景的適配不同，未來應當走向融合。

新物種的進化

冰凍三尺非一日之寒，5G在性能指標上的革命性提升是若干微創新小改進的累計得到的。它應用了諸多創新性技術，如大規模天線陣列、毫米波通信、全頻段組網、超密集組網、網路切片、網路功能虛擬化（NFV: Network Function Virtualization）、邊緣計算（MEC: Mobile Edge Computing）等。正是這些嶄新的技術，使得5G看起來更像是一個新物種。

大規模天線陣列Massive MIMO

香農老先生沒有想到今天的工程師們會在一個天線陣列上使用多達數百根天線，所以，他在推導信道容量公式的時候，更多的是基礎性的單天線模式，完全想不到工程師們會在不經意間通過精巧的空間排列形成強大的通信能力。

5G基站可以使用256根天線，而且通過二維排布，實現了3D波束成型，提高了信道容量和覆蓋。而且，多用戶天線陣列MU-MIMO的實現，可以使得天線波束隨著用戶終端的移動而移動，真正實現了以用戶為中心的理念。

這個，在老一代通信工程師看來，是美好的夢想。

毫米波通信

頻譜號稱「空中不動產」，對其的使用有很強的規劃性。傳統移動通信頻段主要集中在3GHz以下的優良資產，導致頻譜資源十分擁擠；雖然高頻段（如毫米波、厘米波）可用頻譜資源豐富，但因為固有的缺點應用較少。

近年來，強烈的大帶寬通信需求，使得高頻段資源不斷被開發，盡量將其轉化為優良資產使用，畢竟，只有在毫米波這樣的頻段才會為一個終端提供幾十兆赫茲的帶寬，而且小型化高增益的天線更是終端設備所夢寐以求的。

但毫米波因為波長太短，所以傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環境影響，而且射頻器件、系統設計等方面的問題較多，所以還是有較多的挑戰。

網路切片

網路切片是一個邏輯上的概念，將物理網路切分成多個虛擬網路，每個網路適應不同的業務需求，而切分依據則是時延、帶寬、安全性、可靠性等性能指標。

在一個獨立的物理網路上切分出多個邏輯網路，從而避免了為每一個業務建設一個專用的物理網路，可以大大節省部署成本。

邊緣計算

5G強大的網路能力使得數據傳輸不再是瓶頸，而計算會捉襟見肘。大量的數據在終端與雲端之間不停的傳輸，如果只靠雲端來進行計算，整體延時較大，計算成本較高；所以，思科提出了霧計算，ETSI提出了移動邊緣計算都是希望將計算功能從集中單一的雲端下沉分散到數據採集端，可以降低做出響應的時間，降低整體計算成本，提高系統性能。

在5G中，因為SDN、NFV技術的採用，以及三大應用場景的實施，移動邊緣計算MEC成為了現實，而且將5G這個龐然大物變得更加智能，無處不在。

平穩的不確定性

很多事情總是會大概率的發生，但從哪裡爆發卻很難預測！

5G的技術性能全面碾壓4G，也就是說，只要在成本相同的情況下，凡是有4G的地方都可以被5G所取代。那這個5G的部署成本和運維成本能與4G持平甚至更低嗎？

在回答這個問題之前，我們先看下4G的情況。自2013年，中國三大運營商在4G累計投資超過8000多億元，到目前還沒有收回成本。這是電信運營商的夢魘，而每年的提速降費，更是將這個夢魘變成了一種無力回天的絕望。

難道5G能比4G表現的更好嗎？

至少，經濟諮詢師們是非常樂觀的，他們預計中國在2020-2025年期間的5G網路總投資額是0.9-1.5萬億元，而電信企業的5G業務收入將達到1.9萬億，不再虧損。而且，5G商用的直接拉動經濟總產出預計為10.6萬億，間接拉動經濟總產出為24.8萬億，將對社會經濟帶來強大的拉動作用，更不用說新一代的巨無霸將浮出水面，與BAT和TMD們抗衡。

我們無法預測5G催生出來的新產業形態是什麼樣的，但可以肯定的是5G對各行各業的滲透將會對社會生產模式，甚至生產關係產生深遠影響。

我們也無法預測5G時代的新霸主是哪家公司，但可以肯定的是這家公司目前應當剛剛成立或者還沒有成立，他將面臨的是一個目前都很陌生的領域。

我們也無法預測5G會有多強的生命力，在4G的延續與6G的緊逼下會輝煌多久，但可以肯定的是諸多創新性技術造就的創新性思維，將讓我們進入一個新時代！

5G沙龍的嘉賓、工作人員和部分參會者，二排左四為孫教授

作者簡介：孫松林，教授，博士生導師，現任北京郵電大學信息與通信工程學院多媒體教研中心主任，IEEE高級會員、中國計算機學會CCF高級會員、ACM會員。2003年於北京郵電大學獲得工學博士學位。研究方向為智能信號處理、視頻編碼與通信，在移動互聯網安全技術國家工程實驗室、可信分散式計算與服務教育部重點實驗室從事科研工作。

負責的留學研究生課程《通信綜合實驗》在2016年被教育部評為來華留學英語授課品牌課程，是目前獲評的唯一的實驗類課程。

【End】

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