5G關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用的探討

樊琦

摘要：從1G到5G，通信技術(shù)的發(fā)展為我們帶來了無盡的便利和福祉。5G不僅僅是從2G時(shí)代的.txt文本，到3G的時(shí)代的.jpg圖片，再到4G時(shí)代的.avi音頻視頻所體現(xiàn)出的單純強(qiáng)調(diào)峰值傳輸速率的提升，而是綜合考慮了8個(gè)技術(shù)指標(biāo)，包括：峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、頻譜效率、移動(dòng)性、時(shí)延、連接密度、網(wǎng)絡(luò)能量效率和流量密度網(wǎng)絡(luò)速率的提升。5G技術(shù)的發(fā)展給社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)效發(fā)展帶來了有力的促進(jìn)作用。自2019年開始正式商用以來，智能制造和人工智能的發(fā)展已經(jīng)將人與人之間的通信擴(kuò)展到萬物連接，基于此，本文將對(duì)5G的應(yīng)用、優(yōu)勢(shì)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)探討。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);關(guān)鍵技術(shù);5G應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN929.5

一、概述

5G的正式名稱叫IMT-2020，是由國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）制定的第五代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。我們知道傳統(tǒng)的2G 3G 4G主要是面向人的業(yè)務(wù)，所以我們看到每一代都是對(duì)速率的增強(qiáng)，而5G的能力指標(biāo)是雷達(dá)圖的形式。他將不再是單純的強(qiáng)調(diào)峰值傳輸速率，而是綜合考慮了8個(gè)技術(shù)指標(biāo)，包括：峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、頻譜效率、移動(dòng)性、時(shí)延、連接密度、網(wǎng)絡(luò)能量效率和流量密度。其中最重要的三個(gè)需求維度是：時(shí)延、吞吐率和連接數(shù)。

二、5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與部署

2.1 5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G的組網(wǎng)場(chǎng)景分為非獨(dú)立組網(wǎng)NSA（Non-Standalone）和獨(dú)立組網(wǎng)SA（Standalone） 2大場(chǎng)景，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則分為：NFV/SDN（網(wǎng)絡(luò)虛擬化/軟件定義網(wǎng)絡(luò)）、控制業(yè)務(wù)分離、網(wǎng)絡(luò)功能切片、流程定義服務(wù)。

5G不管是核心網(wǎng)還是無線網(wǎng)絡(luò)，最終都會(huì)云化，云化架構(gòu)如圖2所示。因此從Singel RAN到Cloud RAN，最終都是一個(gè)逐步演進(jìn)的過程。

那么什么是Singel RAN什么是Cloud RAN？Cloud RAN分為兩部分，引入了CU和DU的概念，CU是RAN的集中式單元，DU是RAN的分布式單元。CU集中式單元把各個(gè)基站功能相同的部分合并起來，變成一個(gè)公共資源統(tǒng)一部署，實(shí)現(xiàn)共享。DU分布式單元更靠近用戶側(cè)，布放在基站和天饋側(cè)。

了解這些概念后，大家會(huì)有疑問，原來的基站怎么劃分，哪些層會(huì)化CU、哪些層會(huì)化DU？5G的協(xié)議劃分和4G基本一致，有PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC層。這些層有一部劃入CU，有一部分化為DU，那根據(jù)什么原則劃分呢？如果從資源利用的角度，會(huì)把更多的層劃入CU，因?yàn)閯澣隒U可以資源共享，提高資源利用率。但是從另一個(gè)角度時(shí)延來考慮，我們又需要把更多的層劃入DU，因?yàn)槿绻麆澐值紺U，回傳、梳理、返回處理時(shí)延會(huì)增大。綜合以上情況考慮，目前3GPP在R14的會(huì)議上，把PDCP、RRC化為CU層， PHY、MAC、RLC化為DU層。

了解了CloudRAN的結(jié)構(gòu)劃分后我們看看會(huì)帶來什么樣的好處和價(jià)值。因?yàn)樵苹⑻摂M化之后單元的部署會(huì)更加靈活，可以根據(jù)業(yè)務(wù)的需求、按需部署，滿足業(yè)務(wù)差異化的體驗(yàn)。例如以下三種示例：

車聯(lián)網(wǎng)：最大的特點(diǎn)是對(duì)時(shí)延的要求非常高，因此我們可以把CU部署在離基站和用戶比較近的接入層數(shù)據(jù)中心。

VR/AR：因?yàn)橐紤]眩暈的問題的解決，也需要離用戶比較近，所以把CU部署在本地?cái)?shù)據(jù)中心。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)：由于對(duì)時(shí)延和帶寬的要求比較低，因此可以把全國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)都統(tǒng)一起來，放在一個(gè)集中的數(shù)據(jù)中心，可能在千里之外，可以實(shí)現(xiàn)資源利用率的最大化。

只有在5G云化CloudRAN的時(shí)代，才能如此靈活的組網(wǎng)和部署，以實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的差異化體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)變成資源池的概念，而且還是開放的，如果有個(gè)區(qū)域或者一個(gè)基站比較忙，他就可以獲取和調(diào)度更多的資源，非常靈活。云化的平臺(tái)是一個(gè)開放的平臺(tái)，第三方和新業(yè)務(wù)可以非常快的部署，可以讓運(yùn)營(yíng)商更有利的應(yīng)對(duì)OTT 的挑戰(zhàn)。

2.2 5G的業(yè)務(wù)部署

眾所周知，這些年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展得非常迅速，給整個(gè)移動(dòng)通信行業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)和影響。未來5G主要有3大關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景：

第一類：?? eMBB? 增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶場(chǎng)景 （10 Gbit/s）。數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)非常迅速，對(duì)高速率的要求越來越多，隨著設(shè)備價(jià)格的下降及片源的增多，高清視頻已經(jīng)越來越流行和普及，不同格式的高清視頻對(duì)流量的消耗和帶寬的需求是不一樣的。想要流暢觀看一部1080P的視頻大約需要6Mbps左右的速率;而要流暢觀看一部超高清4k的視頻大約需要50Mbps以上的速率和更大的流量。視網(wǎng)膜級(jí)的VR入門級(jí)需要70Mbps、如果再加上3D和全景效果，需要840Mbps。如果要達(dá)到理想效果，需要接近1Gbps的傳輸速率。

第二類：?? mMTC? 大規(guī)模機(jī)器通信場(chǎng)景（每平方公里100萬連接）。聯(lián)網(wǎng)的東西越來越多，包括物流行業(yè)、攝像頭、單車、水表、氣表等等，2020年將有1000億設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。你能想到的所有的一切都可能會(huì)連接到互聯(lián)網(wǎng)上，包括智能城市、智能建筑、智能家庭、智能交通等等。

第三類：uRLLC? 高可靠低時(shí)延通信場(chǎng)景（1ms）。5G利用“低時(shí)延”和“高速率”特性，在工程機(jī)械上安裝高清攝像頭和控制模塊，高清視頻和控制信號(hào)實(shí)時(shí)雙向遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控工程機(jī)械設(shè)備，智能制造將成為現(xiàn)實(shí)。在自動(dòng)駕駛的應(yīng)用中，4G的系統(tǒng)時(shí)延約50ms，5G的系統(tǒng)時(shí)延1ms，車輛的制動(dòng)距離=系統(tǒng)時(shí)延*行駛速度，假設(shè)車輛以120公里/小時(shí)的速度在行進(jìn)，那么在4G下的制動(dòng)距離需要167厘米，這相當(dāng)于一個(gè)成年人的身高，顯然不可行。而5G下的制動(dòng)距離只有3.3厘米，這就保障了自動(dòng)駕駛的安全性，使得自動(dòng)駕駛技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)和推廣。

三、5G關(guān)鍵技術(shù)

5G采用了全新的空口技術(shù)，新空口可以靈活適配眾多業(yè)務(wù)，頻譜效率提升至少3倍。5G的關(guān)鍵口空技術(shù)如圖3所示：

3.1 Massive MIMO：大規(guī)模天線陣列的多天線姿態(tài)，具有多進(jìn)多出的特性，64T、64R或128T、128R。它的特征有：

3D BF：多天線、波束賦形、3D覆蓋。三維波束賦形簡(jiǎn)稱3D賦形（在垂直面上形成多個(gè)窄波束，覆蓋高層的中高低各個(gè)層面）

16流更窄的波束+MU BF（多用戶波束賦形）將8個(gè)用戶捆綁，每個(gè)用戶一發(fā)一收兩路天線，共16路天線，對(duì)應(yīng)16T、16R;寬波束到窄波束賦形，多層發(fā)射實(shí)現(xiàn)更高的容量。

天線陣子設(shè)計(jì)：更多的天線更好的覆蓋。

MUBF：多用戶波束賦形的MIMO技術(shù)。在MIMO技術(shù)中，多流的數(shù)量受限于發(fā)射端天線和接收端天線。舉個(gè)例子：如果基站有16根發(fā)射天線、但是終端只有2根接收天線，那么受限于終端的接收天線，最終只能實(shí)現(xiàn)雙流，也就是2*2MIMO。如何提升多流的數(shù)量呢？從終端天線入手估計(jì)非常困難，因?yàn)槭芟抻诮K端體積的大小。這時(shí)候技術(shù)人員想到一個(gè)方法，可以把多個(gè)手機(jī)用戶捆綁在一起，形成一個(gè)組，也就是MUBF。再回頭看舉例，如果基站有16根發(fā)射天線、接收端每個(gè)用戶有2根天線，如果把8個(gè)用戶合并在一起，就變成了16根接收天線，這樣就實(shí)現(xiàn)了16*16MIMO。通過這個(gè)手段可以有效的提升小區(qū)的容量。

寬波束到窄帶波束成型：可以更加精準(zhǔn)、更有效的抑制干擾。

3.2? Polar編碼：信道編碼，提升可靠性降低功耗。

3.3? F-OFDM：靈活的波形，靈活應(yīng)對(duì)不用業(yè)務(wù)。4G采用OFDM，子載波帶寬是固定的15kHz，5G采用F-OFDM，子載波帶寬不固定，可以靈活針對(duì)不同QoE應(yīng)用的報(bào)文大小。

3.4 SCMA：稀疏碼分多址接入，將3G的CDMA技術(shù)與4G的OFDM相結(jié)合，提升連接數(shù)，縮短延時(shí)。

3.5 全雙工模式：在同樣的時(shí)隙和頻率資源上進(jìn)行發(fā)送和接收，提升吞吐率。

4、結(jié)束語

5G不再是局限于更高速率、更大帶寬、更強(qiáng)能力的空中接口技術(shù)，而是面向全業(yè)務(wù)應(yīng)用和多用戶體驗(yàn)的智能網(wǎng)絡(luò)。它是一個(gè)多業(yè)務(wù)多技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)，通過技術(shù)的演進(jìn)和創(chuàng)新，滿足未來包含廣泛數(shù)據(jù)和連接的各種業(yè)務(wù)的快速發(fā)展需要，提升用戶體驗(yàn)。

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