一、5G基本概念

第五代移动电话行动通信标准,也称第五代移动通信技术,外语缩写:5G(5th generation),也是4G之后的延伸。

ITU 为 5G 定义了 eMBB(增强移动宽带)、mMTC(海量大连接)、URLLC(低时延高可靠)三大应用场景。

增强移动宽带(eMBB) 典型应用包括超高清视频、虚拟现实、增强现实等。关键的性能指标包括 100Mbps 用户体验速率(热点场景可达1Gbps)、数十 Gbps 峰值速率、每平方公里数十 Tbps 的流量密度、每小时 500km以上的移动性等。

低时延高可靠(URLLC) 典型应用包括工业控制、无人机控制、智能驾驶控制等,这类场景聚焦对时延极其敏感的业务,高可靠性也是其基本要求。

海量大连接(mMTC) 典型应用包括智慧城市、智能家居等。这类应用对连接密度要求较高,同时呈现行业多样性和差异化。

二、相关术语

1)IMT-2020

IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由工信部、发改委和科技部联合推动成立,目前至少有56家成员单位,涵盖国内移动通信领域产学研用主要力量,是推动国内5G技术研究及国际交流合作的主要平台。

2)3GPP R15/R16

3GPP全称3rd Generation Partnership Project,是一个国际性通讯组织。成员包括四类:组织会员、市场代表、观察员和特邀嘉宾(Guests)。其中组织会员包括ARIB(日本电波产业协会)、ATIS(美国电信行业解决方案联盟)、CCSA(中国通信标准化协会)、ETSI(欧洲电信标准化协会)、TSDSI(印度电信标准开发协会)、TTA(韩国电信技术协会)和TTC(日本电信技术委员会)。

3GPP会定期并发布新的无线通信技术标准,R15(Release 15)就是第一个包括5G标准的版本。按计划5G第二阶段的R16将会在2019年第四季度完成。

按照3GPP规划,5G标准分为NSA(Non Standalone非独立组网)和SA(Standalone独立组网)两种。

NSA(Non Standalone非独立组网):其中NSA组网是过渡方案,主要以提升热点区域带宽为主要目标,没有独立信令面,依托4G基站和核心网工作,相对标准制定进展快些,已于2017年12月完成相关标准化工作。

 SA(Standalone,独立组网):2018年6月,3GPP 5G标准 SA(Standalone,独立组网)方案在3GPP全会正式完成并发布,这标志着首个真正完整意义的国际5G标准正式出炉,即Release15版本。

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图一 3GPP Logo

3)NOMA(非正交多地址)

由于5G频谱效率较4G提升了5~15倍,业内提出采用新型多址接入复用方式,即非正交多址接入(NOMA)。在正交多址技术(OMA)中,只能为一个用户分配单一的无线资源,按频率分割或按时间分割,而NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。在某些场景中,比如远近效应场景和广覆盖多节点接入的场景,特别是上行密集场景,采用功率复用的非正交接入多址方式较传统的正交接入有明显的性能优势,更适合未来系统的部署。

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图二 NOMA非正交多址:功率叠加

4)Millimeter Wave (毫米波)

     毫米波是一种频率为30到300 GHz的电磁波,频段位于微波(microwave)和红外波(infrared wave)之间。应用到5G技术的毫米波为24到100 GHz的频段。毫米波的极高频率让它有着极快的传输速率,同时它的较高带宽也让运营商的频段选择更广。

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图三:5G频段

但毫米波也不完美,其超短波长(1到10 mm)让它穿透物体的能力很弱,这导致了信号衰减,这些物体包括空气、雾、云层和厚实的物体等。短波长也有优点,比如短波长使收发天线能被做到很小,小到轻松塞进手机。小体积天线也让在有限空间内建造多天线组合系统变得更容易。

5)大规模天线技术Massive MIMO

5G的一项关键性技术就是大规模天线技术,即Large scale MIMO,亦称为Massive MIMO。现阶段Massive MIMO技术已经取得了突破性进展,在低频领域已有面向4.5G的商用产品发布。

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图四:Massive MIMO 实现示意图

从两方面理解Massive MIMO:

(1)天线的数量

传统的TDD网络的天线基本是2天线、4天线或8天线,而Massive MIMO指的是通道数达到64/128/256个。

(2)信号覆盖的维度

传统的MIMO我们称之为2D-MIMO,以8天线为例,实际信号在做覆盖时,只能在水平方向移动,垂直方向是不动的,信号类似一个平面发射出去,而Massive MIMO,是信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用,信号的辐射状是个电磁波束。

Massive MIMO主要有如下优点:

  • 可以提供丰富的空间自由度,支持空分多址SDMA

  • BS能利用相同的时频资源为数十个移动终端提供服务

  • 提供了更多可能的到达路径,提升了信号的可靠性

  • 提升小区峰值吞吐率

  • 提升小区平均吞吐率

  • 降低了对周边基站的干扰

  • 提升小区边缘用户平均吞吐率

6)超密集组网

 超密集组网将是满足2020年以及未来移动数据流量需求的主要技术手段。超密集组网通过更加“密集化”的无线网络基础设施部署,可获得更高的频率复用效率,从而在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升。超密集组网的典型应用场景主要包括:办公室、密集住宅、密集街区、校园、大型集会、体育场、地铁、公寓等。

7)CU/DU(集中单元和分布单元)

5G的基站功能重构为CU和DU两个功能实体,CU与DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分。

  • 集中单元CU(Centralized Unit):主要包括非实时的无线高层协议栈功能,同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署。

  • 分布单元DU(Distributed Unit):主要处理物理层功能和实时性需求的层2功能。考虑节省RRU与DU之间的传输资源,部分物理层功能也可上移至RRU实现。

AAU(有源天线处理单元),原BBU基带功能部分上移,以降低DU-RRU之间的传输带宽。

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图五:5G基站网元示意图

8)5G全双工(Co-time Co-frequency Full Duplex, CCFD)

同时同频全双工技术是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作,使得通信双方在上、下行可以在相同时间使用相同的频率,突破了现有的频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式,是通信节点实现双向通信的关键之一。与现有的FDD或TDD双工方式相比,同时同频全双工技术能够将无线资源的使用效率提升近一倍,从而显著提高系统吞吐量和容量。

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图六:各类双工方式对比示意图

9)NFV/SDN(网络功能虚拟化和软件定义网络)

NFV,即网络功能虚拟化,Network Function Virtualization。通过使用x86等通用性硬件以及虚拟化技术,来承载很多功能的软件处理。从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象,使网络设备功能不再依赖于专用硬件,资源可以充分灵活共享,实现新业务的快速开发和部署,并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。

SDN,即软件定义网络,Software Defined Network。是Emulex网络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。

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图七:NFV/SDN关系图

10)NR 新空口技术

NR是“New Radio”的简称,是一种无线设备和基站之间进行数据沟通的新标准。设备和基站之间的沟通是无线的,沟通媒介是在空气中传播的无线电,新空口(NR)就是“新型的空气中无线传播数据的接口”。

NR 空口协议层的总体设计基于 LTE,并进行了增强和优化。用户面在分组数据汇聚协议层(PDCP)上新增服务数据应用协议层(SDAP),分组数据汇聚协议层和无线链路控制子层(RCL)功能进行了相关优化以降低时延和增强可靠性。

11)无线频率

按照各频段特点,sub-6GHz(6GHz 以下)频谱将兼顾覆盖与容量的需求,是峰值速率和覆盖能力两方面的理想折衷;6GHz 以上频谱可以提供超大带宽和更大容量、更高速率,但是连续覆盖能力不足。

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图八:5G各频段覆盖对比

12)5G服务化架构及能力开放

5G 新型核心网架构支持控制与转发分离、网络功能模块化设计、接口服务化和 IT 化、增强的能力开放等新特性,以满足 5G 网络灵活、高效、开放的发展趋势。5G 核心网实现了网络功能模块化以及控制功能与转发功能的完全分离。控制面可以集中部署,对转发资源进行全局调度;用户面则可按需集中或分布式灵活部署,当用户面下沉靠近网络边缘部署时,可实现本地流量分流,支持端到端毫秒级时延。

13)频谱共享

为了满足5G超高流量和超高速率需求,除尽力争取更多IMT(国际移动通信,International Mobile Telecommunications)专用频谱外,还应进一步探索新的频谱使用方式,扩展IMT的可用频谱。在5G中,频谱共享技术具备横跨不同网络或系统的最优动态频谱配置和管理功能,以及智能自主接入网络和网络间切换的自适应功能,可实现高效、动态、灵活的频谱使用,以提升空口效率、系统覆盖层次和密度等,从而提高频谱综合利用效率。

14)多网络融合

5G 是多种接入技术融合的网络,遵循多网协同的原则,即 5G 和 4G、WLAN 等网络共同满足多场景的需求,实现室内外网络协同;同时保证现有业务的平滑过渡,不造成现网业务中断和缺失。

15)多接入边缘计算(MEC)

MEC 通过将计算存储能力与业务服务能力向网络边缘迁移,使应用、服务和内容可以实现本地化、近距离、分布式部署,从而一定程度解决了 5G 增强移动宽带、海量机器类通信、超高可靠低时延通信等技术场景的业务需求。同时 MEC 通过充分挖掘网络数据和信息,实现网络上下文信息的感知和分析,并开放给第三方业务应用,有效提升了网络的智能化水平,促进网络和业务的深度融合。

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图九:多接入边缘计算平台

16)网络切片

网络切片是端到端的逻辑子网,涉及核心网络(控制平面和用户平面)、无线接入网、IP 承载网和传送网,需要多领域的协同配合,不同的网络切片之间可共享资源也可以相互隔离。

基于SDN/NFV技术进行网络切片进而实现通用硬件上的多用途组网,是业界的普遍共识。不同网络切片通过虚拟化技术实现对同一个物理基础设施的共享,从而使得资源利用率最大化;每一个切片的资源和功能可以通过定制化,更好的匹配业务需求;移动网络基础设施可以基于运营商规划,动态实现切片生命周期管理,灵活切分为多个业务网络;网络切片实例可以开放给第三方MVNO,从而实现运营商网络资源的多租户商业模式。

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图十:基于SDN/NFV的网络切片

17)5G核心网(5G Core Network)

5G 核心网融入了 SDN、NFV、云计算的核心思想,具备控制与承载分离的特征。控制面采用服务化架构,以虚拟化为最优实现方式,能够基于统一的 NFVI 资源池,采用虚机、虚机上的容器等方式实现云化部署、弹性扩缩容,同时有利于方便灵活地提供网络切片功能;通过用户面功能(UPF)下沉、业务应用虚拟化,实现边缘计算。用户面功能可根据性能要求和 NFV 转发性能提升技术的进展,基于通用硬件(x86 服务器或通用转发硬件)或基于专用硬件实现。

18)5G承载网络

5G 对承载网的需求主要包括:高速率、超低时延、高可用性、高精度同步、灵活组网、支持网络切片、智能管控与协同。5G 承载网应遵循固移融合、综合承载的原则和方向,与光纤宽带网络的建设统筹考虑,在光纤光缆、机房等基础设施,以及承载设备等方面实现资源共享。

基于 5G RAN 架构的变化,5G 承载网由以下三部分构成:

  • 前传(Fronthaul: AAU-DU):传递无线侧网元设备 AAU 和 DU 间的数据;

  • 中传(Middlehaul: DU-CU):传递无线侧网元设备 DU 和 CU 间的数据;

  • 回传(Backhaul: CU-核心网):传递无线侧网元设备 CU 和核心网网元间的数据。

19)波束赋形技术

波束赋形技术不仅能大幅度增加容量,还可大幅度提高基站定位精度,当前的手机基站定位的精度很粗劣,这是源于基站全向辐射的模式。而当波束赋型技术成功应用后,基站对手机的辐射波瓣是很窄的,这就知道了手机相对于基站的方向角,再加上通过接收功率大小推导出手机与基站的距离,就可以实现手机的精准定位了,并因此而扩展出非常多的定位增值服务。

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图十一:波束赋形示意图

20)超密集异构网络

未来无线网络将部署超过现有站点 10 倍以上的各种无线节点,在宏站覆盖区内,站点间距离将保持 10 m 以内,并且支持在每 1 km2 范围内为 25 000个用户提供服务 。同时也可能出现活跃用户数和站点数的比例达到 1∶ 1的现象, 即用户与服务节点一一对应。密集部署的网络拉近了终端与节点间的距离,使得网络的功率和频谱效率大幅度提高,同时也扩大了网络覆盖范围,扩展了系统容量,并且增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次间的灵活性。

21)自组织网络

传统移动通信网络中, 主要依靠人工方式完成网络部署及运维,既耗费大量人力资源又增加运行成本,而且网络优化也不理想。在未来 5G 网络中,将面临网络的部署、 运营及维护的挑战, 这主要是由于网络存在各种无线接入技术, 且网络节点覆盖能力各不相同,它们之间的关系错综复杂。因此,自组织网络(self-organizing network, SON) 的智能化将成为 5G 网络必不可少的一项关键技术。

22)内容分发网络(Content Delivery Network)

内容分发网络是在传统网络中添加新的层次,即智能虚拟网络。CDN 系统综合考虑各节点连接状态、 负载情况以及用户距离等信息,通过将相关内容分发至靠近用户的 CDN 代理服务器上, 实现用户就近获取所需的信息,使得网络拥塞状况得以缓解,降低响应时间,提高响应速度。CDN 网络架构在用户侧与源 server 之间构建多个 CDN代理 server,可以降低延迟、 提高 QoS(quality of service)。

23)D2D 通信(device-to-device communication,D2D)

D2D 通信是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术。D2D 会话的数据直接在终端之间进行传输, 不需要通过基站转发, 而相关的控制信令,如会话的建立、 维持、 无线资源分配以及计费、 鉴权、 识别、 移动性管理等仍由蜂窝网络负责 。蜂窝网络引入 D2D 通信, 可以减轻基站负担, 降低端到端的传输时延, 提升频谱效率, 降低终端发射功率。当无线通信基础设施损坏, 或者在无线网络的覆盖盲区,终端可借助 D2D 实现端到端通信甚至接入蜂窝网络。在 5G 网络中, 既可以在授权频段部署 D2D 通信,也可在非授权频段部署。

24)M2M 通信M2M (machine to machine, M2M)

M2M 的定义主要有广义和狭义 2 种。广义的M2M 主要是指机器对机器、 人与机器间以及移动网络和机器之间的通信, 它涵盖了所有实现人、 机器、系统之间通信的技术;从狭义上说, M2M 仅仅指机器与机器之间的通信。智能化、 交互式是 M2M 有别于其它应用的典型特征, 这一特征下的机器也被赋予了更多的“智慧”。  

M2M(machine to machine, M2M)作为物联网在现阶段最常见的应用形式, 在智能电网、 安全监测、城市信息化、 环境监测等领域实现了商业化应用。

25)信息中心网络(Information core network)

ICN 所指的信息包括实时媒体流、 网页服务、 多媒体通信等,而信息中心网络就是这些片段信息的总集合。因此,ICN 的主要概念是信息的分发、 查找和传递,不再是维护目标主机的可连通性。不同于传统的以主机地址为中心的 TCP /IP 网络体系结构,ICN 采用的是以信息为中心的网络通信模型, 忽略 IP 地址的作用, 甚至只是将其作为一种传输标识。全新的网络协议栈能够实现网络层解析信息名称、 路由缓存信息数据、 多播传递信息等功能, 从而较好地解决计算机网络中存在的扩展性、 实时性以及动态性等问题。ICN 信息传递流程是一种基于发布订阅方式的信息传递流程。

26)移动云计算

移动云计算是一种全新的 IT 资源或信息服务的交付与使用模式, 它是在移动互联网中引入云计算的产物。移动网络中的移动智能终端以按需、 易扩展的方式连接到远端的服务提供商, 获得所需资源,主要包含基础设施、 平台、 计算存储能力和应用资源。SaaS 软件服务为用户提供所需的软件应用,终端用户不需要将软件安装在本地的服务器中,只需要通过网络向原始的服务提供者请求自己所需要的功能软件。PaaS 平台的功能是为用户提供创建、 测试和部署相关应用等服务。PaaS 自身不仅拥有很好的市场应用场景, 而且能够推进 SaaS。而 IaaS 基础设施提供基础服务和应用平台。

27)人工智能(Artificial Intelligence)

人工智能(Artificial Intelligence),英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。

人工智能是计算机科学的一个分支,它企图了解智能的实质,并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器,该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能从诞生以来,理论和技术日益成熟,应用领域也不断扩大,可以设想,未来人工智能带来的科技产品,将会是人类智慧的“容器”。人工智能可以对人的意识、思维的信息过程的模拟。人工智能不是人的智能,但能像人那样思考、也可能超过人的智能。

28)增强现实和虚拟现实(AR/VR)

增强现实技术,它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术,是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,声音,味道,触觉等),通过电脑等科学技术,模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向,是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合,是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外,还有听觉、触觉、力觉、运动等感知,甚至还包括嗅觉和味觉等,也称为多感知。自然技能是指人的头部转动,眼睛、手势、或其他人体行为动作,由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据,并对用户的输入作出实时响应,并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。