腾讯多媒体标准组总监Stephan Wenger:剖析5G技术及背后的标准化组织

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。

作者简介

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

  1. 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。

  1. 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

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

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