5G关键技术介绍

第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology，简称5G)是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。国际电信联盟(ITU)定义了5G的三大类应用场景，即增强移动宽带(eMBB，Enhanced Mobile Broadband)、超高可靠低时延通信(uRLLC，ultra-reliable low latency communications)和海量机器类通信(mMTC，massive Machine Type of Communication)。

5G的三大类应用场景

5G NR的标准，是在不断的演进的，目前5G涉及的标准版本为R15/R16/R17，分别对应三大场景。

R15在2018年6月已经冻结，它是5G第一阶段的标准，主要是聚焦在eMMB增强型移动宽带的场景。增强移动宽带集中表现为超高的传输数据速率，广覆盖下的移动性保证等，这是最直观改善移动网速，未来更多的应用对移动网速的需求都将得到满足，从eMBB层面上来说，它是原来移动网络的升级，让人们体验到极致的网速。因此，增强移动宽带（eMBB）将是5G发展初期面向个人消费市场的核心应用场景。

R16在2020年7月冻结的，主要关注eMMB的改进，以及uRLLC的场景以及垂直行业的应用。“高可靠低时延连接”连接时延要达到1ms级别，而且要支持高速移动（500KM/H）情况下的高可靠性（99.999%）连接。这一场景更多面向车联网、工业控制、远程医疗等特殊应用，这类应用在未来潜在的价值极高，未来社会走向智能化，就得依靠这个场景的网络，这些应用的安全性、可靠性要求极高。

R17在2022年6月冻结，它主要是聚焦的是mMTC的场景，会把海量机器类通信作为5G场景一个新的增强方向，5G强大的连接能力可以快速促进各垂直行业（智慧城市、智能家居、环境监测等）的深度融合。万物互联下，人们的生活方式也将发生颠覆性的变化。这一场景下，数据速率较低且时延不敏感，连接覆盖生活的方方面面，终端成本更低，电池寿命更长且可靠性更高，真正能实现万物互联。

5G协议演进

相对当前的4G通讯，5G给用户带来最直观的好处是提升通话质量以及传输速率。国际电信联盟ITU的相关技术规范为5G确定了八大关键能力指标：

1.峰值速率需要达到10-20Gbit/s，以满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。

2.空中接口时延低至1ms，满足自动驾驶、远程医疗等实时应用。

3.具备百万连接/平方公里的设备连接能力，满足物联网通信。

4.频谱效率要比LTE提升3倍以上。

5.连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100Mbit/s。

6.流量密度达到10Mbps/m²以上。

7.移动性支持500km/h的高速移动。

5G八大关键能力指标与4G的对比

5G组网模式分为NSA和SA两种。NSA是指非独立组网模式（Non-Standalone），它通过整合5G基站和4G基站的方式组网。该组网方式投入小、部署快，能够快速推进5G网络覆盖范围。所以NSA也是目前绝大多数国家的主流商用5G的先行组网模式。SA是指独立组网模式（Standalone）它通过建设独立的5G基站方式组网，需要完全新建5G核心网才能投入使用。该组网方式投入更大，实现基本覆盖需要更长的时间。所以SA组网模式会在NSA 5G普及过程中逐步推进。

NSA和SA的组网，架构上的主要区别是NSA是将5G的控制信令锚定在4G基站上，而SA方案是5G基站直接接入5G核心网，控制信令完全不依赖4G网络。

5G的组网方式

5G作为新一代的移动通信技术，它的网络结构、网络能力和要求都与过去有很大不同，有大量技术被整合在其中，5G的关键技术主要包括：大规模天线及波束赋形技术、毫米波技术、多载波聚合技术、上行增强技术，软件定义网络、网络功能虚拟化、网络切片技术、多接入边缘计算等。

Massive MIMO 大规模天线及波束赋形技术

与传统设备的 2 天线、4 天线、8 天线相比，采用 Massive MIMO 技术的通道数可达 32 或者 64，天线阵子数可做到 192、512 甚至更高，其增益大大超越传统设备，通过大幅提升天线振子数量，提高上下行的流数，实现速率、容量的提升。传统设备在做覆盖规划时，主要关注和满足水平方向覆盖，信号辐射形状是二维电磁波束，而 Massive MIMO 在水平维度空间覆盖基础上增加垂直维度空间的覆盖，信号辐射形状是灵活的三维电磁波束。所以 Massive MIMO 能深度挖掘空间维度资源，使得基站覆盖范围内的多个用户在同一时频资源上利用大规模天线提供的空间自由度与基站同时进行通信，形成的波束更具方向性，降低干扰，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力，通过波束赋形技术做到覆盖波束智能调控，多波束覆盖实现覆盖水平的增强，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅提高网络容量。

5G关键技术 Massive MIMO

毫米波技术

现在所用的频段资源非常稀缺（2.6GHz以下频段），而毫米波频段（30GHz-60GHz）资源却非常丰富，尚未被充分开发利用，并且随着基站天线规模增加，为了能够在有限的空间内部署更多天线，也要求通信的波长不能太长。全新5G技术将频率大于24GHz以上频段(通常称为毫米波)应用于移动宽带通信。大量可用的高频段频谱可提供极致数据传输速度和容量，这将重塑移动体验。但毫米波的利用并非易事，使用毫米波频段传输更容易造成路径受阻与损耗(信号衍射能力有限)。通常情况下，毫米波频段传输的信号甚至无法穿透墙体，此外，它还面临着波形和能量消耗等问题。毫米波技术适用于业务热点区域的吸热补盲，不适用于打底网的组网，下图列出来了典型场景毫米波的损耗。

5G关键技术-毫米波

多载波聚合技术

载波聚合是一种将两个以上载波合并成一条数据信道，以增加数据容量的技术。通过利用现有网络频谱，载波聚合技术让运营商能够提供更高的上行链路和下行链路数据率，因此能够提高网络性能和确保高质量用户体验。从4G的LTE-Advanced协议引入载波聚合之后，从最初的5载波聚合，总带宽100MHz，再到后面的32载波聚合，总带宽可达640MHz，到了5G时代，可聚合的载波数量为16个，但5G的载波带宽大，Sub6G的单载波带宽最大100MHz，16个载波聚合一共就1.6GHz带宽了，毫米波频段更夸张，单载波带宽最大400MHz，16个载波聚合一共就有6.4GHz带宽，5G聚合之后的带宽较4G可以增大64倍。简单类比下，可以认为4G早期的初始的版本，那是一条单车道，速度很慢。到了4G多载波聚合时代，它已经升级到了国道，虽然路很窄，但是双车道或者是三车道，车速还可以能够跑起来。到了5G多载波聚合时代，那就是升级到高速公路了，路更宽，车道更多，车速更快。

5G多载波聚合类比

上行增强技术

5G 网络有大带宽的基础，并有Massive MIMO 和波束赋形等技术的加持，使得系统在下行方向的速率和覆盖上有良好的性能。但是在上行方向，终端的发射功率受辐射指标的限制，天线数量受终端体积的限制，使上行覆盖范围受限，远小于下行覆盖范围。上行无法覆盖的区域，连接中断，单独下行也无法使用。

为了补齐5G NR上行短板，R15引入了载波聚合和SUL（Supplementary Uplink）技术，通过在中频段上额外引入低频段或聚合低频段的方式，利于低频段良好的无线传播特性，来补充TDD中频段的上行能力。但是，不管是载波聚合还是SUL，都主要体现在上行覆盖能力增强上，并未能充分利用频谱资源实现上行容量提升。为此，R16又进一步引入了Tx switching（发射通道切换）技术。考虑5G商用终端普遍支持双发射通道（2Tx），可通过上行双流方式传输理论上实现上行容量翻倍，而通过Tx switching技术，可以充分利用上行双流能力和频谱资源，实现上行容量提升。

SUL与Tx switching结合，就组成了超级上行技术，可在TDD中频段传送下行数据时，SUL载波同时采用一个发射通道传送上行数据；在TDD中频段传送上行数据时，可通过TX Switching将双发射通道切换到TDD中频段上。这样一来，不仅保证了全时隙均有上行数据传送，且充分利用了TDD中频段大带宽优势和上行双流能力，从而提升了频谱利用率和上行吞吐率。R16还引入了帧头不对齐技术，通过不同载波间的帧头偏移几个时隙，可错开带间载波聚合的两个频段的上行发送时隙，从而为引入Tx Switching提供了前提条件，两者结合同样可以充分利用中频段大带宽和上行双流能力，大幅提升上行速率。

通过上下行解耦和高低频协同，高频段承担下行的数据。低频段承载上行的数据，提升边缘用户的体验和覆盖。

上行增强技术

5G核心层技术-SDN/NFV

根据3GPP标准组织定义，5G核心网发生了空前变化。5G核心网的架构正在逐步引入IT的技术。从传统的集中式部署转化成分布式的部署，构建一朵云，满足敏捷、弹性、高效和开放的能力。在4G建设的过程当中，一般是把控制面和用户面放在省会，到了具体的地市县，那么采用的是分布式的部署，实现对用户的覆盖。到了5G的时代，5G核心网原生支持控制面和用户面彻底分离，在大区集中控制面，地市或者到了区县直接采用分布式的界面，将反应速度提升。因为节点靠前了，直接把MEC部署到园区里面，通过边缘部署，保证数据的安全，实现一个低时延的应用。5G核心网基于云原生架构设计，采用了基于服务的架构，借鉴了IT领域的微服务概念，从而可充分利用云平台设施弹性敏捷地部署网络和业务，从容应对各行各业的多样化、差异化业务需求。

5G核心网架构

5G核心网架构的变化，使软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）成为可能，SDN（Software Defined Network）软件定义网络，实现了控制平面和转发平面解耦，减少转发网元成本，提升路由决策能力，增强网络可控性，有效缩短了网络时延，解决网络拥堵。在4G时代各个厂家之间的核心层都有各家的转发与控制的协议，各家之间是不通的，需要专门的路由器和交换机来实现数据转发和网络控制。到了5G时代，通过一个单独的基于软件的SDN控制器来实现网络控制功能的集中化，而路由器和交换机只负责转发，SDN控制器监控大部分网络，轻松识别最优报文路由，这在网络拥堵或者部分瘫痪的情况下尤其有用。SDN控制器的路由决策能力比传统网络中的路由器和交换机也高出不少，因为后者的路由决策只是基于很有限的一部分网络情况，实现了跨厂家的全局最优的控制。

NFV（Network Function Virtualization）网络功能虚拟化，使网络硬件和软解耦，基于通用标准化硬件，按需虚拟不同功能模块，构成开放灵活，可动态操作的网络功能虚拟化架构。在4G的时代，核心网里面不同网元的硬件是不通用的，而且软件是基于硬件来升级的。到了5G的核心网，采用通用的硬件平台，将网络功能整合到行业标准的服务器、交换机和存储硬件上，并且提供优化的虚拟化数据平面，可通过服务器上运行的软件让管理员取代传统物理网络设备。通过使用NFV可以减少甚至移除现有网络中部署的中间件，它能够让单一的物理平台运行于不同的应用程序，用户和租户可以通过多版本和多租户使用网络功能，根据需求提供软件来实现不同的功能，而且软件是通用的，不同的硬件平台都要能够适配这样的软件，极大的实现这个硬件的通用性，从而降低成本。

总结一下，SDN技术是针对控制平面与用户平面耦合问题提出的解决方案，将用户平面和控制平面解耦可以使得部署用户平面功能变得更灵活，可以将用户平面功能部署在离用户无线接入网更近的地方，从而提高用户服务质量体验，比如降低时延。NFV技术是针对软件与硬件严重耦合问题提出的解决方案，这使得运营商可以在那些通用的的服务器、交换机和存储设备上部署网络功能，极大地降低时间和成本。

SDN/ NFV技术

网络切片技术

SDN是控制和转发解耦，NFV是软件和硬件解耦。两者都是解耦，目的只有一个，就是灵活化。而灵活化的目的，就是服务于网络切片。

网络切片本质上就是将物理网络通过软件的编排和资源的协调划分为多个虚拟网络。每一个虚拟网络对应一个切片，根据时延、带宽、安全性和可靠性不同的需求来切片。一个比较形象的比喻是一条高速公路，所有的车都可以行驶所有的车道，那么很容易拥塞，因为有的车开的慢，有的车开的快。做网络切片之后就是各行其道，最典型的例子就是会开出一条应急车道或者叫公交专用道，开着快的车在这条道上走，开着慢的车在别的道上走，就能极大的提升网络的这样的一个效率。

从理论上说，承载侧5G网络切片技术可为不同用户提供成百上千种切片通道，但是为了增强普适性，提升业务承载性价比，目前行业内结合各种应用场景的需求，采用“软硬结合”的方法，提供三种切片服务，用户可根据实际业务按需选择组合。

• 通过在硬切片内共享VPN的方式实现业务区分。该专线可用于视频类和游戏类业务，提供15分钟级刷新的业务感知，小于4小时的故障恢复速度。
• 白金专线（类似于高铁动车，虽然价格相对较高，但是服务提升明显）通过针对不同VPN建立不同硬切片的方式实现业务区分。该专线可用于智能交通类业务，提供端点监测和1分钟级刷新的业务感知，小于1小时的故障恢复速度。
• 钻石专线（类似于特供专列，中间不停站，7*24独享服务）端到端独占时隙硬隔离。该专线可用于工业控制类业务，提供逐点监测和1秒级刷新的业务感知，小于30分钟的故障恢复速度。

网络切片技术

多接入边缘计算

5G还有一个特色，MEC多接入边缘计算（Multi-Access Edge Computing）。如果和4G一样，所有的数据全部回传到中心，在中心云上去做计算，对于网络承载，网络负荷是非常大的。到了5G时代，需要把部分的算力集中到边缘，更靠近用户的地方，可以极大减轻网络的负载，还能够降低时延，算力更接近用户，数据减少交互。

MEC多接入边缘计算

在MEC的支持下，云端算力下沉，终端算力上移，从而在边缘计算节点形成兼顾时延，成本和算力的汇聚点，这就是MEC存在的核心价值。并且，在工业园区的网络还存在数据安全，以及内网访问的需求，MEC可以作为运营商和企业内网之间的桥梁，实现内网数据不出园区，本地流量本地消化的好处。在5G时代，以行业应用为中心的2B业务，以及增强的2C业务都对网络提出的更高的要求，高带宽，低时延，高算力的需求不断激发着MEC更快地发展。

文章转载自公众号：智车Robot