近年來，關(guān)于5G的話題只增不減，隨著5G手機的陸續(xù)推出，很多人對于5G的認(rèn)識可能還停留在網(wǎng)速的提升，事實上，5G的優(yōu)勢并不僅限于這一點，5G的到來可能會帶來顛覆性的創(chuàng)新。

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5G有望在企業(yè)領(lǐng)域新興應(yīng)用的可用性、可靠性和性能要求方面取得革命性的進步。ITU和NGMN等標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)已經(jīng)為5G提出了多個用例。每個用例在預(yù)期的數(shù)據(jù)速率、延遲、可靠性和可用性方面都有所不同。本文主要探討4G實現(xiàn)這些用例的缺點以及5G該如何滿足其要求。

5G使用場景

根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的需求，5G用例主要分為三大類：

• 增強移動寬帶(eMBB)：這類場景需要5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)來支持非常高的數(shù)據(jù)速率。ITU的5G性能指標(biāo)顯示，5G的下行峰值數(shù)據(jù)速率為20 Gbps，上行的峰值數(shù)據(jù)速率為10 Gbps。在人口密集地區(qū)，預(yù)計吞吐量為10-100 Mbps/m2。
• 超可靠和低延遲通信(URLLC)：這類場景需要低延遲和高可靠性。對于低延遲應(yīng)用(如AR/VR，V2X通信，eHealth服務(wù))，5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)計支持<1 ms的接入網(wǎng)延遲和<10 ms的端到端延遲。ITU進一步建議可靠性要> 99%(意味著數(shù)據(jù)包在99%的情況下需要在允許的延遲預(yù)算內(nèi)到達目的地)，對于特定的部署場景和用例甚至要接近99.999%。
• 海量機器類通信(mMTC)：在這些場景中，5G將支持非常高的連接密度。智能城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)案例屬于這一類，它們有大量設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。ITU建議的5G目標(biāo)為預(yù)計每公里處理1w-100w臺設(shè)備。

4G的不足，5G如何彌補

4G網(wǎng)絡(luò)無法滿足上述場景的性能要求：

• 4G網(wǎng)絡(luò)下行的峰值數(shù)據(jù)速率為1000 Mbps，上行的峰值數(shù)據(jù)速率為500 Mbps。這個數(shù)據(jù)速率不足以支持eMBB方案。5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)計將使用比4G更寬的頻譜 - 5G NR mmWave運行接近30 GHz。更寬的信道帶寬和大規(guī)模MIMO使5G能夠在下行鏈路中達到20 Gbps的數(shù)據(jù)速率，上行鏈路能達到10 Gbps的數(shù)據(jù)速率。
• 多人游戲應(yīng)用、工業(yè)機器人、自動駕駛汽車以及其他時間關(guān)鍵型應(yīng)用需要快速響應(yīng) - 有時需要網(wǎng)絡(luò)延遲小于1毫秒，而4G網(wǎng)絡(luò)難以實現(xiàn)或根本無法實現(xiàn)。5G蜂窩技術(shù)是實現(xiàn)“邊緣計算”的關(guān)鍵技術(shù)，使計算能力(應(yīng)用程序)更接近用戶，從而有助于減少網(wǎng)絡(luò)延遲。
• 上述每一類應(yīng)用都需要不同的網(wǎng)絡(luò)特性。但從金錢上講，為它們每個建立單獨的物理網(wǎng)絡(luò)是不可行的。現(xiàn)有的QoS解決方案可以對給定網(wǎng)絡(luò)上不同類型的IP流量進行分類和管理，但也存在多方面的不足。例如，他們無法區(qū)別對待來自不同租戶的相同類型的流量。有時，需要為移動虛擬網(wǎng)絡(luò)運營商提供他們自己的虛擬基礎(chǔ)設(shè)施。簡而言之，需要將不同用例提供不同服務(wù)質(zhì)量的用戶、設(shè)備和應(yīng)用程序分開。5G網(wǎng)絡(luò)切片可以提供跨應(yīng)用、跨服務(wù)和跨租戶的網(wǎng)絡(luò)分段。它提供了由共享和專用資源實例(包括網(wǎng)絡(luò)、計算和存儲容量資源、虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能和無線資源)組成的邏輯自包含的網(wǎng)絡(luò)。

5G的關(guān)鍵原則

5G架構(gòu)與其前代產(chǎn)品有很大不同。在延遲和可靠性方面，5G網(wǎng)絡(luò)將遵循以下關(guān)鍵原則，這對于實現(xiàn)預(yù)期的業(yè)務(wù)和性能目標(biāo)至關(guān)重要：

• 用戶和控制面分離：這將使每個面能夠獨立擴展和靈活部署?？梢愿鶕?jù)需要進行資源分配。例如，需要高帶寬的應(yīng)用，如視頻監(jiān)控，可以擴展用戶平面功能;而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可能需要更頻繁地擴展控制面功能;它還允許將一些功能獨立地移動到更靠近用戶的地方，同時保持其他功能集中在云中。
• 基于服務(wù)的架構(gòu)(SBA)：5G核心網(wǎng)絡(luò)功能使用基于服務(wù)的接口進行交互。這些網(wǎng)絡(luò)功能中的每一個都向另一個網(wǎng)絡(luò)功能提供服務(wù)。服務(wù)由基于請求-響應(yīng)或訂閱-通知模型的操作組成。使用SBA，其他現(xiàn)有功能或新功能如果有相同的操作可以直接復(fù)用。
• 無狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能：5G網(wǎng)絡(luò)功能被設(shè)計為無狀態(tài)。將狀態(tài)與控件分離，允許控件在計算資源上運行，并且可以將狀態(tài)保存在單獨的存儲節(jié)點上。除了通過保持存儲節(jié)點的冗余來增強可靠性之外，這種無狀態(tài)還有助于動態(tài)實例化/擴展與5G網(wǎng)絡(luò)功能相對應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能。
• 能力暴露(capability exposure)：5G允許外部功能使用capability exposure功能與其核心網(wǎng)絡(luò)功能進行交互。此功能允許外部功能從5G核心檢索state/status/events，并將配置/策略傳遞到5G核心。這是多接入邊緣計算的關(guān)鍵推動因素。
• 本地和集中訪問：為了處理關(guān)鍵任務(wù)和低延遲應(yīng)用程序，5G允許一個PDU會話具有多個面向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的用戶平面錨。這使得5G支持通過本地計算服務(wù)器(邊緣)以及集中式云服務(wù)器進行并發(fā)訪問。邊緣的計算能力大大減少了網(wǎng)絡(luò)延遲。

介紹5G

5G在很大程度上依賴于虛擬化，虛擬化在5G的靈活性和可擴展性要求中扮演著關(guān)鍵角色。在從4G到5G的過渡中，4G EPC功能已經(jīng)模塊化，形成多個5G核心網(wǎng)絡(luò)功能，重新構(gòu)建為云原生應(yīng)用。以下是一些例子：

(1) 4G移動管理實體(MME)功能分為5G接入和移動管理功能(AMF)、會話管理功能(SMF)和認(rèn)證服務(wù)功能(AUSF)：

• AMF處理UE注冊和移動管理
• SMF處理PDU會話管理
• AUSF基于來自統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理(存儲UE訂閱數(shù)據(jù)和用戶上下文)的認(rèn)證向量來處理UE認(rèn)證部分。

(2) 4G S-GW和P-GW分為會話管理功能(SMF)和用戶平面功能(UPF)：

• SMF處理UE IP地址分配和UPF選擇
• UPF充當(dāng)PDU會話錨 - 它負責(zé)分組路由、QoS實施和計費功能

下圖給出了4G EPC功能到5G核心網(wǎng)絡(luò)功能的高級映射。

以下是新推出的5G核心功能：

• Network Slice Selection Function(NSSF)：NSSF有助于設(shè)置RAN、核心和傳輸網(wǎng)絡(luò)的多個虛擬網(wǎng)絡(luò)片段，以滿足特定的服務(wù)需求。
• Network Exposure Function(NEF)：這是外部網(wǎng)絡(luò)實體用于與5G核心網(wǎng)絡(luò)接口的能力暴露功能。
• Network Repository Function(NRF)：它支持基于5G服務(wù)的架構(gòu)，充當(dāng)由不同網(wǎng)絡(luò)功能提供的所有服務(wù)的存儲庫。

為了支持5G的高數(shù)據(jù)速率和低延遲需求，對接入網(wǎng)和前端網(wǎng)絡(luò)進行了改造。在接入側(cè)，4G eNodeB(eNB)現(xiàn)在被稱為5G gNB(下一代節(jié)點B)；

為了支持5G的高數(shù)據(jù)速率和低延遲需求，對接入網(wǎng)和前端網(wǎng)絡(luò)進行了改造。在接入側(cè)，4G eNodeB(eNB)現(xiàn)在被稱為5G gNB(下一代節(jié)點B)：

• gNB分為兩部分：gNB集中單元(gNB-CU)和gNB分布單元(gNB-DU)。兩者都使用基于以太網(wǎng)的IP中間網(wǎng)絡(luò)相互連接。
• 一般來說，gNB-CU是虛擬化的，運行在虛擬化核心或虛擬化邊緣的環(huán)境中。
• gNB-DU可以與無線頭集成，也可以虛擬化并在邊緣或云上運行。

結(jié)論

5G正在醫(yī)療、智能城市、互聯(lián)設(shè)備，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等多個市場開辟新的商機。每個5G用例在數(shù)據(jù)速率、延遲、連接密度和可靠性方面的要求各不相同。5G的虛擬化接入和核心網(wǎng)絡(luò)、模塊化網(wǎng)絡(luò)功能和各種部署選項將積極幫助實現(xiàn)這些多元化市場的apt蜂窩連接。

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