导语 | 2019 年 9 月 7 日, 腾讯技术开放日. 5G 多媒体专场在腾讯滨海大厦完美落幕. 来自腾讯多媒体实验室的专家们给大家带来了关于 5G 技术和标准的精彩分享, 揭开了许多关于 5G 的谜团. 本文由腾讯多媒体标准组总监 & 5G 专家 Stephan Wenger 为大家重点解释了关于 5G 的应用层技术特点, 并深入讨论 5G 所带来的新兴技术领域, 以及 5G 国际标准的生态系统和各种相关标准制定组织与专有技术之间的界限.
Stephan Wenger 腾讯多媒体标准组总监 & 5G 专家
Stephan Wenger 博士 2018 年初加入腾讯美国公司, 担任知识产权与标准的高级总监. 加入腾讯前, 曾任 Vidyo 公司只是产权与标准的副总裁, 及诺基亚知识产权部门和研究中心. 他还曾帮助创办了多家多媒体编码领域公司. Wenger 博士获得德国柏林理工大学计算机本科和博士学位, 目前已拥有超过 40 项专利.
一, 5G 是什么?
首先让大家 5G 有一个最简单的了解 -- 移动通讯到现在经历了五代, 具体哪五代呢?
第一代, 1G, 从 1980 年开始;
第二代, 2G, 新增了文本短信的一些功能;
第三代, 3G, 是 2000 年左右, 可以看网上冲浪, 邮件, 网页浏览等;
第四代, 4G, 从 2010 年后, 也是现在用得最多的一代, 可以上网看视频, 玩游戏等等;
那么 5G 呢? 5G 标准是智能网络, 是 "无限连接", 可以随时随地实现物物连接.
从定义上来看, 5G 究竟是什么呢?
(1)狭义定义
无线电技术 + 有限的核心 / 系统支持; 提高 IP 数据包流的服务质量;
(2)广义定义
无线电技术 + 有限的核心 / 系统支持. 大量设备 - 物联网, 设备将会更安全, 低功耗搜索, 通信和更新; 5G 适用于高分辨率视频高宽带体验, 比如 4K,8K 以后新兴媒体的体验, 支持高分辨率的视频体验在 5G 标准制定中属于第二个优先级.
总的来说 5G 普及后, 支持高分辨率视频的体验将作为 5G 标准的重要指标; 车到车之间为例的各种实体之间的连接, 新的网络拓扑结构. 现在的网络是端到端, 像车到车之间的关联需要更可靠的空间, 现在传统网络拓扑是不可行的, 我们需要一个新的而且更加可靠性网络拓扑支持; 比如 5G 网络承诺的低于 1 毫秒的超低延迟. 这将会在新兴工业制作, 特别是游戏, 将会产生很大的作用.
5G 生态重要的内容包括有: 硬件芯片的制作, 软件和标准的制定. 腾讯多媒体实验室目前专注于 5G 下的物联网, 高分辨率视频体验, 车到车之间和其他超低延迟业务.
二, 5G: 一种基于 IP 的应用驱动的移动通信方法
1. 5G 的应用和驱动力
5G 应该从以下三个维度理解.
第一个是高宽带, 大家可能对 5G 的最高理解是有了 5G 后带宽就高了.
第二个是多连接, 5G 不止高宽带, 还是多连接, 以后手中的智能家居, 智能手表等都起到物物连接的特性.
第三个, 可靠性, 低延时. 可靠性, 可用于一些重要的应用产品, 比如无人驾驶, 可靠性比较很高. 低延迟, 红色圈注的是腾讯目前重点关注的领域(见 PPT),8K,AR/VR, 自动驾驶, 物联网, IoT, 对低延迟有很高的要求, 这是 5G 标准给我们带来的新特性举例.
2. 5G 标准制定在 ISO/OSI 网络协议层的体现
下图中, 左边是 ISO 网络定义的七层: 应用层, 表示层, 会话层, 传输层, 网络层, 数据链路层, 物理层. 5G 标准制定活动主要是在第三代合作伙伴 3GPP 里.(维基百科: 3GPP, 第三代合作伙伴计划是一个成立于 1998 年 12 月的标准化机构. 当前其成员包括欧洲的 ETSI, 日本的 ARIB 和 TTC, 中国的 CCSA, 韩国的 TTA, 北美洲的 ATIS 和印度的电信标准开发协会. 3GPP 的对于 5G 的目标是在国际电信联盟的 IMT-2020 计划范围内制订和实现全球性的移动电话系统规范.)
这是从上往下说, 3GPP 在应用层是分量最小的. 我们身边接触的所有计算机网络协议都是在 IETF 里制定的. 在 ISO 中, 3GPP 5G 标准在应用层占的份额很少; 在 Transport 层中 3GPP 占很大分量. 往下是数据链路层, 物理层. IEEE 则会制定一些物理层 5G 标准协议.(后面会有简要介绍都是有哪些协议).IETF 和 3GPP 合作共同完成 5G 在传输层一些协议制定; 腾讯参与 5G 制定和 IETF,3GPP 的一些活动包括网络层, 传输层, 应用层中包括对动态图像, 数据压缩, 图像压缩的应用.
三, 5G 物理层和链路层简介
5G 发信号的天线是怎么样的?
下图中, 左边展示了从 4G LTE 到 5G 过渡时的天线展示, 在 5G 网络铺设环境下, 天线可能会指向一个特殊的角度和保证全方面无死角的网络覆盖. 右边显示一种纯 5G 的发射盒子, 他们的体积可能会小. 右边下面小的芯片是 5G 发射的芯片一个图例.
下面会讲讲 5G 创新的技术, 比如大规模天线阵列和毫米波.
5G 网络底层系统架构
如下图所示, 五种 5G 创新技术包括: 大规模多入多出; 全双工, 实现消费者内容共享; 毫米波; 用于频谱效率波束成形技术; 蜂巢式基站.
5G 时代不只是高带宽. 其他技术点, 比如大规模多入多出. 5G 天线有很多发射和接收, 不像之前 4G 很单向. 还有支持全双工, 5G 体现在上传能力会加强, 对于一些应用, 比如视频会议, 需要很高的上传能力, 包括文件传输, 5G 会很大的提高. 毫米波, 是它的缺点也是它的优点, 缺点是它的穿透力很差, 优点就是具有很好的方向性. 波束成形技术, 这是 5G 的驱动力, 可以允许大家多设备连接, 是 5G 的新增技术. 蜂巢式基站, 传统 4G 或者 4G LTE 是方圆几公里有一个基站, 5G 的基站相邻会相对近很多.
四, 5G 标准制定相关组织
5G 标准是根据 ITU-T,ITU-R 的国际标准组织(代码 MT2020).5G 标准的制定主要在 3GPP 里. 3GPP 有三个组织: SA,CT,RAN.3GPP 制定 5G 时跟也会其他的国际组织有合作比如 IETF, 尽量利用现有技术来实现 5G 的一些特性.
上图左边看是 MPEG, 负责多媒体, 在视频压缩, 视频传输的标准制定, 这块多媒体实验室投入的人力和资源非常大, 产出也非常出色. 另外一个是 CODEC, 是 3GPP 跟 ITU-T 共同合作的. 网络协议在 5G 中的应用比如 SIP,SDP 主要跟 IETF 合作.
IETF 是互联网工程任务组, 之前一些互联网协议都是 IETF 制定的. 跟 5G 相关的还有会话描述协议, RTP 实时传输协议, 这几块协议将在 5G 扮演很重要的角色, 而且这些是在 IETF 里制定的, 将会在日后 5G 定义时起到很好的 IP 包传输协议作用. 还有其他的, 包括移动 IP 技术, 路由协议, 安全等 IP Prtocols 协议也会在 3GPP 里被讨论, 放入 5G 标准组织里.
1. 国际电信联盟
国际电信联盟 ITU(简称国际电联)成立于 1865 年. 它的宗旨在于提高国际通信网络的标准化. 国际电联标准化部门 (ITU-T) 和无线电通信部门(ITU-R) 对 5G 标准制定过程起到了关键的作用.
(1)ITU-T 和 ITU-R 在制定 IMT-2020 时有四个阶段
2012 年 3GPP 刚开始有对于 5G 的设想, 一直到现在 2020 年, 参会人员大概 600 多人, 包括华为和高通. 他们现在为了完成 2020 年 5G 标准制定的节点, 也在很紧张的进行最后的标准制定.
(2)5G 标准在设想时一直到今天 5G 到底实现了哪些技术点?
千兆 (G) 级峰值速率, 提高流量的密度, 相对 4G 来降低能耗, 百兆级用户体验速率可达 1Gbps, 相对 4G 来说提高频谱效率, 移动性能高达几公里 / 小时, 毫秒级超低延迟, 支持超高链接设备数量.
当时承诺的是 100 兆微秒, 现在最多可以达到 1G, 所以已经实现了; 提高频谱效率也实现了; 支持移动性能高达几公里 / 小时, 以后在高铁上手机上网, 用网络都没有问题; 超低延迟, 原来计划 10 毫秒到 1 毫秒, 在某些区域已经实现了 1 毫秒的延迟; 支持高链接设备数量, 当时设想的是 1 平方公里支持 100 万的连接设备, 现实中已经远远超过了本来的设想, 超过 100 万每平方公里; 对于 4G 降低能耗, 已经完全做到; 提高流量密度, 当时设想的是每平方米有 10 兆的流量, 已经实现并且远远超过; 峰值, 最高用户可以体验到峰值率是 20, 在某些地方已经实现, 但大部分地区还没有实现. 5G 的标准制定是从 4G LTE 的延续, 纯 5G 将在 2020 年实现.
3GPP 标准的实现是根据不同的发布, 2017 年绿色部分是第一代 5G, 是 LTE 的延伸, 现在是 16, 一直到 2020 年完成最后的标准制定.
2. 第三代合作伙伴计划
3GPP 标准组织中有三个主要组成部分: RAN, SA, CT. RAN 是无线电标准的制定, 这块是 5G 的核心; SA 是服务和系统方面的标准制定; CT 是核心网络. SA 系统架构这块, 我们实验室在 SA2,SA4,AS6 都有紧密的合作. SA2 主要是定义了软件应用在 5G 上的标准制定, 系统架构等等; SA4 主要是跟多媒体相关, 包括多媒体视频压缩的编解码, 多媒体传输系统的制定. 比如我们想在 5G 下怎样用微信做视频会议, 用微信传输一些文件等等, 这些很多协议标准制定就在 SA4 里做的; SA6 主要是做需要可靠性, 依赖性强的, 比如现在有些地震, 需要在这种情况发生下, 如何用 5G 网络不间断的发送求救信号等等服务.
3. 第互联网工程任务组
(1)什么是 IETF?IETF 在 5G 里起什么作用
IETF 组织跟其他组织不太一样, 它相信大致共识, 就是会场里不是所有人都同意, 大部分人同意就可以, 而且你所提出的提案必须大部分有代码支持, 有一定的实现才可以, 它没有会员资格, 个人参与为主, 大部分是公司赞助, 学术资助等等. 5G 主要是在 3GPP 里制定, 核心的部分 CT 和 SA 跟 IETF 有紧密合作.
(2) IETF 的工作性质与 3GPP 类似
每次大约有 1000~1500 的参会者, 6000 多种邮件工作组列表. 截至 2019 年: 涉及 7 个网络相关的技术领域和 100 多个工作组, 很多组达到几百人. IETF 有一个特性, IETF 正式开会前两天会有一些编码比赛, 尊重标准实现和代码的可用性.
(3)IETF 5G Key Technologies
在 5G 制定过程中, IETF 继续使用传统技术, 比如 IPv6,HTTP,HTTP/2, 身份验证 / 可扩展的身份验证协议, 移动 IP.IETF 中与 5G 相关的技术领域: REST-based 的网络 API, 路由协议, 其中包括确定性网络; IP 多媒体子系统技术(会话初始协议 / 实时传输协议).IETF 革命性的技术研究方向包括 QUIC, 软件定义网络, 信息中心网络等也将会在 5G 标准制定的考虑范围内.
4. 媒体编解码组织
(1)动态图像专家组
MPEG 每次大概会有约 600 名活跃参会人员. 它是一个与其他标准制定组织 (JVET) 的联合活动; 涉及的领域有: 音频, 平面视频(包括 EVC,WC); 沉浸式媒体; 系统层, 文件格式(ISO-MBFF), 应用程序格式(CMAF,OMAF), 系统设计(NBMP); 非媒体压缩).
五, 腾讯多媒体实验室 5G 标准相关项目
前沿创新多媒体
视频流量必定占据越来越多的网络带宽, 超高分辨率(比如 4K,8K), 超高帧速率(50/60Hz,100/120Hz), 超高颜色深度; 但不管网络技术多么高速发展, 高质量视频压缩越来越是一个不可缺少的技术; 前沿多媒体体技术和 5G 时代下的创新媒体技术将会在后面的分享中分开来讲.
Real-time Media over QUIC
将 RTP 移到网络堆栈中的 QUIC 上方实现: 1)安全, 更加可靠的传输 (更好地源 / 信道编码优化);2) 防火墙 / 网络地址转换的优化; 3)合作式网络(大型 QUIC 部署); 将与媒体相关的优化工作转移到第三方服务提供商, 脱离对运营商的技术依靠.
PTP Payload Format for VVC/EVC
同时腾讯多媒体实验室的 VVC/EVC 重视源编码的相关开发项目; 同时负责在 IETF 中 RTP VVC 负载格式的撰写和实现. 我们认识到 VVC/EVC 将是实时通信场景中一种必须的视频压缩技术, 适合早期使用对象, 将会具有很高的市场需求.
来源: https://www.qcloud.com/developer/article/1522280