北邮博导孙松林：5G 新物种开启新时代
【编者按】6月29日，CSDN举办了以“5G在物联网领域的技术应用实践”为主题的程序员技术沙龙。沙龙上，北邮教授、博导孙松林发表以《物联网技术在5G中的机遇与挑战》为主题的演讲。
孙教授，位高而谦卑，和CSDN工作人员前期沟通时，每次微信沟通中一定是先向工作人员问好。
作为科技布道者，他的演讲也格外受欢迎。演讲结束后，与会者把他“团团围住”。若不是编者请孙教授和大家一起合影，“围堵”怕是很难结束。是什么样的演讲？会让观众这么喜欢？今天这篇文章，正是孙教授根据当天演讲亲自撰写的文章，以飨未能到场的读者。
作者 | 孙松林
来源 | CSDN（CSDNnews）
孙教授在CSDN 5G程序员技术沙龙演讲，下同
01 熟悉的陌生人
5G的到来，因为中美贸易战，因为华为，显得格外瞩目。移动通信从1G到5G，一代代走来，大家已经耳熟能详了，所以5G的出现并不陌生，而且可以预知下一代是6G。但是，每一代的出现必然有着革命性的进步，不但在技术上有跨越式的颠覆，而且在产业上有巨大的影响力。
5G到底有哪些与4G不同的地方，又会有哪些不同凡响的影响力？这部分主要介绍移动通信的发展史，来介绍5G为什么会发展到今天这个样子，它期望给社会带来什么。
全球通信业的技术权威是国际电联，位于瑞士日内瓦，紧邻联合国总部。2015年10月，IMT-2020一锤定音，被命名为5G的正式官方名称。IMT是International Mobile Telecommunications国际移动通信的简称，2020则是希望在2020年可以进行商用。在此之前，著名的3G官方名称是IMT-2000，而4G则是IMT-Advanced。
4G技术的确定和最后的商用，使得用户惊讶于100Mbps移动接入速率已经超乎需求。而在此之前数年，技术专家们也已经预见到4G将是一个颠覆性的革命，但的确没有想好后面的技术如何能有更加革命性的进步，所以将其命名为IMT-Advanced。
不是当时的技术人员保守或者悲观，而是因为香农定律非常明确的规定了通信技术的极限。只要不修改香农定律，人类可以达到的边界是非常明确的！
梦想是人类前进的最大动力！时过境迁，在众多高校、研究院所、公司大规模的头脑风暴，完成了海量的文章专利专著后，以3GPP为首的各大标准化组织开始系统性的将各种技术进行总结归纳，非常惊奇的发现，原来我们的技术还是可以继续向前迈一大步的！
香农老先生没有深入考虑多天线带来的效能提升，也没有考虑高频段超密集组网带来的容量提升，还有诸多的改进带来了质的飞跃，这些促成了5G的颠覆性技术。不仅如此，5G也第一次真正实现了全球一个标准。
▲ 图1 全球移动通信标准的演进
图1给出了全球移动通信标准的演进简图。尤其是3G时代，中国的三大运营商经营着三种不同的通信标准，还有一种标准没有在中国大规模推广；4G曾经一度想统一，但最终还是分成了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性能指标的对比
从目前公开确定的指标看，5G是全面碾压4G的。图2给出了4G和5G性能指标在8个维度的对比，外框是5G，内框是4G。
根据信息交互对象的不同，5G分为三大应用场景：增强移动宽带、海量机器类通信、高可靠低延时连接。
在专家们讨论5G应用的时候，一开始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、广域覆盖的平原地区等等。通过对这些典型场景的特征归纳和技术改进的发展路径，最终形成了目前的三大技术场景。其中，增强移动宽带eMBB：Enhanced Mobile Broadband主要是4G对个人用户的延续，提供大带宽高速率的移动服务；海量机器类通信mMTC：massive Machine Type of Communication主要是面向广域低功耗覆盖的物联网服务；高可靠低时延连接URLLC：Ultra Reliable & Low Latency Communication主要是面向高速移动的新一代高铁、车联网和工业环境下的应用服务。
5G三种场景各有分工，互为补充，将移动通信从个人业务延拓到工业环境，“4G改变生活，5G改变社会”，主要是从应用场景的扩展上来说，而更深层次的是5G这个新的网络基础设施将给社会带来意想不到的跨越式进步。
对于未来，3GPP已经做出了规划，将于2023年开启6G研究，2025年下半年开始进行6G标准化，2028年下半年将会有6G设备产品。6G发展目标的发展目标是“支持多种应用，以支持未来的数字社会”，其核心技术现状还处于探索和讨论阶段，目前看可能的关键技术包括太赫兹、天地一体化等。
02 亦敌亦友的伙伴
做为无线数据通信技术，WLAN一直是高速接入的首选。语音业务用电信系统，数据业务用WLAN系统，双方共用用户的一个网络终端，互为补充，倒也相安无事。但在4G技术之后，电信系统进行了革命，不再将语音业务做为自己的基础业务，将全部火力集中在高速数据通信上，这样导致WLAN的优势逐渐丧失。到了5G时代，其数据接入速率已经与WLAN持平，双方旗鼓相当。
从之前的友军变成了竞争对手，5G与WLAN正式开始了争夺用户终端之战。
技术路线的选择从来贯穿了技术发展史。早在2000年前，数据传输技术就有IP和ATM之争，当时做为在技术上更加先进的ATM首先在局域网上落败；随后几年，在城域网上渐渐失守；直到被IP技术彻底替换掉。
第一代移动通信技术是瞄准电信业务移动化来实现的，所以语音业务就是最重要的基础业务，从核心网到接入网，从业务流程到安全认证，都是以电路交换技术为基础的确定性服务为技术基础。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，只存在接通还是没有接通。
而网络的移动化就要求分组交换技术追求高速率、低延迟、低丢包率，这个任务就交给了WLAN。IEEE在制定了WLAN核心标准后，由WIFI联盟授权给各设备商制造。其数据传输速率始终比同时期的蜂窝移动通信速率要高很多。
一个负责语音，一个负责数据，相得益彰，大家和平共处的使用着同一个用户终端。
但事情在4G时代发生了变化。
以IP为代表的分组交换技术在全面替代电路交换技术的过程中，不断完善，从仅仅勉强传输网络数据，到可以顺畅的传输语音、视频等多媒体数据，越来越显得游刃有余。IP电话的出现，因为其低资费甚至免费，迅速赢得了用户。语音，这个传统电信的基础业务被动摇了。
4G时代，还有一个重大的事情，就是移动互联网的飞速发展，尤其在中国。2000年前后成立的BAT们，培育了用户的网络习惯，孕育了互联网思维，进而影响了大家的信息交互方式，从过去仅有的电话语音沟通，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，大家对于语音交互的依赖越来越小了。
还有最致命的一点是，从4G时代开始，蜂窝移动通信的数据传输速率已经明显了接近同时期WLAN的数据传输速率了。中国持续多年的“提速降费”使得WLAN的成本优势不断下降，而其安全隐患被慢慢重视起来。所以，大家开始越来越多的选择直接使用更加安全、资费不是太高的4G来完成所有业务。
这种趋势，在5G将更加明显。
2019年，5G标准并没有完全制定完，但在很多国家已经迫不及待的商用了；也是在2019年，WLAN发布了最新的IEEE802.11ax标准，两者的数据传输速率对于用户来说相差不多，而且彼此都想进入各自的领域，这点在物联网市场争夺的最为激烈。
长久来看，5G虽然有高安全性的优势，但WLAN有低成本的优势，两者对应用场景的适配不同，未来应当走向融合。
03 新物种的进化
冰冻三尺非一日之寒，5G在性能指标上的革命性提升是若干微创新小改进的累计得到的。它应用了诸多创新性技术，如大规模天线阵列、毫米波通信、全频段组网、超密集组网、网络切片、网络功能虚拟化（NFV: Network Function Virtualization）、边缘计算（MEC: Mobile Edge Computing）等。正是这些崭新的技术，使得5G看起来更像是一个新物种。
大规模天线阵列Massive MIMO
香农老先生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，更多的是基础性的单天线模式，完全想不到工程师们会在不经意间通过精巧的空间排列形成强大的通信能力。
5G基站可以使用256根天线，而且通过二维排布，实现了3D波束成型，提高了信道容量和覆盖。而且，多用户天线阵列MU-MIMO的实现，可以使得天线波束随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，是美好的梦想。
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。传统移动通信频段主要集中在3GHz以下的优良资产，导致频谱资源十分拥挤；虽然高频段（如毫米波、厘米波）可用频谱资源丰富，但因为固有的缺点应用较少。
近年来，强烈的大带宽通信需求，使得高频段资源不断被开发，尽量将其转化为优良资产使用，毕竟，只有在毫米波这样的频段才会为一个终端提供几十兆赫兹的带宽，而且小型化高增益的天线更是终端设备所梦寐以求的。
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、容易受气候环境影响，而且射频器件、系统设计等方面的问题较多，所以还是有较多的挑战。
网络切片
网络切片是一个逻辑上的概念，将物理网络切分成多个虚拟网络，每个网络适应不同的业务需求，而切分依据则是时延、带宽、安全性、可靠性等性能指标。
在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络，从而避免了为每一个业务建设一个专用的物理网络，可以大大节省部署成本。
边缘计算
5G强大的网络能力使得数据传输不再是瓶颈，而计算会捉襟见肘。大量的数据在终端与云端之间不停的传输，如果只靠云端来进行计算，整体延时较大，计算成本较高；所以，思科提出了雾计算，ETSI提出了移动边缘计算都是希望将计算功能从集中单一的云端下沉分散到数据采集端，可以降低做出响应的时间，降低整体计算成本，提高系统性能。
在5G中，因为SDN、NFV技术的采用，以及三大应用场景的实施，移动边缘计算MEC成为了现实，而且将5G这个庞然大物变得更加智能，无处不在。
04 平稳的不确定性
很多事情总是会大概率的发生，但从哪里爆发却很难预测！
5G的技术性能全面碾压4G，也就是说，只要在成本相同的情况下，凡是有4G的地方都可以被5G所取代。那这个5G的部署成本和运维成本能与4G持平甚至更低吗？
在回答这个问题之前，我们先看下4G的情况。自2013年，中国三大运营商在4G累计投资超过8000多亿元，到目前还没有收回成本。这是电信运营商的梦魇，而每年的提速降费，更是将这个梦魇变成了一种无力回天的绝望。
难道5G能比4G表现的更好吗？
至少，经济咨询师们是非常乐观的，他们预计中国在2020-2025年期间的5G网络总投资额是0.9-1.5万亿元，而电信企业的5G业务收入将达到1.9万亿，不再亏损。而且，5G商用的直接拉动经济总产出预计为10.6万亿，间接拉动经济总产出为24.8万亿，将对社会经济带来强大的拉动作用，更不用说新一代的巨无霸将浮出水面，与BAT和TMD们抗衡。
我们无法预测5G催生出来的新产业形态是什么样的，但可以肯定的是5G对各行各业的渗透将会对社会生产模式，甚至生产关系产生深远影响。
我们也无法预测5G时代的新霸主是哪家公司，但可以肯定的是这家公司目前应当刚刚成立或者还没有成立，他将面临的是一个目前都很陌生的领域。
我们也无法预测5G会有多强的生命力，在4G的延续与6G的紧逼下会辉煌多久，但可以肯定的是诸多创新性技术造就的创新性思维，将让我们进入一个新时代！
▲ 5G沙龙的嘉宾、工作人员和部分参会者，二排左四为孙教授
作者简介：孙松林，教授，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、中国计算机学会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。研究方向为智能信号处理、视频编码与通信，在移动互联网安全技术国家工程实验室、可信分布式计算与服务教育部重点实验室从事科研工作。
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