5G網絡架構與關鍵技術分析

肖華輝，熊 星，廖溢宏

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410126）

0 引 言

5G屬于第五代移動通信技術，是一種全新的智能型網絡，與當前4G網絡相比，5G能夠更好地滿足多種業務需求，全面提高用戶的體驗。

1 5G概述

移動通信網絡正從4G移動互聯網時代向5G萬物互聯時代邁進，海量的設備交互、優秀的感知體驗、流暢的操控體驗以及豐富的個性化服務是5G發展的驅動力。5G既可滿足下行10 Gb/s的峰值速率，又可滿足500 km/h高速移動，且具有低于1 ms的RAN時延特性。

3GPP于2018年下半年形成第一版5G標準，2019年底完成符合ITU要求的5G標準完整版本。當前，我國正在開展5G系統的組網技術功能和性能測試以及5G典型業務演示，力爭在2020年實現5G商用。

2 5G網絡架構

5G采用云感知軟網絡（Cloud Aware Soft-network）的分層結構，可實現資源的靈活部署、統一接入、統一平臺、統一管理以及業務的動態接入和編排[1]。

虛擬化、組件化與可編排是5G網絡架構最突出的特點，由不同的網絡切片負責處理各種不同的業務場景，同時支持各種差異化場景、支持面向客戶的業務模式以及支持業務快速建立和修改，實現從專用的電信網絡到通用的電信網絡平臺的轉變。

5G網絡組網方式主要有獨立組網（SA）和非獨立組網（NSA）兩種[2]：

（1）獨立組網（SA）。無線網部分直接使用5G設備負責控制和承載，核心網部分選用5G下一代核心網（NGC）。SA方式的優點是4G和5G業務同時運行，避免了與LTE網絡整合過程中可能會出現的互操作復雜等問題，且支持5G的全部功能和應用。缺點則是獨立組網建設在初期成本相對較高。

（2）非獨立組網（NSA）。無線網部分采用雙連接，由主基站控制（信令面錨點），核心網采用4G EPC或者NGC。在雙連接模式下，LTE基站或NR基站只有一個基站作為主基站（MN），另一個基站為輔基站（SN）。其中，核心網與無線側主基站之間存在唯一的控制面連接，且核心網可以與輔基站建立用戶面連接；主基站與核心網之間存在控制面連接，具備完整的協議棧功能；輔基站只具備用戶面數據轉發、處理等功能，用戶面相關的控制信令需經過主基站與核心網進行通信。NSA方式的優點是在已有4G基礎設施上發展5G網絡，有利于初期部署，資本支出負擔較小，網絡建設較為靈活，可支持初期快速推出5G商用服務。缺點則體現在非獨立組網更適合局部熱點區域部署，而不是大規模的全國性部署，且與現有的LTE網絡的互操作較為復雜，不能利用5G的全部功能[3]。

3 5G關鍵技術

3.1 高頻段傳輸

當前，中國用于移動通信的頻譜規劃總量達687 MHz。其中，中國移動、中國電信與中國聯通的8張網絡共計使用522 MHz。IMT-2020（5G）推進組預測2020年我國移動通信頻譜需求總量為1 350～1 810 MHz，因此還需要新增663～1 123 MHz頻譜。

我國5G頻譜規劃分低頻段和高頻段兩段，其中低頻段為3.3～3.6 GHz、4.8～5 GHz，主要用于無縫廣覆蓋，作為基礎容量層，提供基本的用戶體驗速率；高頻段候選頻段為24.75～27.5 GHz、37～42.5 GHz，主要用于滿足室內和室外熱點區域的速率和容量需求。3.3～3.4 GHz頻段主要用于室內覆蓋，24.75～42.5 GHz頻段主要用于室外微蜂窩，3.4～3.6 GHz和4.8～5 GHz頻段則主要用于室外宏站。

5G高頻段傳輸的主要優點是有足量的可用帶寬、小型化的天線和設備以及較高的天線增益，缺點則是高頻段傳輸距離短、繞射能力差與容易受氣候環境影響，主要難點是射頻器件和系統設計困難。

3.2 新型多天線傳輸技術Massive MIMO

相較于傳統MIMO技術，Massive MIMO的可控天線數量更多，加快了峰值速率，且頻譜效率大大增強。Massive MIMO有如下技術優勢：（1）基站天線數遠大于用戶天線數時，各用戶的信道趨于正交；（2）小區內同頻干擾及加性噪聲趨于消失，系統性能僅受限于鄰區導頻復用；（3）能多維度（空域、時域、頻域以及極化域等）提升頻譜利用效率和能量利用效率；（4）通過應用空間復用技術和擬制干擾技術，可進一步提高系統容量[4]。

相較于傳統基站天線或傳統一體化有源天線，Massive MIMO天線的陣列數量龐大，單元具備獨立收發能力，相當于更多天線單元（128陣列、256陣列等）實現同時收發數據。天線單元的尺寸與波長成正比，與頻率成反比。天線單元數目的增加導致天線陣列面積的增大，給基站的天線陣列的安裝帶來困難，尤其是低頻的宏站Masssive MIMO天線。因此，基站塔桅建設應考慮后期大天線的安裝調整需求。單扇區收發通道數的增加促使天線與RRU一體化成為趨勢，空口傳輸速率的大幅提升則導致單扇區功耗的增加，因此基站電源配套應考慮5G基站電源需求。

Massive MIMO主要用于宏覆蓋、高層建筑、異構網絡、室內外熱點以及無線回傳鏈路。

3.3 超密集組網

超密集網絡的特點是站間距離短，從幾米（室內）到幾十米（室外）不等。高頻段（毫米波波段）的開發利用和波速成型技術可為超密集網絡部署提供技術支撐。通過增加低功率基站的部署密度，可滿足高系統容量和可靠用戶速率需求。

超密集網絡大都是宏基站加大量的微基站、超微基站等形式，利用墻面、電線桿等站址的小基站形態越來越多。今后，運營商或其他類型的網絡運營商所需的站址資源更多為室內、墻邊以及現有建筑物附屬設施，站址獲取將成為極大的挑戰。

超密集組網的應用場景主要有密集街區、密集住宅、辦公室、校園、公寓、大型集會、體育場、購物中心以及地鐵等。

3.4 靈活雙工技術

5G各超短子幀能分配給上行、下行或回程，快速實現帶寬適配。下行和上行具有相同的物理結構（控制、數據與參考信號），可實現靈活上行與下行。遠小于1 ms的超短子幀串聯起上行或下行的控制信號，用戶面時延小于1 ms。控制面則可基于時間和頻率分配，可跨鏈路實現無干擾控制信道。控制信道與DMRS位于數據前，管道處理能耗低。

3.5 D2D（設備間）技術

終端在系統控制下通過復用小區資源直接進行通信，增加蜂窩通信系統頻譜效率，降低終端發射功率，緩解頻譜資源匱乏問題。D2D（設備間）是5G系統中重要的推動者，可允許網絡設備建立本地直接連接以交換數據，無需通過網絡基礎設施。

3.6 綠色通信技術

綠色通信技術是5G移動網絡中較為突出的一項技術，通過在5G網絡中引入智能化技術，能夠在充分滿足用戶體驗的前提下，解決網絡部署中的能源節約問題。相關數據顯示，當前我國移動通信消耗的能源占到總能源的10%。在移動通信中，基站所占到的能耗最大，幾乎占到總能量消耗的50%。因此，為實現真正的綠色通信，需要突破單個基站的能耗問題，以網絡調度為基礎，通過對覆蓋范圍內的資源實施動態控制進而實現對資源的控制。當前，我國在綠色通信技術方面取得一定成效，例如MIMO-DFDMA技術的實現與應用。鑒于綠色通信技術仍處于初步階段，在實際應用過程中還存在較多的問題，為實施綠色通信，必須具備高效的信息傳輸機制，同時對各網絡節點與各組成部件展開深入研究[5]。

4 5G基礎配套設施發展建議

發展5G需要建立大量的微基站，微基站站址獲取屬于關鍵工作之一。相關部門需要積極統籌各電信企業的微站需求，針對微站建設的重點場景提前進行預判，將微站納入規劃庫統一管理。在信息基礎設施建設專項規劃過程中，應充分考慮微站需求，定期與規劃審批、市政園林、綠化、水利以及城管部門對接，提升站址獲取能力，確保微站站址的合法性，進而充分利用站址資源，采用戰略合作等方式加快與政府部門和各企業資源（如路燈桿、電力鐵塔等）的整合。

塔桅建設建議采取無外罩塔型、小型化鐵塔以及“多桿合一”等方式。其中，城區景觀塔應適度考慮后期大天線安裝調整覆蓋需求，建議采用雙輪、飄帶等無外罩的造型；小型化鐵塔將塔身簡化，滿足微站低成本與快速部署要求；“多桿合一”的塔型創新，做到將戶外廣告、環境監測、路燈照明以及城市監控等多種功能模塊集于一身，同時，將不同模塊設計成可拆卸部件，通過靈活組合實現一塔多用。

機房除采用傳統機房外，還可以通過定制噴圖或外掛電子屏幕，布置更合理且易維護的新型機房。

基站電源系統通過對交流配電、開關電源、蓄電池、動環監控、空調、防雷接地以及箱體外殼等的總體整合，形成更加合理的小型化、集成化電源系統，可更好地適應微站快速部署的需要。同時，可采取“分布式電源+鋰電池”方式，匯聚柜DC遠供，匯聚集中支撐N個拉遠站，簡化站點供電與光纖獲取。

5 結 論

隨著信息通信技術不斷向各行業融合滲透，經濟社會各領域向數字化轉型升級的趨勢愈發明顯。信息網絡已成為與能源網、公路網、鐵路網相并列的不可或缺的關鍵基礎設施，信息通信技術在經濟增長中發揮著關鍵作用。未來，5G與云計算、大數據、人工智能以及虛擬增強現實等技術的深度融合，將連接人和萬物，成為各行各業數字化轉型的重要基礎。5G的廣泛應用也可為大眾創業、萬眾創新提供堅實支撐，助力制造強國與網絡強國建設，推進新一代移動通信成為引領國家數字化轉型的通用技術。