一、什么是5G?

世界通訊技術(shù)先后經(jīng)歷了2G、3G、4G幾個重要時代：

• 第一代是模擬技術(shù);
• 第二代是2G，實(shí)現(xiàn)了語音的數(shù)字化;
• 第三代是3G，以多媒體通信為特征;
• 第四代是4G，通信進(jìn)入無線寬帶時代，速率大大提高。

第五代就是5G，最大特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了高頻傳播!

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4G的到來仿佛還在昨日，5G卻已近在咫尺。根據(jù)3GPP的規(guī)劃，5G的大規(guī)模測試和部署，最早將于2019年開始。也就是說，最快還有一年多的時間，我們就可以享受到5G帶來的全新體驗(yàn)。然而作為全球通信標(biāo)準(zhǔn)，5G的意義當(dāng)然不局限于網(wǎng)速更快，移動寬帶體驗(yàn)更優(yōu)，它的使命在于連接新行業(yè)，催生新服務(wù)，比如推進(jìn)工業(yè)自動化、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、自動駕駛等。這些行業(yè)和服務(wù)都對網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，要求網(wǎng)絡(luò)更可靠、低時延、廣覆蓋、更安全。各行各業(yè)迥異的需求迫切呼喚一種靈活、高效、可擴(kuò)展的全新網(wǎng)絡(luò)。5G應(yīng)運(yùn)而生。

5G是一個端到端的生態(tài)系統(tǒng)，它將打造一個全移動和全連接的社會。5G主要包括三方面：生態(tài)、客戶和商業(yè)模式。它交付始終如一的服務(wù)體驗(yàn)，通過現(xiàn)有的和新的用例，以及可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)模式，為客戶和合作伙伴創(chuàng)造價值。2/3/4G時代主要局限于接入網(wǎng)和隨之演進(jìn)的核心網(wǎng)，更多聚焦于技術(shù)。5G的目標(biāo)是“端到端”的系統(tǒng)構(gòu)架。從技術(shù)上講，5G還將實(shí)現(xiàn)電信也從未有過的軟件和硬件分離，并引入IT數(shù)據(jù)中心所采用的云化和虛擬化的概念。

簡而言之，簡而言之，2/3/4G是技術(shù)推動單調(diào)的服務(wù)和商業(yè)模式，而5G要運(yùn)用各種技術(shù)去滿足和支持持續(xù)變化的生態(tài)和商業(yè)模式。

二、5G關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Massive MIMO、CU分離、網(wǎng)絡(luò)切片、多種接入

5G網(wǎng)絡(luò)從設(shè)計之初，就不僅僅強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)性能的提升和優(yōu)化，還重視對多種業(yè)務(wù)場景的支持，使5G有望成為一個面向業(yè)務(wù)和用戶需求的網(wǎng)絡(luò)。對5G核心網(wǎng)絡(luò)來說，主要的特征包括網(wǎng)絡(luò)CU分離(控制面和用戶面分離)、網(wǎng)絡(luò)功能模塊化、引入網(wǎng)絡(luò)切片、引入邊緣計算、優(yōu)化QoS機(jī)制、支持多種接入等。

1.Massive MIMO——大規(guī)模MIMO

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圖1 容量計算公式

容量=帶寬*頻譜效率*小區(qū)數(shù)量

5G的容量是4G的1000倍，峰值速率10Gbps-20Gbps，根據(jù)這個公式，要提升容量無非三種辦法：提升頻譜帶寬、提高頻譜效率和增加小區(qū)數(shù)量。

增加小區(qū)數(shù)量意味著建設(shè)更多基站，成本太高。至于頻譜帶寬，國外很多運(yùn)營商的頻譜資源都是通過拍賣獲得的。

因而，運(yùn)營商更喜歡通過提升頻譜效率的方式來提升容量。采用校驗(yàn)糾錯、編碼方式等辦法都接近了香農(nóng)極限，所以最有效的辦法就是多天線技術(shù)了。

所以，高階MIMO和Massive MIMO這種復(fù)雜的天線系統(tǒng)必然成為5G的首選。5G也可以讓高頻段擴(kuò)大覆蓋范圍，這就是C-RAN結(jié)構(gòu)+Massive MIMO。

2.CU分離——控制面和用戶面分離

在這樣的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下，控制面和用戶面分離。工作于低頻段且覆蓋范圍大的宏小區(qū)主要負(fù)責(zé)控制面，傳送控制信令;而工作于高頻段的小小區(qū)只負(fù)責(zé)用戶面，傳送用戶數(shù)據(jù)流量。

這樣的構(gòu)架不但解決了高容量和全覆蓋的問題，同時，減少了切換，減少了網(wǎng)絡(luò)信令。C-RAN構(gòu)架就是將RRU拉遠(yuǎn)，BBU資源集中化，并對其進(jìn)行軟件化、虛擬化和云化，電信中心機(jī)房向IT數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型，并引入移動邊緣計算等。

圖2 5G接入網(wǎng)架構(gòu)

在不考慮重傳的情況下，LTE網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時延是小于20ms，而要ping外部服務(wù)器，這個時延通常在40-50ms以上，光纖的傳播速度是200公里，5G在應(yīng)對時延敏感用例時，要求接入網(wǎng)時延不超過0.5ms，這意味著5G中心機(jī)房(或數(shù)據(jù)中心)與5G小區(qū)(基站)之間的物理距離不能超過50公里。面對物理時延的挑戰(zhàn)，我們不得不考慮在接入網(wǎng)引入移動邊緣計算(MEC)、邊緣數(shù)據(jù)中心，也就是將以前核心網(wǎng)和應(yīng)用網(wǎng)的一些功能下沉到接入網(wǎng)。

備注：光纖的傳播速度是2/3光速。2/3c=2*10^8/s=2*10^5/ms=200km/ms。

如果用四個詞來概括5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則，它們是：解耦、軟件化、開源化和云化。

• 解耦：軟硬件解耦，控制面/用戶面分離。
• 軟件化：NFV、SDN、編排和網(wǎng)絡(luò)切片。
• 開源：軟硬件開源，前傳、API接口開放。
• 云化：從CAPEX向OPEX模式轉(zhuǎn)型，虛擬化&DevOps環(huán)境，動態(tài)&自動化運(yùn)維。

3GPP定義的5G網(wǎng)絡(luò)邏輯功能架構(gòu)如圖2所示。從圖1中可以看出，核心網(wǎng)的控制面功能實(shí)體包括AMF(Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能)、SMF(Session Management Function，會話管理功能)、PCF(Policy Control Function，策略控制功能)、AUSF(Authentication Server Function，鑒權(quán)服務(wù)功能)、UDM(Unified Data Management，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理)等。

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)邏輯功能架構(gòu)

AFM實(shí)現(xiàn)注冊管理、連接管理、移動性管理、用戶可及性管理、參與鑒權(quán)和授權(quán)相關(guān)的管理功能等。

SMF主要負(fù)責(zé)會話管理相關(guān)的功能，包括建立、修改、釋放等，具體功能包括會話建立過程中的IP地址分配、選擇和控制用戶面功能、配置業(yè)務(wù)路由和UP流量引導(dǎo)、確定SSC模式、配置UPF的QoS策略等。

PCF和4G網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元PCRF功能一致，從UDM獲得用戶簽約策略并下發(fā)到AMF、SMF等，再由AMF、SMF模塊進(jìn)一步下發(fā)到終端、RAN和UPF。

AUSF實(shí)現(xiàn)對用戶的鑒權(quán)和認(rèn)證。

UDM的主要功能是對各種用戶簽約數(shù)據(jù)的管理、用戶鑒權(quán)數(shù)據(jù)管理、用戶的標(biāo)識管理等。UPF(User Plane Function，用戶平面功能)主要提供用戶平面的業(yè)務(wù)處理功能，包括業(yè)務(wù)路由、包轉(zhuǎn)發(fā)、錨定功能、QoS映射和執(zhí)行、上行鏈路的標(biāo)識識別并路由到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、下行包緩存和下行鏈路數(shù)據(jù)到達(dá)的通知觸發(fā)、與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接等。

2017年R14階段，3GPP將再次向分離式的核心網(wǎng)構(gòu)架演進(jìn)之路出發(fā)。這一次更徹底，我們可以把它叫“全分離式”的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

圖4 4.5G核心網(wǎng)架構(gòu)分離

圖5 4G集中式核心網(wǎng)與5G分布式核心網(wǎng)

在“全分離式”構(gòu)架下，SGW和PGW被分離為控制面和用戶面兩部分(如上圖黃色填充部分，SGW分離為SGW-C和SGW-U，PGW分離為PGW-C和PGW-U)，同樣，SGSN也被分離為控制面(SGSN-C)和用戶面(SGSN-U)

伴隨著用戶/控制面分離、核心網(wǎng)下沉和分布而來的是部署于接入網(wǎng)或接近接入網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)中心，并引入基于NFV的MEC(移動邊緣計算)。

3.網(wǎng)絡(luò)切片——Network slicing

網(wǎng)絡(luò)切片是5G核心網(wǎng)重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)理念的直接體現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)切片本身就是產(chǎn)品和服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)是按照業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的不同需求靈活組織網(wǎng)絡(luò)，形成為特定業(yè)務(wù)提供專屬服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的高度匹配。端到端的整個網(wǎng)絡(luò)切片包括接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)的整個切片。通常的核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片包括上面介紹的控制平面功能和用戶平面功能，對于不同的網(wǎng)絡(luò)切片可能共享某些控制面功能，但并不會共享用戶面功能。

網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)于特定的業(yè)務(wù)，不同切片之間的業(yè)務(wù)互相隔離、互不干擾，可以滿足垂直行業(yè)應(yīng)用無需獨(dú)立建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)但可以獨(dú)享網(wǎng)絡(luò)資源的需求。在NFV/SDN的技術(shù)架構(gòu)下，這些資源可以靈活調(diào)度，按需分配，網(wǎng)絡(luò)可以動態(tài)地擴(kuò)容或縮容，在滿足需求的前提下，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營的成本。

在如今的移動網(wǎng)絡(luò)中，主要的設(shè)備是手機(jī)。RAN(DU和RU)和核心功能由RAN廠商提供的專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)是一個先決條件。基本上，NFV的主要思想是將網(wǎng)絡(luò)功能軟件(即分組核心中的MME，S/P-GW和PCRF以及RAN中的DU)全部部署在商業(yè)服務(wù)器上的虛擬機(jī)，而不是單獨(dú)部署在其專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這樣，RAN當(dāng)作邊緣云，而核心功能當(dāng)作核心云。位于邊緣和核心云中的VM之間的連接使用SDN進(jìn)行配置。然后，為每個服務(wù)(即電話切片、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)切片、任務(wù)關(guān)鍵的物聯(lián)網(wǎng)切片等等)創(chuàng)建切片。

網(wǎng)絡(luò)切片的主要功能是使不同切片相互隔離，確保每個切片不被其他切片中的擁塞而中斷。為了滿足業(yè)務(wù)的低時延需求同時節(jié)省不必要的網(wǎng)絡(luò)傳送需求，5G中引入MEC，其核心是將部分核心網(wǎng)功能和業(yè)務(wù)功能以及內(nèi)容資源部署在靠近用戶側(cè)。

4.支持多種接入

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、資源高效利用以及在更廣的覆蓋范圍內(nèi)終端可以使用5G服務(wù)，5G網(wǎng)絡(luò)提出對多接入技術(shù)的支持需求，包括3GPP接入和非3GPP接入，也就是說除了支持4G、5G還支持WLAN接入和衛(wèi)星接入方式。相對于4G支持非3GPP接入不同，5G核心網(wǎng)絡(luò)中提出對非3GPP接入的注冊管理、連接管理的概念，并通過統(tǒng)一的5G核心網(wǎng)來管理3GPP接入和非3GPP接入。