北邮博导孙松林：5G 新物种开启新时代

【CSDN编者按】6月29日，CSDN举办了以“5G在物联网范畴的手艺应用实践”为主题的法式员手艺沙龙。沙龙上，北邮传授、博导孙松林揭橥以《物联网手艺在5G中的时机与挑战》为主题的演讲。

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孙传授，位高而谦卑，和CSDN工作人员前期沟通时，每次微信沟通中必然是先向工作人员问好。

作为科技传教者，他的演讲也分外受迎接。演讲竣事后，与会者把他“团团围住”。若不是编者请孙传授和人人一路合影，“围堵”怕是很难竣事。是什么样的演讲？会让观众这么喜欢？今天这篇文章，恰是孙传授凭据当天演讲亲自撰写的文章，以飨未能参预的读者。

孙传授在CSDN 5G法式员手艺沙龙演讲，下同

作者 | 孙松林

责编 | 胡巍巍

熟悉的生疏人

5G的到来，因为中美商业战，因为华为，显得分外瞩目。移动通信从1G到5G，一代代走来，人人已经耳熟能详了，所以5G的显现并不生疏，并且能够预知下一代是6G。然则，每一代的显现必然有着革命性的提高，不只在手艺上有跨越式的推翻，并且在财富上有伟大的影响力。

5G究竟有哪些与4G分歧的处所，又会有哪些分歧凡响的影响力？这部门首要介绍移动通信的成长史，来介绍5G为什么会成长到今天这个模样，它盼望给社会带来什么。

全球通信业的手艺权势是国际电联，位于瑞士日内瓦，紧邻结合国总部。2015年10月，IMT-2020一锤定音，被定名为5G的正式官方名称。IMT是International Mobile Telecommunications国际移动通信的简称，2020则是进展在2020年能够进行商用。在此之前，有名的3G官方名称是IMT-2000，而4G则是IMT-Advanced。

4G手艺切实定和最后的商用，使得用户诧异于100Mbps移动接入速度已经超乎需求。而在此之前数年，手艺专家们也已经预见到4G将是一个推翻性的革命，但切实没有想好后背的手艺若何能有加倍革命性的提高，所以将其定名为IMT-Advanced。

不是其时的手艺人员保守或许消极，而是因为香农定律非常明确的划定了通信手艺的极限。只要不点窜香农定律，人类能够达到的界限是非常明确的！

妄想是人类进步的最大动力！明日黄花，在浩瀚高校、研究院所、公司大规模的思想风暴，完成了海量的文章专利专著后，以3GPP为首的各大尺度化组织起头系统性的将各类手艺进行总结概括，非常惊异的发现，本来我们的手艺照样能够持续向前迈一大步的！

香农老师长没有深入考虑多天线带来的效能提拔，也没有考虑高频段超密集组网带来的容量提拔，还有诸多的改善带来了质的飞跃，这些促成了5G的推翻性手艺。不光如斯，5G也第一次真正实现了全球一个尺度。       

图1 全球移动通信尺度的演进

图1给出了全球移动通信尺度的演进简图。尤其是3G时代，中国的三大运营商经营着三种分歧的通信尺度，还有一种尺度没有在中国大规模推广；4G曾经一度想统一，但最终照样分成了TD-LTE和FDD-LTE两大阵营；到了5G，全球终于统一为一种制式。

图2 4G与5G机能指标的对比

从今朝公开确定的指标看，5G是周全碾压4G的。图2给出了4G和5G机能指标在8个维度的对比，外框是5G，内框是4G。

凭据信息交互对象的分歧，5G分为三大应用场景：增加移动宽带、海量机械类通信、高靠得住低延时保持。

在专家们商议5G应用的时候，一起头是分成了八种典型场景，如高人群密度的特点区域、超高速移动的下一代高铁、广域笼盖的平原区域等等。经由对这些典型场景的特征概括和手艺改善的成长路径，最终形成了今朝的三大手艺场景。个中，增加移动宽带eMBB：Enhanced Mobile Broadband首要是4G对小我用户的陆续，供应大带宽高速度的移动办事；海量机械类通信mMTC：massive Machine Type of Communication首要是面向广域低功耗笼盖的物联网办事；高靠得住低时延保持URLLC：Ultra Reliable & Low Latency Communication首要是面向高速移动的新一代高铁、车联网和工业情况下的应用办事。

5G三种场景各有分工，互为增补，将移动通信从小我买卖延拓到工业情况，“4G改变生活，5G改变社会”，首要是从应用场景的扩展上来说，而更深条理的是5G这个新的收集根蒂举措将给社会带来意想不到的跨越式提高。

对于将来，3GPP已经做出了规划，将于2023年开启6G研究，2025年下半年起头进行6G尺度化，2028年下半年将会有6G设备产物。6G成长方针的成长方针是“支撑多种应用，以支撑将来的数字社会”，其焦点手艺近况还处于索求和商议阶段，今朝看或者的要害手艺包罗太赫兹、六合一体化等。

亦敌亦友的伙伴

做为无线数据通信手艺，WLAN一向是高速接入的首选。语音买卖用电信系统，数据买卖用WLAN系统，双方共用用户的一个收集终端，互为增补，倒也息事宁人。但在4G手艺之后，电信系统进行了革命，不再将语音买卖做为本身的根蒂买卖，将悉数火力集中在高速数据通信上，如许导致WLAN的优势逐渐损失。到了5G时代，其数据接入速度已经与WLAN持平，双方势均力敌。

从之前的友军酿成了竞争敌手，5G与WLAN正式起头了争夺用户终端之战。

手艺路线的选择从来贯穿了手艺成长史。早在2000年前，数据传输手艺就有IP和ATM之争，其时做为在手艺上加倍进步的ATM首先在局域网上落败；随后几年，在城域网上逐渐失守；直到被IP手艺彻底替代掉。

第一代移动通信手艺是对准电信买卖移动化来实现的，所以语音买卖就是最主要的根蒂买卖，从焦点网到接入网，从买卖流程到平安认证，都是以电路交流手艺为根蒂切实定性办事为手艺根蒂。所以，在GSM时代，移动通信运营商会致力于提高接通率，如99.99%甚至99.999%。因为对于传统的移动通信而言，不存在丢包率的问题，只存在接通照样没有接通。

而收集的移动化就要求分组交流手艺追求高速度、低延迟、低丢包率，这个义务就交给了WLAN。IEEE在制订了WLAN焦点尺度后，由WIFI联盟授权给各设备商制造。其数据传输速度始终比同时期的蜂窝移动通信速度要高好多。

一个负责语音，一个负责数据，相得益彰，人人和平共处的使用着统一个用户终端。

但事情在4G时代发生了转变。

以IP为代表的分组交流手艺在周全替代电路交流手艺的过程中，络续完美，从仅仅将就传输收集数据，到能够顺畅的传输语音、视频等多媒体数据，越来越显得游刃有余。IP德律的显现，因为其低资费甚至免费，敏捷博得了用户。语音，这个传统电信的根蒂买卖被摇动了。

4G时代，还有一个重大的事情，就是移动互联网的飞速成长，尤其在中国。2000年前后成立的BAT们，培养了用户的收集习惯，产生了互联网脑筋，进而影响了人人的信息交互体式，从曩昔仅有的德律语音沟通，扩展到邮件、社交软件等等；而2013年前后成立的TMD们，则将这种互联网化进一步的移动化，从PC端扩展到移动终端，人人对于语音交互的依靠越来越小了。

还有最致命的一点是，从4G时代起头，蜂窝移动通信的数据传输速度已经显着了接近同时期WLAN的数据传输速度了。中国持续多年的“提速降费”使得WLAN的成本优势络续下降，而其平安隐患被慢慢正视起来。所以，人人起头越来越多的选择直接使用加倍平安、资费不是太高的4G来完成所有买卖。

这种趋势，在5G将加倍显着。

2019年，5G尺度并没有完全制订完，但在好多国度已经迫在眉睫的商用了；也是在2019年，WLAN发布了最新的IEEE802.11ax尺度，两者的数据传输速度对于用户来说相差不多，并且彼此都想进入各自的范畴，这点在物联网市场争夺的最为激烈。

长久来看，5G固然有高平安性的优势，但WLAN有低成本的优势，两者对应用场景的适配分歧，将来该当走向融合。

新物种的进化

冰冻三尺非一日之寒，5G在机能指标上的革命性提拔是多数微立异小改善的累计获得的。它应用了诸多立异性手艺，如大规模天线阵列、毫米波通信、全频段组网、超密集组网、收集切片、收集功能虚拟化（NFV: Network Function Virtualization）、边缘较量（MEC: Mobile Edge Computing）等。恰是这些极新的手艺，使得5G看起来更像是一个新物种。

大规模天线阵列Massive MIMO

香农老师长没有想到今天的工程师们会在一个天线阵列上使用多达数百根天线，所以，他在推导信道容量公式的时候，更多的是根蒂性的单天线模式，完全想不到工程师们会在不经意间经由精巧的空间分列形成壮大的通信能力。

5G基站能够使用256根天线，并且经由二维排布，实现了3D波束成型，提高了信道容量和笼盖。并且，多用户天线阵列MU-MIMO的实现，能够使得天线波束跟着用户终端的移动而移动，真正实现了以用户为中心的理念。

这个，在老一代通信工程师看来，是美妙的妄想。

毫米波通信

频谱号称“空中不动产”，对其的使用有很强的规划性。传统移动通信频段首要集中在3GHz以下的优良资产，导致频谱资源十分拥挤；固然高频段（如毫米波、厘米波）可用频谱资源雄厚，但因为固有的瑕玷应用较少。

近年来，强烈的大带宽通信需求，使得高频段资源络续被斥地，尽量将其转化为优良资产使用，究竟，只有在毫米波如许的频段才会为一个终端供应几十兆赫兹的带宽，并且小型化高增益的天线更是终端设备所求之不得的。

但毫米波因为波长太短，所以传输距离短、穿透和绕射能力差、轻易受天气情况影响，并且射频器件、系统设计等方面的问题较多，所以照样有较多的挑战。

收集切片

收集切片是一个逻辑上的概念，将物理收集切分成多个虚拟收集，每个收集适应分歧的买卖需求，而切分依据则是时延、带宽、平安性、靠得住性等机能指标。

在一个自力的物理收集上切分出多个逻辑收集，从而避免了为每一个买卖扶植一个专用的物理收集，能够大大节约布置成本。

边缘较量

5G壮大的收集能力使得数据传输不再是瓶颈，而较量会左支右绌。大量的数据在终端与云端之间一直的传输，若是只靠云端来进行较量，整体延时较大，较量成本较高；所以，思科提出了雾较量，ETSI提出了移动边缘较量都是进展将较量功能从集中单一的云端下沉涣散到数据采集端，能够降低做出响应的时间，降低整体较量成本，提高系统机能。

在5G中，因为SDN、NFV手艺的采用，以及三大应用场景的实施，移动边缘较量MEC成为了实际，并且将5G这个庞然大物变得加倍智能，无处不在。

平稳的不确定性

好多事情老是会也许率的发生，但从哪里爆发却很难展望！

5G的手艺机能周全碾压4G，也就是说，只要在成原形同的情形下，凡是有4G的处所都能够被5G所庖代。那这个5G的布置成本和运维成本能与4G持平甚至更低吗？

在回覆这个问题之前，我们先看下4G的情形。自2013年，中国三大运营商在4G累计投资跨越8000多亿元，到今朝还没有收回成本。这是电信运营商的梦魇，而每年的提速降费，更是将这个梦魇酿成了一种无力回天的绝望。

岂非5G能比4G示意的更好吗？

至少，经济咨询师们是非常乐观的，他们估计中国在2020-2025年时代的5G收集总投资额是0.9-1.5万亿元，而电信企业的5G买卖收入将达到1.9万亿，不再吃亏。并且，5G商用的直接拉动经济总产出估计为10.6万亿，间接拉动经济总产出为24.8万亿，将对社会经济带来壮大的拉动感化，更不消说新一代的巨无霸将浮出水面，与BAT和TMD们抗衡。

我们无法展望5G催生出来的新财富形态是什么样的，但能够一定的是5G对各行各业的渗透将会对社会生产模式，甚至生产关系发生深远影响。

我们也无法展望5G时代的新霸主是哪家公司，但能够一定的是这家公司今朝该当方才成立或许还没有成立，他将面临的是一个今朝都很生疏的范畴。

我们也无法展望5G会有多强的生命力，在4G的陆续与6G的紧逼下会绚烂多久，但能够一定的是诸多立异性手艺培养的立异性脑筋，将让我们进入一个新时代！

5G沙龙的嘉宾、工作人员和部门参会者，二排左四为孙传授

作者简介：孙松林，传授，博士生导师，现任北京邮电大学信息与通信工程学院多媒体教研中心主任，IEEE高级会员、中国较量机学会CCF高级会员、ACM会员。2003年于北京邮电大学获得工学博士学位。研究偏向为智能旌旗处理、视频编码与通信，在移动互联网平安手艺国度工程实验室、可托分布式较量与办事教育部重点实验室从事科研工作。

负责的留学研究生课程《通信综合实验》在2016年被教育部评为来华留学英语授课品牌课程，是今朝获评的独一的实验类课程。

旁观孙传授演讲视频，快点击阅读原文（视频从1小时14分钟处起头）！

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