5G时代的到来--5G技术介绍

前言

在开展5G技术的介绍之前，我们先看一下移动通信的发展历程：
移动通信技术具有代际演进规律

• “G”代表一代
• 每10年一周期

一、5G技术指标

1.14G与5G技术指标对比

指标名称	流量密度	连接数密度	时延	移动性	能效	用户体验速率	频谱效率	峰值速率
4G参考值	0.1 Tbps/Km²	10万/Km²	10ms	350Km/h	1倍	10 Mbps	1倍	1Gbps
5G取值	10 Tbps/Km²	100万/Km²	1ms	500Km/h	100倍提升（网络侧）	0.1-1 Gbps	3倍提升（某些场景5倍）	20Gbps

1.2中国5G之花

性能和效率需求共同定义了5G的关键能力，犹如一株绽放的鲜花。红花与绿叶相辅相成，其中花瓣代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，而花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶则代表三个效率指标，是实现5G可持续发展的基本保障。

二、5G的三大应用场景

目前，国际标准化组织3GPP已经为5G定义了三大应用场景。其中，eMBB指3D/超高清视频等大流量移动宽带业务，mMTC指大规模物联网业务，URLLC则指如无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。这三大应用场景分别指向不同的领域，涵盖了我们工作和生活的方方面面。

• eMBB：大流量移动宽带业务
  eMBB（ Enhance Mobile Broadband）即增强移动宽带，是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升，这也是最贴近我们日常生活的应用场景。5G在这方面带来的最直观的感受就是网速的大幅提升，即便是观看4K高清视频，峰值能够达到10Gbps。
  美国时间2016年11月17日凌晨0点45分，在3GPP RAN187次会议的5G短码方案讨论中，中国华为公司主推的Polar Code（极化码）方案，成为5G控制信道eMBB场景编码最终方案。
  根据Cisco发布的数据显示，在2016年至2021年期间，全球IP视频流量将会增长3倍，同期移动数据流量增长约为7倍。目前，产业达成的共识是，高清视频将成为消耗移动通信网络流量的主要业务。因此，在5G即将到来的当下，流媒体必然将会取得快速增长，这是5G给个人生活带来影响的主要部分。
• mMTC：大规模机器类通信
  mMTC将在6GHz以下的频段发展，同时应用在大规模物联网上。目前，在这方面比较可见的发展是NB-IoT。以往的Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等无线传输技术，属于家庭用的小范围技术，回传线路（Backhaul）主要都是靠LTE，近期随着大范围覆盖的NB-IoT、LoRa等技术标准的出炉，可望让物联网的发展更为广泛。
  5G低功耗、大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，作为5G新拓展出的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持地物联网及垂直行业应用。低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。
• URLLC：高可靠、低时延通信
  URLLC特点是高可靠、低时延、极高的可用性。它包括以下各类场景及应用：工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训、远程手术等。URLLC在无人驾驶业务方面拥有很大潜力。此外，这对于安防行业也十分重要。
  工业自动化控制需要时延大约为10ms，这一要求在4G时代难以实现。而在无人驾驶方面，对时延的要求则更高，传输时延需要低至1ms，而且对安全可靠的要求极高。

三、5G关键技术

3.1超密集组网

• 5G需要满足热点高容量场景（高流量密度、高速率）

• 超密集组网:大量增加小基站，以空间换性能
  基站一般包括:宏基站和小基站
  宏基站:即“铁塔站”，一般覆盖范围数千米
  小基站:一 般覆盖范围在10m~200m,小基站又分为
  1.家庭基站(Femto cell)
  2.微基站(Micro cell)
  3.微微基站(Pico cll,又称皮基站)
  4.室内基站
  5.个人基站

                                 小基站性能指标及参数
  

分类	用户密度	基站密度	基站半径（m)	用户数据速率	部署场景
微基站	高	中	＜300	中	室外补盲区
微微基站	高	中	＜100	中	室外热点
室内基站	中/高	中	＜50	高	办公室、购物场
家庭基站	低	高	＜20	高	家庭、咖啡馆
个人基站	低	高	＜10	低	D2D

小基站的优势

1. 体积小，成本低，安装容易，适合深度覆盖
2. 功率小，干扰小，更小的范围内实现频率复用，提升容量
3. 距离用户近，提升信号质量和高速率

3.2大规模天线阵列

传统天线2、4、8根，Massive MIMO可达64、128、256个天线

大规模天线阵列：在基站端布置几百根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号。这种对空间资源的充分挖掘，可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源，并且几十倍地提升网络容量

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大规模天线阵列的优点：
1.提升了信号可靠性
2.提升了基站吞吐率
3.大幅降低对周边基站的干扰
4.服务更多的移动终端

3.3动态自组织网络–SON

SON（Self-Organizing Network，自组织网络）是伴随LTE发展而引出的一套完整的网络理念和规范。SON主要由运营商提出，其主要思路是实现无线网络的一些自主功能，减少人工参与，降低运营成本。

SON主要包括三大功能，分别是自配置（Self-configuration）、自优化（Self-optimization）、自愈（Self-healing）。目前，3GPP协议中已经为LTE定义了自配置、自优化和自愈功能的相关应用场景。

• 自配置
  指从设备安装上电到用户设备能够正常接入进行业务操作，在很少或者完全没有工程人员干预的前提下完成。它简化了新站开通调测流程，减少了人为干预环节，降低了对工程施工人员的要求，目标是做到即插即用，真正降低开站难度从而减少运维成本。
  自配置功能包括：
  站点位置智能选择
  插入网元时自动生成系统设定参数
  家庭eNode B的自配置
• 自优化
  根据终端UE（User Equipment，用户设备）和基站eNode B（Evolved Node B，演进Node B）的性能测量等网络运行状况，对网络参数进行自我调整优化，以达到提高网络性能和质量和减少网络优化成本的目的。
  自优化功能包括：干扰协调、物理信道的自优化、随机接入信道优化、准入控制参数优化、拥塞控制参数优化、分组调度参数优化、链路层重发方案优化、覆盖间隙侦测、切换参数优化、负载均衡、家庭eNodeB的自优化。
• 自愈
  顾名思义，网络问题的自我治愈，像是治病般的“早发现，早诊断，早治疗”。该功能通过对系统告警和性能的检测发现网络问题，并自检测定位，部分或者全部消除问题，最终实现对网络质量和用户感受的最小化影响。
  自愈功能包括：
  -小区停用预测
  -小区停用侦测
  -小区停用补偿

SON的优点
1.部署灵活
2.支持多跳
3.高可靠性
4.支持超高带宽

3.4软件定义网络–SDN

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）是由美国斯坦福大学clean-slate课题研究组提出的一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。
传统网络世界是水平标准和开放的，每个网元可以和周边网元进行完美互联。而在计算机的世界里，不仅水平是标准和开放的，同时垂直也是标准和开放的，从下到上有硬件、驱动、操作系统、编程平台、应用软件等等，编程者可以很容易地创造各种应用。从某个角度和计算机对比，在垂直方向上，网络是“相对封闭”和“没有框架”的，在垂直方向创造应用、部署业务是相对困难的。但SDN将在整个网络（不仅仅是网元）的垂直方向变得开放、标准化、可编程，从而让人们更容易、更有效地使用网络资源。
因此，SDN技术能够有效降低设备负载，协助网络运营商更好地控制基础设施，降低整体运营成本，成为了最具前途的网络技术之一 。
SDN的整体架构由下到上（由南到北）分为数据平面、控制平面和应用平面，具体如图所示

• 物理上分离控制平面和转发平面
• 控制器集中管理多台转发设备
• 服务和程序部署在控制器上
  其中，数据平面由交换机等网络通用硬件组成，各个网络设备之间通过不同规则形成的SDN数据通路连接；控制平面包含了逻辑上为中心的SDN控制器，它掌握着全局网络信息，负责各种转发规则的控制；应用平面包含着各种基于SDN的网络应用，用户无需关心底层细节就可以编程、部署新应用。
  控制平面与数据平面之间通过SDN控制数据平面接口（control-data-plane interface，简称CDPI）进行通信，它具有统一的通信标准，主要负责将控制器中的转发规则下发至转发设备，最主要应用的是OpenFlow协议。控制平面与应用平面之间通过SDN北向接口（northbound interface，简称NBI）进行通信，而NBI并非统一标准，它允许用户根据自身需求定制开发各种网络管理应用。
  SDN中的接口具有开放性，以控制器为逻辑中心 ，南向接口负责与数据平面进行通信，北向接口负责与应用平面进行通信，东西向接口负责多控制器之间的通信。最主流的南向接口CDPI采用的是OpenFlow协议。OpenFlow最基本的特点是基于流（Flow）的概念来匹配转发规则，每一个交换机都维护一个流表（Flow Table），依据流表中的转发规则进行转发，而流表的建立、维护和下发都是由控制器完成的。针对北向接口，应用程序通过北向接口编程来调用所需的各种网络资源，实现对网络的快速配置和部署。东西向接口使控制器具有可扩展性，为负载均衡和性能提升提供了技术保障。

3.5网络功能虚拟化–NFV

网络功能虚拟化（英语：Network Functions Virtualization，缩为 NFV），一种对于网络架构（network architecture）的概念，利用虚拟化技术，将网络节点阶层的功能，分割成几个功能区块，分别以软件方式实作，不再拘限于硬件架构。
网络功能虚拟化（NFV）的核心是虚拟网络功能。它提供只能在硬件中找到的网络功能，包括很多应用，比如路由、CPE、移动核心、IMS、CDN、饰品、安全性、策略等等。
但是，虚拟化网络功能需要把应用程序、业务流程和可以进行整合和调整的基础设施软件结合起来。
网络功能虚拟化（NFV）技术的目标是在标准服务器上提供网络功能，而不是在定制设备上。虽然供应商和网络运营商都急于部署NFV，早期NFV部署将不得不利用更广泛的原则，随着更多细节信息浮出水面，这些原则将会逐渐被部署。
为了在短期内实现NFV部署，供应商需要作出四个关键决策：部署云托管模式，选择网络优化的平台，基于TM论坛的原则构建服务和资源以促进操作整合，以及部署灵活且松耦合的数据/流程架构。
网络功能虚拟化(NFV)是由服务提供商推动，以加快引进其网络上的新服务。通信服务提供商(CSPs)已经使用了专用的硬件元素，使其可以频繁快速提供新的服务。对于传输网络而言，网络功能虚拟化(NFV)的最终目标是整合网络设备类型为标准服务器、交换机和存储，以便利用更简单的开放网络元素。

四、5G面临的挑战

4.1频谱资源紧张

随着智能手机和平板电脑等移动终端设备的大量普及，移动通信产业对频谱的需求越来越大。然而，频谱资源具有两个特点：
1.可用的频谱资源总量有限，尤其是中低频段的优质频谱资源，数量更为稀少；5GHz以下的频段已非常拥挤
2.由于无线通信的广播特性，同一频段的频谱资源在被多个系统同时同地使用的时候会产生相互干扰，限制通信的质量。不幸的是，目前大部分可用的频谱资源都已经被划分给了各类不同的无线电系统使用，移动通信频谱紧缺的问题日益突出。

解决方向:高频段和超高频段

4.2新业务的挑战

上面有提到过5G的3大应用场景，这三大应用场景都有着各自的限制：
uRLLC:对时延、可靠性要求很高
mMTC:对连接数量、耗电/待机要求较高
eMBB: ARNR等传输速率要求高

随着5G技术的应用，相应的会带来越来越多的使用要求：
移动热点:大量热点带来的超密组网挑战
物联网络:物联新业务远超人的活动范围
低空/高空覆盖:无人机、飞机航线覆盖等
终端设备：终端多模研发、工艺、电池寿命等挑战（PS：石墨烯电池现阶段而言是不是商家搞得噱头，检测智商用的…）

4.3安全挑战

三大场景安全挑战
●eMBB:安全处理性能、=次认证、已知漏洞
●mMTC:轻量化安全、海量连接信令风暴
●uRLLC:低时延的安全算法、边缘计算、隐私保护
新架构安全挑战
●SDN、NFV等新安全挑战

本次主要是对5G关键技术做的一些简单介绍，随着国内如此大力的发展5G，相信5G技术的应用很快会进入人们的生活，给我们的生活带来翻天覆地的变化，下一次会介绍一下5G无线网络架构及规划。