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从技术层面,深度剖析5G的含义

2017年10月25日 17:03 作者： 用户评论（0）

　 在你的眼中，你能说清楚5G是什么吗？我们只知道5G商用时间是2020年，5G的优势是快，对于其他的一概不知。如果有人问你5G到底是什么，你知道吗？本文将从技术层面进行5G概念的深度解读，帮你了解什么是真正的5G技术。

      世界通讯技术先后经历了2G、3G、4G几个重要时代：

　　第一代是模拟技术;

　　第二代是2G，实现了语音的数字化;

　　第三代是3G，以多媒体通信为特征;

　　第四代是4G，通信进入无线宽带时代，速率大大提高。

　　第五代就是5G，最大特点就是实现了高频传播！

　　4G的到来仿佛还在昨日，5G却已近在咫尺。根据3GPP的规划，5G的大规模测试和部署，最早将于2019年开始。也就是说，最快还有一年多的时间，我们就可以享受到5G带来的全新体验。然而作为全球通信标准，5G的意义当然不局限于网速更快，移动宽带体验更优，它的使命在于连接新行业，催生新服务，比如推进工业自动化、大规模物联网、智能家居、自动驾驶等。这些行业和服务都对网络提出了更高的要求，要求网络更可靠、低时延、广覆盖、更安全。各行各业迥异的需求迫切呼唤一种灵活、高效、可扩展的全新网络。5G应运而生。

　　5G是一个端到端的生态系统，它将打造一个全移动和全连接的社会。5G主要包括三方面：生态、客户和商业模式。它交付始终如一的服务体验，通过现有的和新的用例，以及可持续发展的商业模式，为客户和合作伙伴创造价值。2/3/4G时代主要局限于接入网和随之演进的核心网，更多聚焦于技术。5G的目标是“端到端”的系统构架。从技术上讲，5G还将实现电信也从未有过的软件和硬件分离，并引入IT数据中心所采用的云化和虚拟化的概念。

　　简而言之，简而言之，2/3/4G是技术推动单调的服务和商业模式，而5G要运用各种技术去满足和支持持续变化的生态和商业模式。

　5G关键技术

　　2.1 Massive MIMO、CU分离、网络切片、多种接入

　　5G网络从设计之初，就不仅仅强调网络性能的提升和优化，还重视对多种业务场景的支持，使5G有望成为一个面向业务和用户需求的网络。对5G核心网络来说，主要的特征包括网络CU分离（控制面和用户面分离）、网络功能模块化、引入网络切片、引入边缘计算、优化QoS机制、支持多种接入等。

　　1.Massive MIMO——大规模MIMO

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　　图1 容量计算公式

　　容量=带宽*频谱效率*小区数量

　　5G的容量是4G的1000倍，峰值速率10Gbps-20Gbps，根据这个公式，要提升容量无非三种办法：提升频谱带宽、提高频谱效率和增加小区数量。

　　增加小区数量意味着建设更多基站，成本太高。至于频谱带宽，国外很多运营商的频谱资源都是通过拍卖获得的。

　　因而，运营商更喜欢通过提升频谱效率的方式来提升容量。采用校验纠错、编码方式等办法都接近了香农极限，所以最有效的办法就是多天线技术了。

　　所以，高阶MIMO和Massive MIMO这种复杂的天线系统必然成为5G的首选。5G也可以让高频段扩大覆盖范围，这就是C-RAN结构+Massive MIMO。

　　2.CU分离——控制面和用户面分离

　　在这样的网络构架下，控制面和用户面分离。工作于低频段且覆盖范围大的宏小区主要负责控制面，传送控制信令;而工作于高频段的小小区只负责用户面，传送用户数据流量。

　　这样的构架不但解决了高容量和全覆盖的问题，同时，减少了切换，减少了网络信令。C-RAN构架就是将RRU拉远，BBU资源集中化，并对其进行软件化、虚拟化和云化，电信中心机房向IT数据中心转型，并引入移动边缘计算等。

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　　图2 5G接入网架构

　　在不考虑重传的情况下，LTE网络内部时延是小于20ms，而要ping外部服务器，这个时延通常在40-50ms以上，光纤的传播速度是200公里，5G在应对时延敏感用例时，要求接入网时延不超过0.5ms，这意味着5G中心机房（或数据中心）与5G小区（基站）之间的物理距离不能超过50公里。面对物理时延的挑战，我们不得不考虑在接入网引入移动边缘计算（MEC）、边缘数据中心，也就是将以前核心网和应用网的一些功能下沉到接入网。

　　备注：光纤的传播速度是2/3光速。2/3c=2*10^8/s=2*10^5/ms=200km/ms。

　　如果用四个词来概括5G网络的设计原则，它们是：解耦、软件化、开源化和云化。

　　解耦：软硬件解耦，控制面/用户面分离。

　　软件化：NFV、SDN、编排和网络切片。

　　开源：软硬件开源，前传、API接口开放。

　　云化：从CAPEX向OPEX模式转型，虚拟化&DevOps环境，动态&自动化运维。

　　3GPP定义的5G网络逻辑功能架构如图2所示。从图1中可以看出，核心网的控制面功能实体包括AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）、SMF（Session Management Function，会话管理功能）、PCF（Policy Control Function，策略控制功能）、AUSF（Authentication Server Function，鉴权服务功能）、UDM（Unified Data Management，统一数据管理）等。

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　　图3 5G网络逻辑功能架构

　　AFM实现注册管理、连接管理、移动性管理、用户可及性管理、参与鉴权和授权相关的管理功能等。

　　SMF主要负责会话管理相关的功能，包括建立、修改、释放等，具体功能包括会话建立过程中的IP地址分配、选择和控制用户面功能、配置业务路由和UP流量引导、确定SSC模式、配置UPF的QoS策略等。

　　PCF和4G网络中的网元PCRF功能一致，从UDM获得用户签约策略并下发到AMF、SMF等，再由AMF、SMF模块进一步下发到终端、RAN和UPF。

　　AUSF实现对用户的鉴权和认证。

　　UDM的主要功能是对各种用户签约数据的管理、用户鉴权数据管理、用户的标识管理等。UPF（User Plane Function，用户平面功能）主要提供用户平面的业务处理功能，包括业务路由、包转发、锚定功能、QoS映射和执行、上行链路的标识识别并路由到数据网络、下行包缓存和下行链路数据到达的通知触发、与外部数据网络连接等。

　　2017年R14阶段，3GPP将再次向分离式的核心网构架演进之路出发。这一次更彻底，我们可以把它叫“全分离式”的网络构架。

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　　图4 4.5G核心网架构分离

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　　图5 4G集中式核心网与5G分布式核心网

　　在“全分离式”构架下，SGW和PGW被分离为控制面和用户面两部分（如上图黄色填充部分，SGW分离为SGW-C和SGW-U，PGW分离为PGW-C和PGW-U），同样，SGSN也被分离为控制面（SGSN-C）和用户面（SGSN-U）

　　伴随着用户/控制面分离、核心网下沉和分布而来的是部署于接入网或接近接入网的分布式数据中心，并引入基于NFV的MEC（移动边缘计算）。

　　3.网络切片——Network slicing

　　网络切片是5G核心网重要的关键技术之一，也是网络即服务理念的直接体现，网络切片本身就是产品和服务。网络切片设计的出发点是按照业务对网络的不同需求灵活组织网络，形成为特定业务提供专属服务的网络，达到网络与业务的高度匹配。端到端的整个网络切片包括接入网络和核心网络的整个切片。通常的核心网网络切片包括上面介绍的控制平面功能和用户平面功能，对于不同的网络切片可能共享某些控制面功能，但并不会共享用户面功能。

　　网络切片服务于特定的业务，不同切片之间的业务互相隔离、互不干扰，可以满足垂直行业应用无需独立建设专用网络但可以独享网络资源的需求。在NFV/SDN的技术架构下，这些资源可以灵活调度，按需分配，网络可以动态地扩容或缩容，在满足需求的前提下，降低网络建设和运营的成本。

　　在如今的移动网络中，主要的设备是手机。RAN（DU和RU）和核心功能由RAN厂商提供的专用网络设备构建。为了实现网络切片，网络功能虚拟化（NFV）是一个先决条件。基本上，NFV的主要思想是将网络功能软件（即分组核心中的MME，S/P-GW和PCRF以及RAN中的DU）全部部署在商业服务器上的虚拟机，而不是单独部署在其专用网络设备。这样，RAN当作边缘云，而核心功能当作核心云。位于边缘和核心云中的VM之间的连接使用SDN进行配置。然后，为每个服务（即电话切片、大规模物联网切片、任务关键的物联网切片等等）创建切片。

　　网络切片的主要功能是使不同切片相互隔离，确保每个切片不被其他切片中的拥塞而中断。为了满足业务的低时延需求同时节省不必要的网络传送需求，5G中引入MEC，其核心是将部分核心网功能和业务功能以及内容资源部署在靠近用户侧。

　　4.支持多种接入

　　为了实现网络优化、资源高效利用以及在更广的覆盖范围内终端可以使用5G服务，5G网络提出对多接入技术的支持需求，包括3GPP接入和非3GPP接入，也就是说除了支持4G、5G还支持WLAN接入和卫星接入方式。相对于4G支持非3GPP接入不同，5G核心网络中提出对非3GPP接入的注册管理、连接管理的概念，并通过统一的5G核心网来管理3GPP接入和非3GPP接入。

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( 发表人：黄昊宇 )

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