G的基本特点与关键技术作者:日期:5G的基本特点与关键技术第五代移动通信技术(5G )是目前移动通信技术发展 的最高峰，也是人类希望不仅改变生活，更要改变社会的重 要力量。5G是在4G基础上，对于移动通信提出更高的要求，它 不仅在速度而且还在功耗、时延等多个方面有了全新的提 升。由此业务也会有巨大提升，互联网的发展也将从移动互 联网进入智能互联网时代。5G的三大场景国际标准化组织3GPP定义了 5G的三大场景。其中， eMBB指3D/超高清视频等大流量移动宽带业务，mMTC指大 规模物联网业务，URLLC指如无人驾驶、工业自动化等需要 低时延、高可靠连接的业务。通过3GPP的三大场景定义我们可以看出，对于5G，世 界通信业的普遍看法是它不仅应具备高速度，还应满足低时 延这样更高的要求，尽管高速度依然是它的一个组成部分。 从1G到4G，移动通信的核心是人与人之间的通信，个人的 通信是移动通信的核心业务。但是5G的通信不仅仅是人的 通信，而且是物联网、工业自动化、无人驾驶等业务被引入, 通信从人与人之间通信，开始转向人与物的通信，直至机器与机器之间的通信。5G的三大场景显然对通信提出了更高的要求，不仅要解 决一直需要解决的速度问题，把更高的速率提供给用户；而 且对功耗、时延等提出了更高的要求，一些方面已经完全超 出了我们对传统通信的理解，把更多的应用能力整合到5G 中。这就对通信技术提出了更高要求。在这三大场景下，5G 具有6大基本特点。5G的六大基本特点高速度相对于4G，5G要解决的第一个问题就是高速度。网络 速度提升，用户体验与感受才会有较大提高，网络才能面对 VR/超高清业务时不受限制，对网络速度要求很高的业务才 能被广泛推广和使用。因此，5G第一个特点就定义了速度的 提升。其实和每一代通信技术一样，确切说5G的速度到底是 多少是很难的，一方面峰值速度和用户的实际体验速度不一 样，不同的技术不同的时期速率也会不同。对于5G的基站 峰值要求不低于20Gb/s，当然这个速度是峰值速度，不是每 一个用户的体验。随着新技术使用，这个速度还有提升的空 间。这样一个速度，意味着用户可以每秒钟下载一部高清电 影，也可能支持VR视频。这样的高速度给未来对速度有很高要求的业务提供了机会和可能。泛在网随着业务的发展，网络业务需要无所不包，广泛存在。 只有这样才能支持更加丰富的业务，才能在复杂的场景上使 用。泛在网有两个层面的含义。一是广泛覆盖，一是纵深覆 盖rm o广泛是指我们社会生活的各个地方，需要广覆盖，以前 高山峡谷就不一定需要网络覆盖，因为生活的人很少，但是 如果能覆盖5G，可以大量部署传感器，进行环境、空气质量 甚至地貌变化、地震的监测，这就非常有价值。5G可以为更 多这类应用提供网络。纵深是指我们生活中，虽然已经有网络部署，但是需要 进入更高品质的深度覆盖。我们今天家中已经有了 4G网络, 但是家中的卫生间可能网络质量不是太好，地下停车库基本 没信号，现在是可以接受的状态。5G的到来，可把以前网络 品质不好的卫生间、地下停车库等都用很好的5G网络广泛 覆盖。一定程度上，泛在网比高速度还重要，只是建一个少数 地方覆盖、速度很高的网络，并不能保证5G的服务与体验, 而泛在网才是5G体验的一个根本保证。在3GPP的三大场景 没有讲泛在网，但是泛在的要求是隐含在所有场景中的。低功耗5G要支持大规模物联网应用，就必须要有功耗的要求。 这些年，可穿戴产品有一定发展，但是遇到很多瓶颈，最大 的瓶颈是体验较差。以智能手表为例，每天充电，甚至不到 一天就需要充电。所有物联网产品都需要通信与能源，虽然 今天通信可以通过多种手段实现，但是能源的供应只能靠电 池。通信过程若消耗大量的能量，就很难让物联网产品被用 户广泛接受。如果能把功耗降下来，让大部分物联网产品一周充一次 电，甚或一个月充一次电，就能大大改善用户体验，促进物 联网产品的快速普及。eMTC基于LTE协议演进而来，为了更 加适合物与物之间的通信，也为了更低的成本，对LTE协议 进行了裁剪和优化。eMTC基于蜂窝网络进行部署，其用户 设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽，可以直接接入现 有的LTE网络。eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率。 而NB-loT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可 直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署 成本、实现平滑升级。NB-loT其实基于GSM网络和UMTS网络就可以进行部 署，它不需要和5G的核心技术那样需重新建设网络，但是, 虽然它部署在GSM和UMTS的网络上，还是一个重新建设的 网络，而它的能力是大大降低功耗，也是为了满足5G对于 低功耗物联网应用场景的需要，和eMTC 一样，是5G网络体系的一个组成部分。低时延5G的一个新场景是无人驾驶、工业自动化的高可靠连 接。人与人之间进行信息交流，140毫秒的时延是可以接受 的，但是如果这个时延用于无人驾驶、工业自动化就无法接 受。5G对于时延的最低要求是1毫秒，甚至更低。这就对网 络提出严酷的要求。而5G是这些新领域应用的必然要求。无人驾驶汽车，需要中央控制中心和汽车进行互联，车 与车之间也?进行互联，在高速度行动中，一个制动，需要 瞬间把信息送到车上做出反应，100毫秒左右的时间，车就 会冲出几十米，这就需要在最短的时延中，把信息送到车上, 进行制动与车控反应。无人驾驶飞机更是如此。如数百架无人驾驶编队飞行， 极小的偏差就会导致碰撞和事故，这就需要在极小的时延 中，把信息传递给飞行中的无人驾驶飞机。工业自动化过程 中，一个机械臂的操作，如果要做到极精细化，保证工作的 高品质与精准性，也是需要极小的时延，最及时地做出反应。 这些特征，在传统的人与人通信，甚至人与机器通信时，要 求都不那么高，因为人的反应是较慢的，也不需要机器那么 高的效率与精细化。而无论是无人驾驶飞机、无人驾驶汽车 还是工业自动化，都是高速度运行，还需要在高速中保证及 时信息传递和及时反应，这就对时延提出了极高要求。频谱共享：用共享频谱和非授权频谱，可将5G扩展到多个 维度，实现更大容量、使用更多频谱、支持新的部署场景。 这不仅将使拥有授权频谱的移动运营商受益，而且会为没有 授权频谱的厂商创造机会，如有线运营商、企业和物联网垂 直行业，使他们能够充分利用5G NR技术。5G NR原生地支 持所有频谱类型，并通过前向兼容灵活地利用全新的频谱共 享模式。先进的信道编码设计：目前LTE网络的编码还不足以应 对未来的数据传输需求，因此迫切需要一种更高效的信道编 码设计，以提高数据传输速率，并利用更大的编码信息块契 合移动宽带流量配置，同时，还要继续提高现有信道编码技 术（如LTE Turbo）的性能极限。LDPC的传输效率远超LTE Turbo,且易平行化的解码设计，能以低复杂度和低时延，扩 展达到更高的传输速率。超密集异构网络5G网络是一个超复杂的网络，在2G时代，几万个基站 就可以做全国的网络覆盖，但是到了 4G中国的网络超过500 万个。而5G需要做到每平方公里支持100万个设备，这个 网络必须非常密集，需要大量的小基站来进行支撑。同样一 个网络中，不同的终端需要不同的速率、功耗，也会使用不 同的频率，对于QoS的要求也不同。这样的情况下，网络很 容易造成相互之间的干扰o5G网络需要采用一系列措施来保障系统性能：不同业务在网络中的实现、各种节点间的协调 方案、网络的选择以及节能配置方法等。在超密集?W络中，密集地部署使得小区边界数量剧增, 小区形状也不规则，用户可能会频繁复杂地切换。为了满足 移动性需求，这就需要新的切换算法。总之，一个复杂的、密集的、异构的、大容量的、多用 户的网络，需要平衡、保持稳定、减少干扰，这需要不断完 善算法来解决这些问题。网络的自组织自组织的网络是5G的重要技术，这就是网络部署阶段 的自规划和自配置；网络维护阶段的自优化和自愈合。自配 置即新增网络节点的配置可实现即插即用，具有低成本、安 装简易等优点。自规划的目的是动态进行网络规划并执行， 同时满足系统的容量扩展、业务监测或优化结果等方面的需 求。自愈合指系统能自动检测问题、定位问题和排除故障， 大大减少维护成本并避免对网络质量和用户体验的影响。SON技术应用于移动通信网络时，其优势体现在网络效 率和维护方面，同时减少了运营商的支出和运营成本投入。 由于现有的SON技术都是从各自网络的角度出发，自部 署、自配置、自优化和自愈合等操作具有独立性和封闭性， 在多网络之间缺乏协作。网络切片就是把运营商的物理网络切分成多个虚拟网络，每个网 络适应不同的服务需求，这可以通过时延、带宽、安全性、 可靠性来划分不同的网络，以适应不同的场景。通过网络切 片技术在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络，从而 避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络，这样可以大 大节省部署的成本。在同一个5G网络上，通过技术电信运营商会把网络切 片为智能交通、无人机、智慧医疗、智能家居以及工业控制 等多个不同的网络，将其开放给不同的运营者，这样一个切 片的网络在带宽、可靠性能力上也有不同的保证，计费体系、 管理体系也不同。在切片的网络中，各个业务提供商，不是 如4G 一样，都使用一样的网络、一样的服务。很多能力变 得不可控。5G切片网络，可以向用户提供不一样的网络、不 同的管理、不同的服务、不同的计费，让业务提供者更好地 使用5G网络。内容分发网络在5G网络中，会存在大量复杂业务，尤其是一些音频、 视频业务大量出现，某些业务会出现瞬时爆炸性的增长，这 会影响用户的体验与感受。这就需要对网络进行改造，让网 络适应内容爆发性增长的需要。内容分发网络是在传统网络中添加新的层次，即智能虚 拟网络。CDN系统综合考虑各节点连接状态、负载情况以及用户距离等信息，通过将相关内容分发至靠近用户的CDN代 理服务器上、实现用户就近获取所需的信息，使得网络拥塞 状况得以缓解，缩短响应时间，提高响应速度。源服务器只需要将内容发给各个代理服务器，便于用户 从就近的带宽充足的代理服务器上获取内容，降低网络时延 并提高用户体验。CDN技术的优势正是为用户快速地提供信 息服务，同时有助于解决网络拥塞问题。CDN技术成为5G 必备的关键技术之一。设备到设备通信这是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术。设 备到设备通信（D2D）会话的数据直接在终端之间进行传输, 不需要通过基站转发，而相关的控制信令，如会话的建立、 维持、无线资源分配以及计费、鉴权、识别、移动性管理 等仍由蜂窝网络负责。蜂窝网络引入D2D通信，可以减轻基 站负担，降低端到端的传输时延，提升频谱效率，降低终端 发射功率。当无线通信基础设施损坏，或者在无线网络的覆 盖盲区，终端可借助D2D实现端到端通信甚至接入蜂窝网 络。在5G网络中，既可以在授权频段部署D2D通信，也可 在非授权频段部署。边缘计算在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、 应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行 业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需 求。5G要实现低时延，如果数据都是要到云端和服务器中进 行计算机和存储，再把指令发给终端，就无法实现低时延。 边缘计算是要在基站上即建立计算和存储能力，在最短时间 完成计算，发出指令。软件定义网络和网络虚拟化SDN架构的核心特点是开放性、灵活性和可编程性。它 主要分为三层：基础设施层位于网络最底层，包括大量基础 网络设备，该层根据控制层下发的规则处理和转发数据；中 间层为控制层，该层主要负责对数据转发面的资源进行编 排,控制网络拓扑、收集全局状态信息等；最上层为