3GPP是個什麼組織 | 為啥5G標準離不開它

3GPP一直以來在人們心中是一個神秘的組織, 很多用戶對於它的理解和認知, 說不清, 道不明. 最近關於5G網路的諸多報道, 都陳述了 '5G網路' 的標準是由 '3GPP' 來規定的, 那麼它到底是個怎樣的組織? 我也不賣關子了, 一同揭曉它神秘的面紗.

'3GPP' 組織建立的來龍去脈

上世紀80年代, 電話開始普及使用, 人們僅僅使用的是類比, 僅限語音的蜂窩電話標準, 被稱為 '第一代移動通訊技術' , 也叫 '1G' , 代表設備是大哥大, 只能打電話.

人們在傳輸數據的過程中發現, 太大的數據資訊很難在傳播過程中消耗的時間太多了, 歐洲人穎悟絕倫, 把時間分割成了周期性的幀(Frame), 每個幀再分割成若干個時隙向基站發送訊號, 這種技術叫做時分多址 (TDMA) , 基於這個技術, 歐洲人研製出了第二代通訊技術, 也叫 'GSM (Global System For Mobile Communications) ' , 俗稱2G, 中國在1995年左右開始部署GSM網路.

到了20世紀中期, 當時二代通訊技術已經使用一段時間了, 一位美國女子名叫海蒂·拉瑪 (她還是著名的影視演員) 基於時分多址發明了新的通訊技術: 碼分多址 (CDMA ) , 和時分多址有區別的是, 它是靠資訊的編碼序列來分割成若干個碼隙向基站發送訊號, 被稱為2.5代移動通訊技術.

國內的移動及當時的網通選擇了主流的GSM網路製程, 而CDMA最初被中國電信引入國內, 並且搭配133號段投入市場使用, 後來在08年通訊行業重組, 原網通和聯通合并為新聯通, 聯通的CDMA網路業務和133號段則劃歸了電信所有. 因此目前市面上的CDMA網路手機卡及支援CDMA網路的手機均是電信.

GSM和CDMA, 一個是 分割時間 , 一個是 分割編碼 , 很難說哪個製程更好, 只能說各有千秋.

互聯網在2G網路製程的帶動下, 日益壯大, 各式各樣的移動設備, 台式電腦等數位產品霎時間蜂擁而至. 消費者感受到了二代移動通訊技術的益處, 越來越期待第三代 (3G) 通訊技術的到來.

網路製程的全球普及, 使人們越來越依賴於 '無線上網' , 理念是: 為了定義完整的端到端系統規範, 確保符合行業需求, 不同廠商之間實現無縫互操作以及為移動提供其所必需的全球規模 , 並且也為了實現 GSM 由2G網路到3G網路的平滑過渡的需求, 從而產生了一個組織, 如果將全球無線通訊比作一個村的話, 那麼這個組織絕對是這個村裡的村長, 它讓你 '耕什麼地' 你就得耕什麼地, 它讓你的 '莊稼' 長多高你的莊稼必須長那麼高, 否則對不起, 你不屬於這代通訊技術的 標準 , 這個組織就是3GPP. (注意, 3GPP是實現GSM演化成立的. )

3GPP建立時, 各國都在討論誰當 '老大' 合適, 當老大爽啊, 有話語權, 但是, 每一代 移動通訊技術的革新並不是某個體公司能完成的, 它要設計到基站的建設, 匹配製程的晶片製造, 從中的技術研發, 採用怎樣的頻率, 運用多少的波段等等, 畢竟關乎全球用戶無線上網的問題, 最後商量了下, 全球各國幾個在通訊領域有重要地位或作用的運營商, 來做3GPP的成員, 先後足足請了七個大佬, 它們分別是: 日本無線工業及商貿聯合會(ARIB), 中國通信標準化協會(CCSA), 美國電信行業解決方案聯盟(ATIS), 日本電信技術委員會(TTC), 歐洲電信標準協會(ETSI), 印度電信標準開發協會(TSDSI), 韓國電信技術協會 (TTA) .

有了組織就是好辦事兒, 在3GPP的帶動下實現了第三代移動通訊技術 (3G) 的W-CDMA技術, TD-CDMA技術的普及化.

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3GPP是為了實現歐洲人創造的GSM的演化, 那個美國美女演員創造的CDMA能善罷甘休? 不行, 我們北美也要創立一個! 第二年1999年, 北美公司聯合晶片巨頭高通等創立了個3GPP2, 和3GPP有一定的競爭關係, 只不過後來高通又放棄了CDMA向4G演化的路線, 3GPP2也逐漸邊緣化, 倒是3GPP逐漸壯大了. 到了LTE (Long Term Evolution, 長期演化), 也就是4G, 各大運營商開發出了TD-LTE和FDD-LTE兩種製程, '村長' 3GPP出來了, 說你們這個製程不滿足我的標準, LTE只有3.9G, 你們不叫4G, 這讓運營商很尷尬, 最後四捨五入, 3.9G就叫4G吧! 就一直按4G叫了, 其實未被3GPP認可, 國內的4G網只是3GPP的3.9G的標準.

後來運營商無奈, 按照3GPP對於4G的標準推出了升級版的LTE Advanced, 這才滿足國際電信聯盟對4G的要求, 直到後來的LTE-A才叫做4G.

時光飛逝, 轉眼到了2017年, 從1998年成立以來, 3GPP不斷擴大, 由成員驅動, 涉及數百家公司的大量工作和協作, 包括網路運營商, 終端製造商, 晶片製造商, 基礎設施製造商, 學術界, 研究機構, 政府機構, 累積到2017年會議參與者突破6000多人, 好傢夥, 厲害了.

對於未來的第五代通訊技術 (俗稱5G) , 3GPP提前好打預防針, 告訴底下和無線網路相關的公司, 說你們必須按照我的要求制定5G, 要不然我還是不承認. 底下公司齊聲說 '啥要求啊? ' 3GPP說, 5G必須要提高速率和降低時延 , 並規定, 5G網路用戶體驗傳輸速率至少需符合100Mbps (12.5M/s) 下載速度, 50Mbps (6.25M/s) 上傳速度, 網路延遲時間不得超過4毫秒, 並且在時速500公裡的高速列車上也能維持穩定網路連接.

底下眾公司紛紛贊同, 並答應必須執行到位.

第四代移動通訊技術, 不聽話! 不承認標準還出, 氣的3GPP不輕, 臨近5G時代得好好整改整改你們, 3GPP還要求了, 5G無線網路時代不能僅涉及數據服務和語音服務, 要拓展移動生態系統, 普及到無線回程, ULL, 無人機等關鍵業務型服務, 數字電視廣播, 汽車服務, M2M/loT服務等等.

並且定義了三大場景: eMBB, mMTC和URLLC , 對應了想要涉及的領域.

3GPP將 '5G' 視為是一個重大的改革, 要具備五大創新!

眾公司說: '行, 你是頭兒, 你說咋整就咋整, 說吧, 哪五大創新. '

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第一大創新: mmWave

提到網路速率, 必定和頻率, 波長, 以及光速三者有關, 它們的關係是這樣的:

接著看下一張圖:

從上方圖片中的綠色字型不難看出, 長期以來, 我們主要使用中頻到超高頻來實行手機通訊的. 經常所說的CDMA 800, GSM 850, 就是工作頻段800MHz和850MHz的意思. 就目前來說, 現如今的4G LTE屬於超高頻和特高頻.

並且我們國家主要使用超高頻. 依照第一個圖的公式, 頻率越高, 速度越快, 車道 (頻段) 也就越寬.

恩, 要想速率快, 頻率就越大, 因為光速是恒定的, 頻率大就意味著.....

也就意味著波長越小, 5G的第一個創新技術就來了, 率先使用目前波段較小的mmWave (毫米波) , 就目前的動態來看, 毫米波段中28GHz頻段和60GHz頻段比較有希望使用在5G的兩個頻段中, 使用毫米波頻段, 頻譜頻寬比較前代要寬了10倍, 傳輸速率自然也得到大幅度提升.

第二大創新: Massive MIMO

MIMO的英文全稱是Multiple-Input Multiple-Output, 意為 '多進多出 ' , 說白了就是基站的天線變多了, 並且手機的接受能力也變強了, 源頭上多根天線發送, 接收對象多根天線接受.

通過實際圖片看下區別: 以前的基站, 天線數量寥寥無幾.

再看看新式Massive MIMO技術基站:

是不是有點高大上, 充滿 '未來科技' 的感覺呢.

細心觀察的朋友要問了, 這5G的基站好小啊, 比之前的大鐵塔形狀的小很多. 沒錯! 為了進一步提升5G網路的覆蓋面積, 5G網路將原有的宏基站改為了微基站, 換句話說, 之前的訊號向中央空調, 一個溫暖一群人, 而現在則是按照小群體分配一個 '小功率' 空調, 不僅輻射被大幅度降低, 覆蓋面積也好, 速率也變得越快.

第三大創新: Beam Management

Beam Management意為波束賦形, 也是第五代移動通訊技術的一大創新, 它主要是改變了訊號的發射形式進行的改變. 說到基站發射訊號的形式, 有些類似於燈泡發光, 它是360度向四面八方發射的, 對於光而言, 要想照亮某個區域或某處物體, 大部分散發出去的光都浪費了.

而波束賦形就比較厲害了, 它是一種基於天線陣列的訊號預處理技術, 通過調整天線陣列中的每個陣元的加權係數產生具有指向性的波束, 通俗的將, 它可以改變訊號的發射軌跡, 實現 '點對點' 有針對的訊號傳播.

硬是給訊號發射形態 '捏' 了個長條造型, 無不讓人佩服5G通訊技術的前進.

第四大創新: LDPC/Polar

前面說過, 3GPP對應想要涉及的領域, 定義了5G的三大場景: eMBB, mMTC和URLLC.

不知道朋友們記不記得2017年11月下旬, 華為公司主推的Polar Code (極化碼) 方案拿下5G, 作為控制通道的編碼方案, 這個方案便是3PGG制定的三個場景之一的eMBB場景, 而高通主導的LDPC碼作為數據通道的編碼方案.

根據華為的實際測試來看, Polar碼可以同時滿足超高速率, 低時延, 大連接場景的需求, 並且能夠使蜂窩網路的頻譜提升10%左右, 與毫米波結合可以達到27Gbps的速率.

對於eMBB場景來說, 有了華為這位主力, 外加高通的扶持, 相信能夠將無線通訊技術提升到新的高度.

第五大創新: AS Layer

AS Layer是相比較4G網路的一種新型的架構模式, 主要是以正交頻分多任務 (OFDM) 為基礎的彈性參數物理層 (PHY,Layer 1) , 它可以最多包含5個次載波. 該架構可以同時回應更快速的數據與響應速度.

寫到最後

不得不承認, 從第一代移動通訊技術問世開始, 註定了它會牽扯到許多的層面, 包括用戶的使用體驗, 商家的利益等等, 而3GPP的建立並不多餘, 就像國家需要有政府的支撐, 公司要有制度的管理, 學校要有老師教育的引領, 而3GPP充當的就是這樣的一個角色, 立好了一個 '規則' , 各類供應商和用戶才能夠在科技中進步.

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