3GPP是个什么组织 | 为啥5G标准离不开它

3GPP一直以来在人们心中是一个神秘的组织, 很多用户对于它的理解和认知, 说不清, 道不明. 最近关于5G网络的诸多报道, 都陈述了 '5G网络' 的标准是由 '3GPP' 来规定的, 那么它到底是个怎样的组织? 我也不卖关子了, 一同揭晓它神秘的面纱.

'3GPP' 组织建立的来龙去脉

上世纪80年代, 电话开始普及使用, 人们仅仅使用的是模拟, 仅限语音的蜂窝电话标准, 被称为 '第一代移动通讯技术' , 也叫 '1G' , 代表设备是大哥大, 只能打电话.

人们在传输数据的过程中发现, 太大的数据信息很难在传播过程中消耗的时间太多了, 欧洲人颖悟绝伦, 把时间分割成了周期性的帧(Frame), 每个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号, 这种技术叫做时分多址 (TDMA) , 基于这个技术, 欧洲人研制出了第二代通讯技术, 也叫 'GSM (Global System For Mobile Communications) ' , 俗称2G, 中国在1995年左右开始部署GSM网络.

到了20世纪中期, 当时二代通讯技术已经使用一段时间了, 一位美国女子名叫海蒂·拉玛 (她还是著名的影视演员) 基于时分多址发明了新的通讯技术: 码分多址 (CDMA ) , 和时分多址有区别的是, 它是靠信息的编码序列来分割成若干个码隙向基站发送信号, 被称为2.5代移动通讯技术.

国内的移动及当时的网通选择了主流的GSM网络制程, 而CDMA最初被中国电信引入国内, 并且搭配133号段投入市场使用, 后来在08年通讯行业重组, 原网通和联通合并为新联通, 联通的CDMA网络业务和133号段则划归了电信所有. 因此目前市面上的CDMA网络手机卡及支持CDMA网络的手机均是电信.

GSM和CDMA, 一个是 分割时间 , 一个是 分割编码 , 很难说哪个制程更好, 只能说各有千秋.

互联网在2G网络制程的带动下, 日益壮大, 各式各样的移动设备, 台式电脑等数码产品霎时间蜂拥而至. 消费者感受到了二代移动通讯技术的益处, 越来越期待第三代 (3G) 通讯技术的到来.

网络制程的全球普及, 使人们越来越依赖于 '无线上网' , 理念是: 为了定义完整的端到端系统规范, 确保符合行业需求, 不同厂商之间实现无缝互操作以及为移动提供其所必需的全球规模 , 并且也为了实现 GSM 由2G网络到3G网络的平滑过渡的需求, 从而产生了一个组织, 如果将全球无线通讯比作一个村的话, 那么这个组织绝对是这个村里的村长, 它让你 '耕什么地' 你就得耕什么地, 它让你的 '庄稼' 长多高你的庄稼必须长那么高, 否则对不起, 你不属于这代通讯技术的 标准 , 这个组织就是3GPP. (注意, 3GPP是实现GSM演进成立的. )

3GPP建立时, 各国都在讨论谁当 '老大' 合适, 当老大爽啊, 有话语权, 但是, 每一代 移动通讯技术的革新并不是某个体公司能完成的, 它要设计到基站的建设, 匹配制程的芯片制造, 从中的技术研发, 采用怎样的频率, 运用多少的波段等等, 毕竟关乎全球用户无线上网的问题, 最后商量了下, 全球各国几个在通讯领域有重要地位或作用的运营商, 来做3GPP的成员, 先后足足请了七个大佬, 它们分别是: 日本无线工业及商贸联合会(ARIB), 中国通信标准化协会(CCSA), 美国电信行业解决方案联盟(ATIS), 日本电信技术委员会(TTC), 欧洲电信标准协会(ETSI), 印度电信标准开发协会(TSDSI), 韩国电信技术协会 (TTA) .

有了组织就是好办事儿, 在3GPP的带动下实现了第三代移动通讯技术 (3G) 的W-CDMA技术, TD-CDMA技术的普及化.

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3GPP是为了实现欧洲人创造的GSM的演化, 那个美国美女演员创造的CDMA能善罢甘休? 不行, 我们北美也要创立一个! 第二年1999年, 北美公司联合芯片巨头高通等创立了个3GPP2, 和3GPP有一定的竞争关系, 只不过后来高通又放弃了CDMA向4G演进的路线, 3GPP2也逐渐边缘化, 倒是3GPP逐渐壮大了. 到了LTE (Long Term Evolution, 长期演进), 也就是4G, 各大运营商开发出了TD-LTE和FDD-LTE两种制程, '村长' 3GPP出来了, 说你们这个制程不满足我的标准, LTE只有3.9G, 你们不叫4G, 这让运营商很尴尬, 最后四舍五入, 3.9G就叫4G吧! 就一直按4G叫了, 其实未被3GPP认可, 国内的4G网只是3GPP的3.9G的标准.

后来运营商无奈, 按照3GPP对于4G的标准推出了升级版的LTE Advanced, 这才满足国际电信联盟对4G的要求, 直到后来的LTE-A才叫做4G.

时光飞逝, 转眼到了2017年, 从1998年成立以来, 3GPP不断扩大, 由成员驱动, 涉及数百家公司的大量工作和协作, 包括网络运营商, 终端制造商, 芯片制造商, 基础设施制造商, 学术界, 研究机构, 政府机构, 累积到2017年会议参与者突破6000多人, 好家伙, 厉害了.

对于未来的第五代通讯技术 (俗称5G) , 3GPP提前好打预防针, 告诉底下和无线网络相关的公司, 说你们必须按照我的要求制定5G, 要不然我还是不承认. 底下公司齐声说 '啥要求啊? ' 3GPP说, 5G必须要提高速率和降低时延 , 并规定, 5G网络用户体验传输速率至少需符合100Mbps (12.5M/s) 下载速度, 50Mbps (6.25M/s) 上传速度, 网路延迟时间不得超过4毫秒, 并且在时速500公里的高速列车上也能维持稳定网络连接.

底下众公司纷纷赞同, 并答应必须执行到位.

第四代移动通讯技术, 不听话! 不承认标准还出, 气的3GPP不轻, 临近5G时代得好好整改整改你们, 3GPP还要求了, 5G无线网络时代不能仅涉及数据服务和语音服务, 要拓展移动生态系统, 普及到无线回程, ULL, 无人机等关键业务型服务, 数字电视广播, 汽车服务, M2M/loT服务等等.

并且定义了三大场景: eMBB, mMTC和URLLC , 对应了想要涉及的领域.

3GPP将 '5G' 视为是一个重大的改革, 要具备五大创新!

众公司说: '行, 你是头儿, 你说咋整就咋整, 说吧, 哪五大创新. '

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第一大创新: mmWave

提到网络速率, 必定和频率, 波长, 以及光速三者有关, 它们的关系是这样的:

接着看下一张图:

从上方图片中的绿色字体不难看出, 长期以来, 我们主要使用中频到超高频来实行手机通讯的. 经常所说的CDMA 800, GSM 850, 就是工作频段800MHz和850MHz的意思. 就目前来说, 现如今的4G LTE属于超高频和特高频.

并且我们国家主要使用超高频. 依照第一个图的公式, 频率越高, 速度越快, 车道 (频段) 也就越宽.

恩, 要想速率快, 频率就越大, 因为光速是恒定的, 频率大就意味着.....

也就意味着波长越小, 5G的第一个创新技术就来了, 率先使用目前波段较小的mmWave (毫米波) , 就目前的动态来看, 毫米波段中28GHz频段和60GHz频段比较有希望使用在5G的两个频段中, 使用毫米波频段, 频谱带宽比较前代要宽了10倍, 传输速率自然也得到大幅度提升.

第二大创新: Massive MIMO

MIMO的英文全称是Multiple-Input Multiple-Output, 意为 '多进多出 ' , 说白了就是基站的天线变多了, 并且手机的接受能力也变强了, 源头上多根天线发送, 接收对象多根天线接受.

通过实际图片看下区别: 以前的基站, 天线数量寥寥无几.

再看看新式Massive MIMO技术基站:

是不是有点高大上, 充满 '未来科技' 的感觉呢.

细心观察的朋友要问了, 这5G的基站好小啊, 比之前的大铁塔形状的小很多. 没错! 为了进一步提升5G网络的覆盖面积, 5G网络将原有的宏基站改为了微基站, 换句话说, 之前的信号向中央空调, 一个温暖一群人, 而现在则是按照小群体分配一个 '小功率' 空调, 不仅辐射被大幅度降低, 覆盖面积也好, 速率也变得越快.

第三大创新: Beam Management

Beam Management意为波束赋形, 也是第五代移动通讯技术的一大创新, 它主要是改变了信号的发射形式进行的改变. 说到基站发射信号的形式, 有些类似于灯泡发光, 它是360度向四面八方发射的, 对于光而言, 要想照亮某个区域或某处物体, 大部分散发出去的光都浪费了.

而波束赋形就比较厉害了, 它是一种基于天线阵列的信号预处理技术, 通过调整天线阵列中的每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束, 通俗的将, 它可以改变信号的发射轨迹, 实现 '点对点' 有针对的信号传播.

硬是给信号发射形态 '捏' 了个长条造型, 无不让人佩服5G通讯技术的前进.

第四大创新: LDPC/Polar

前面说过, 3GPP对应想要涉及的领域, 定义了5G的三大场景: eMBB, mMTC和URLLC.

不知道朋友们记不记得2017年11月下旬, 华为公司主推的Polar Code (极化码) 方案拿下5G, 作为控制信道的编码方案, 这个方案便是3PGG制定的三个场景之一的eMBB场景, 而高通主导的LDPC码作为数据信道的编码方案.

根据华为的实际测试来看, Polar码可以同时满足超高速率, 低时延, 大连接场景的需求, 并且能够使蜂窝网络的频谱提升10%左右, 与毫米波结合可以达到27Gbps的速率.

对于eMBB场景来说, 有了华为这位主力, 外加高通的扶持, 相信能够将无线通讯技术提升到新的高度.

第五大创新: AS Layer

AS Layer是相比较4G网络的一种新型的架构模式, 主要是以正交频分多任务 (OFDM) 为基础的弹性参数物理层 (PHY,Layer 1) , 它可以最多包含5个次载波. 该架构可以同时回应更快速的数据与响应速度.

写到最后

不得不承认, 从第一代移动通讯技术问世开始, 注定了它会牵扯到许多的层面, 包括用户的使用体验, 商家的利益等等, 而3GPP的建立并不多余, 就像国家需要有政府的支撑, 公司要有制度的管理, 学校要有老师教育的引领, 而3GPP充当的就是这样的一个角色, 立好了一个 '规则' , 各类供应商和用户才能够在科技中进步.

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