5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的技術(shù)革命

王君 何新宇 宋澤生 梁薇薇 譚康裕 郭中華 岑梓華

摘? 要：隨著時(shí)代的發(fā)展，各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)都在新的時(shí)代背景下獲得了更加顯著地突破，尤其是關(guān)于新的通信系統(tǒng)的研制。如今的通信系統(tǒng)已發(fā)展到5G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)相比于4G網(wǎng)絡(luò)有著速度快、低時(shí)延、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。5G不僅可以應(yīng)對(duì)快速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量，同時(shí)在人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等行業(yè)方面也有著很好的應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)讓很多行業(yè)煥發(fā)了嶄新的生機(jī)。同時(shí)，伴隨著許多技術(shù)的創(chuàng)新或者出現(xiàn)，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難題也隨之有了很多重大突破。本文結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新，淺析了5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的變化，以及5G新技術(shù)和技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：5G? 網(wǎng)絡(luò)通信? 技術(shù)革命? 主要技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（b）-0107-04

Technical Revolution of 5G Communication and Network

WANG Jun1，4? HE Xin yu1*? SONG Ze sheng2? LIANG Wei wei3? TAN Kang yu1? GUO Zhong hua1? CEN Zi hua1

（1. Nanfang College of Sun Yat-sen University， Guangzhou， Guangdong Province， 510970? China; 2. Nanchang University， NanChang， Jiangxi Province， 330027 China; 3. Chongqing University of Posts and telecommunications， Chongqing， 400065 China; 4.Guangzhou Hengtong Zhilian Technology Co.，Ltd.， Guangzhou， Guangdong Province， 510630 China）

Abstract： Tremendous breakthroughs were made in all fields of science and technology as we move forward， not least the development of communication system. Today's communication system has extended to 5G network， which is measured against 4G. 5G wins this battle， underpinning smooth speed， ultra-low latency and low power consumption. 5G will become a powerful technological platform capable to rapid response to data load， inspiring many a advanced applications， say， AI， IoT（Internet of Things） and Cloud Computing， etc. 5G is conceived for other sectors to wake up more vigorous booming with massive innovative technologies. Breakthroughs always come as hurdles in the course of 5G network development. All in all， we would analyze revolution and innovation brought by 5G network on the top of new 5G technology and technological pivotal points.

Key Words： 5G communication; network communication; technological revolution;primary technology

隨著通信行業(yè)的發(fā)展，技術(shù)的不斷更新，通信系統(tǒng)已從1G的“語(yǔ)音時(shí)代”發(fā)展到4G的“視頻時(shí)代”。但4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延遲長(zhǎng)，會(huì)有網(wǎng)絡(luò)延遲、卡頓等現(xiàn)象，同時(shí)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等概念的提出，人們意識(shí)到4G網(wǎng)絡(luò)不能滿(mǎn)足新時(shí)代的發(fā)展，因此5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求日益劇增。

截至2020年7月底，全球已有46個(gè)國(guó)家或地區(qū)的99家網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始提供5G業(yè)務(wù)。美國(guó)、韓國(guó)、歐洲、日本等主要國(guó)家和地區(qū)均積極加快5G建設(shè)，開(kāi)展5G融合應(yīng)用。5G產(chǎn)業(yè)的生態(tài)逐步豐富，應(yīng)用探索不斷深入[1]。

1? 5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的變化

1.1 多頻段多制式

現(xiàn)今基站設(shè)備支持多種頻段，支持2G、3G、4G、5G多制式。為了避免資源浪費(fèi)，存在一個(gè)基站由多家運(yùn)營(yíng)商共同使用的現(xiàn)象，且多數(shù)站點(diǎn)設(shè)備部署密集，所以基站很難再有大的改動(dòng)。多頻多網(wǎng)的覆蓋性能差異大，改造和優(yōu)化的難度增加，因此5G網(wǎng)絡(luò)的誕生也使站點(diǎn)的建設(shè)成為一大難題。所以4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間依舊是共存狀態(tài)，發(fā)展到一定程度后，4G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)融入5G網(wǎng)絡(luò)中。

1.2 基站建設(shè)

5G技術(shù)使用了高頻率，因此其傳輸距離大幅下降、覆蓋能力也相應(yīng)減弱。此時(shí)需要大力建設(shè)基站，但宏基站的建設(shè)成本高，且宏基站建設(shè)密度已經(jīng)到達(dá)一定的飽和，為了滿(mǎn)足容量增長(zhǎng)的需求以及降低運(yùn)營(yíng)商成本，出現(xiàn)了層次化基站建設(shè)。基站分類(lèi)為宏基站和小基站，小基站根據(jù)覆蓋范圍大小還分為微基站、皮基站、飛基站。多種基站互相配合，保證了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積[3]。

1.3 5G運(yùn)營(yíng)成本

5G發(fā)展的建設(shè)金額是巨大的。由于5G核心網(wǎng)的建設(shè)，基站數(shù)量將增加，尤其是小微基站數(shù)量將激增，光纖量也將激增，同時(shí)站址費(fèi)用會(huì)越來(lái)越高。這么多的中繼器和小基站單元導(dǎo)致站點(diǎn)建設(shè)和站點(diǎn)租賃成為運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)成本的一大負(fù)擔(dān)。而新建站點(diǎn)又面臨站點(diǎn)獲取難、投資成本高、建設(shè)周期長(zhǎng)等諸多問(wèn)題。在不新建站點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部署，并降低多網(wǎng)共存場(chǎng)景下的運(yùn)維成本是一難題。此外，5G發(fā)展還涉及大量小微基站、光傳輸、核心網(wǎng)、多接入邊緣計(jì)算等新技術(shù)的發(fā)展，這些復(fù)雜技術(shù)的投資研發(fā)也讓運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)支出不斷攀升，支出占比多達(dá)利潤(rùn)的70%。預(yù)計(jì)中國(guó)5G投資周期10年，總投資金額達(dá)到1.6萬(wàn)億[4]。

1.4 5G的不同業(yè)務(wù)需求

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等概念的提出，使得全球有一場(chǎng)關(guān)于科技的革命和換代，比如在無(wú)人駕駛、AI、實(shí)時(shí)游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)，醫(yī)療，煤礦開(kāi)采等不同的業(yè)務(wù)[6-9]。但不同的業(yè)務(wù)對(duì)5G的技術(shù)要求都是不同的。例如傳感器對(duì)時(shí)延的要求達(dá)到1000ms，速率要求達(dá)到1Mbps;而無(wú)人駕駛車(chē)，其時(shí)延要求達(dá)到小于1ms，速率要求達(dá)到10Mbps。

1.5 端到端的網(wǎng)絡(luò)云化

網(wǎng)絡(luò)實(shí)行智能化重構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)彈性部署、快速配置，而基礎(chǔ)設(shè)施照舊，網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源、帶寬資源這些資源，通過(guò)云管理平臺(tái)、控制器以及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化來(lái)支撐不同的應(yīng)用，從而網(wǎng)絡(luò)云化[6]。5G網(wǎng)絡(luò)云化后，從而能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更好的運(yùn)維管理，更好更合理地調(diào)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源。云化使得人類(lèi)邁向智能網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的智能處理。在未來(lái)，全云化將會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)，所有的網(wǎng)絡(luò)功能和業(yè)務(wù)應(yīng)用都能云上進(jìn)行。

1.6 5G對(duì)人才的新需求

5G的發(fā)展意味著技術(shù)的革命和創(chuàng)新，帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)熱潮，創(chuàng)造出大量新興崗位。到2035年，全球5G價(jià)值鏈將創(chuàng)造3.5萬(wàn)億美元的產(chǎn)出，創(chuàng)造2200萬(wàn)個(gè)工作崗位，這已經(jīng)超過(guò)了當(dāng)下整個(gè)移動(dòng)價(jià)值鏈的價(jià)值，從這可以看到5G對(duì)于人才需求、對(duì)世界帶來(lái)的影響將是顛覆性的[10]。5G崗位的空白可以從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備部署維護(hù)、業(yè)務(wù)編排、自動(dòng)化運(yùn)維、業(yè)務(wù)體驗(yàn)與優(yōu)化、用戶(hù)體驗(yàn)分析等崗位的人才稀缺體現(xiàn)。5G行業(yè)為人們就業(yè)帶來(lái)新的市場(chǎng)熱潮。

2? 5G的技術(shù)層析

2.1 復(fù)雜組網(wǎng)

5G網(wǎng)絡(luò)的部署需要無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，其中無(wú)線接入網(wǎng)主要由基站組成。由于網(wǎng)絡(luò)部署投資巨大，不同于以往2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)與接入網(wǎng)一體的演進(jìn)，5G時(shí)代則分成核心網(wǎng)、基站兩塊。組網(wǎng)方案有SA（獨(dú)立組網(wǎng)）和NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）兩種，SA只采用5G基站來(lái)提供5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，因此建設(shè)成本很高;NSA通過(guò)整合5G基站和4G基站的方式，來(lái)提供5G信號(hào)的支持，基站建設(shè)的投入小，因此很多國(guó)家采用NSA組網(wǎng)建設(shè)5G[2]。

2.2 5G傳播模型

3GPP組織針對(duì)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信推出了5G標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議38.901，其中提到包括城區(qū)微站（UMi）、城區(qū)宏站（UMa）、農(nóng)村（RMa）和室內(nèi)熱點(diǎn)（InH）的四種無(wú)限傳播模型，每種場(chǎng)景又分為L(zhǎng)OS（視距）和NLOS（非視距）兩種情況：無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中如果中間無(wú)阻擋，可以視為直線傳播，也就是LOS場(chǎng)景;在實(shí)際環(huán)境中由于受到障礙物的影響，無(wú)線信號(hào)從發(fā)射端到接收端無(wú)法直線傳播的情況，稱(chēng)為NLOS場(chǎng)景。

5G網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過(guò)程中具有較高的頻率，而如今的傳播模型眾多，因此必須結(jié)合5G的傳播特性及傳播過(guò)程中的媒介、環(huán)境等特征，合理地選擇傳播模型，以保證其信號(hào)的穩(wěn)定傳輸[8]。以下僅介紹在前三種模型的NLOS（非視距）場(chǎng)景下的情況，如表1所示。其中主要參數(shù)含義：h為平均建筑高度;W為街道寬度;hUT為終端高度;hBS為基站高度。

值得提到的是，COST231-Hata也是一種在預(yù)測(cè)無(wú)線電波路徑損耗方面具有較高準(zhǔn)確度且使用非常廣泛的模型，其計(jì)算公式為：。其中hB為發(fā)射天線有效高度，hr為接收天線有效高度，α（hr）為接收天線高度修正因子，Cm為傳播環(huán)境校正因子。在密集大城市時(shí)，校正因子計(jì)算公式為;在郊區(qū)或密集程度不高的城市校正因子計(jì)算公式為。

對(duì)比UMa模型和cost231模型的公式可以看出，UMa模型定義了街道寬度數(shù)值以及建筑物平均高度，可變參數(shù)的增多使得模型的應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富[11]。

2.3 5G幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

即使到了5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，無(wú)線幀和子幀的長(zhǎng)度還是和4G保持一致，這是為了使得4G和5G間共存以及方便部署。不過(guò)，5G相對(duì)于4G有著靈活的子架構(gòu)。4G子幀固定為1ms，包含2個(gè)時(shí)隙，子載波間隔固定為15KHz;5G的子載波間隙則可以靈活擴(kuò)展，這種靈活變化主要是為了使5G支持各種應(yīng)用場(chǎng)景。

5G采用u（Numerologies）這個(gè)參數(shù)來(lái)表示載波間隔，由u值的不同，符號(hào)周期成比例變化，即隨著子載波間距的增大，時(shí)隙會(huì)變短。子載波間隔越大則會(huì)有更短的時(shí)隙，更能滿(mǎn)足低時(shí)延的需求[12]。

2.4 5G的覆蓋測(cè)量

4G網(wǎng)絡(luò)中，UE通過(guò)測(cè)量小區(qū)特定參考信號(hào)（CRS）獲得RSRP、RSRQ和SINR值;而在5G網(wǎng)絡(luò)中UE通過(guò)測(cè)量同步信號(hào)（SS）和信道狀態(tài)信息（CSI）獲得RSRP、RSSI、RSRQ和SINR數(shù)值。其中5G覆蓋類(lèi)的關(guān)鍵指標(biāo)主要還是RSRP和SINR，5G中RSRP/SINR分類(lèi)如表2。

5G覆蓋的首要目標(biāo)是保證區(qū)域內(nèi)RSRP/SINR滿(mǎn)足建網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，先優(yōu)化SS RSRP/SCI-RSRP，后優(yōu)化SS SINR/CSI-SINR。

2.5 大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）

大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的MIMO是2D-MIMO，采用單個(gè)寬波束進(jìn)行覆蓋，實(shí)際的信號(hào)覆蓋時(shí)只能在水平方向移動(dòng)，類(lèi)似平面發(fā)射。大規(guī)模MIMO天線中運(yùn)用波束形成技術(shù)，對(duì)天線賦形出不同方向的窄波束，使得從2D-MIMO發(fā)展為3D-MIMO，在水平維度上引入垂直維度，具備三維立體的覆蓋能力。

基站覆蓋范圍內(nèi)多用戶(hù)在同時(shí)頻資源上同時(shí)通信，提升了頻譜資源的復(fù)用。同時(shí)，窄波束的集中輻射使得基站發(fā)射功率損耗減少，提升了能量效率。還有由于Massive MIMO天線數(shù)目多，系統(tǒng)的空間自由度高，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

總的來(lái)說(shuō)，Massive MIMO有著高復(fù)用增益，高能量效率，好的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在解決高容量和多連接問(wèn)題也起著很大的作用。

3? 結(jié)語(yǔ)

5G的發(fā)展不僅僅給普通群眾帶來(lái)深刻影響，甚至給全社會(huì)、全球都帶來(lái)一場(chǎng)熱浪，使民生、經(jīng)濟(jì)、教育、軍事等領(lǐng)域都會(huì)有巨大的改變。

5G建設(shè)如火如荼，但是由于5G新技術(shù)還面臨著一定的問(wèn)題，4G網(wǎng)絡(luò)仍然是當(dāng)代大環(huán)境下的主流，未來(lái)的長(zhǎng)期局面將是4G、5G協(xié)同共存。介于4G和5G技術(shù)的不同，本文著重對(duì)5G技術(shù)帶來(lái)的變化進(jìn)行了析剖，介紹了5G網(wǎng)絡(luò)的全新特點(diǎn)。

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