從技術(shù)層面,深度剖析5G的含義

　 在你的眼中，你能說清楚5G是什么嗎？我們只知道5G商用時(shí)間是2020年，5G的優(yōu)勢是快，對(duì)于其他的一概不知。如果有人問你5G到底是什么，你知道嗎？本文將從技術(shù)層面進(jìn)行5G概念的深度解讀，幫你了解什么是真正的5G技術(shù)。

????? 世界通訊技術(shù)先后經(jīng)歷了2G、3G、4G幾個(gè)重要時(shí)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(shí)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！

　　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(shí)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(dòng)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(dòng)化、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、自動(dòng)駕駛等。這些行業(yè)和服務(wù)都對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，要求網(wǎng)絡(luò)更可靠、低時(shí)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(gè)端到端的生態(tài)系統(tǒng)，它將打造一個(gè)全移動(dòng)和全連接的社會(huì)。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(jià)值。2/3/4G時(shí)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(dòng)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。

　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(jì)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(duì)多種業(yè)務(wù)場景的支持，使5G有望成為一個(gè)面向業(yè)務(wù)和用戶需求的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)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(jì)算、優(yōu)化QoS機(jī)制、支持多種接入等。

　　1.Massive MIMO——大規(guī)模MIMO

　　圖1 容量計(jì)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(gè)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(cuò)、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(shí)，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(duì)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(dòng)邊緣計(jì)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(shí)延是小于20ms，而要ping外部服務(wù)器，這個(gè)時(shí)延通常在40-50ms以上，光纖的傳播速度是200公里，5G在應(yīng)對(duì)時(shí)延敏感用例時(shí)，要求接入網(wǎng)時(shí)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(duì)物理時(shí)延的挑戰(zhàn)，我們不得不考慮在接入網(wǎng)引入移動(dòng)邊緣計(jì)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(gè)詞來概括5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)&自動(dòng)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(dòng)性管理功能）、SMF（Session Management Function，會(huì)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(cè)管理、連接管理、移動(dòng)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(huì)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(huì)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(duì)用戶的鑒權(quán)和認(rèn)證。

　　UDM的主要功能是對(duì)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(shí)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(shí)識(shí)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(dòng)邊緣計(jì)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(jì)的出發(fā)點(diǎn)是按照業(yè)務(wù)對(duì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)切片包括接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)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(duì)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(huì)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(dòng)態(tài)地?cái)U(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(dòng)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(gè)先決條件?；旧?，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(gè)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(gè)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(shí)延需求同時(shí)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(duì)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(duì)于4G支持非3GPP接入不同，5G核心網(wǎng)絡(luò)中提出對(duì)非3GPP接入的注冊(cè)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。