淺談5G網路

移動通信發展歷程

5G的定義

5G:第五代移動通信技術

5G的技術指標

5G關鍵技術

（1）超密集組網----滿足熱點高容量場景：大量增加小基站，以空間換性能；
宏基站：數千米
小基站（家庭基站；室內基站；個人基站；微基站；微微基站）：10米到200米SDN
（2）大規模天線陣列—提升了信號可靠性；提升了基站吞吐率；大幅降低對周邊基站的干擾；服務更多的移動終端
（3）動態自組織網路（SON)----部署靈活；支持多跳；超可靠性；支持超高帶寬
（4）軟體定義網路（SDN)----物理上分為控制平面和轉發平面；控制器集中管理多臺轉發設備；服務和程式都部署在控制器上
（5）網路功能虛擬化（NFV)----軟硬體解耦，虛擬化；通用功能實作網路功能

5G面臨的挑戰

（1）頻譜資源的挑戰
5GHz以下頻段已經非常擁擠；
解決辦法： 使用高頻段，超高頻段；
（2）新業務的挑戰
eMBB:3D/超高清等大流浪移動寬帶業務；
挑戰：AR/VR等對傳輸速率的要求高；
nMTC:大規模物聯網業務;
挑戰：對連接數，待機，耗電等要求高；
uRLLC:無人駕駛，工業自動化等高可靠，低時延業務；
挑戰：對時延，可靠性要求極高；
（3）新場景挑戰
移動熱點：大量熱點帶來的超密集組網；
物聯網：物聯新業務遠超人的活動范圍；
低空/高空覆寫：無人機，飛機航線覆寫；
（4）安全挑戰
三大場景安全： eMBB：安全處理性能，二次認證，已知漏洞；
mMTC:輕量化安全，海量連接信令風暴；
uRLLC：低時延的安全演算法，邊緣計算，隱私
保護，
新架構安全： SDN,NFV等新安全挑戰

5G場景需求

1.高清視頻的需求

高清視頻需要更高的速率

2.流媒體VR視頻的帶寬需求

VR對帶寬的需求更大，理想的VR需要2G bps流量，只有5G能滿足，

3.萬物互聯、萬物互通（物聯網需求）：

包括智能城市，智能建筑，智能家庭，智能交通設備等都需要連接入網路，

不同網路制式所支持的連接數：

在3G的時代每個小區支持100個連接即可，因為大部分的用戶都是手機用戶，

到了4G時代，每個小區需要支持上千個連接，包括手機，平板，電腦，等各種智能終端設備，

5G時代，每平方公里需要支持1百萬個連接數，因為設備除了手機、平板等智能終端設備，還多了物聯網設備，汽車，VR等，

自動駕駛對低時延的需求：

自動駕駛由于安全性，需要很低的時延，當駕駛時速為120公里/小時的時候，不同網路制式的時延不同，造成制動距離相差很大，
制動距離 = 車速 * 系統時延，制動距離越小越安全，

ITU對IMT2020愿景的描述：

5G的鐵三角：

1. eMBB增強型 的MBB，要求速率達到10Gbit/s.
2. mMTC（海量連接的物聯網業務），1百萬連接每平方公里，
3. uRLLC（超高可靠性與超低時延業務），時延降低到1ms，

5G 3GPP網路架構

5G網路架構介紹

5G網路名稱：

核心網：NG（Next Generation）Core

無線網路: NR(New RAN) 無線接入網（Radio Access Network）

5G網路架構分為兩部分，NGC：核心網， NG-RAN：下一代無線接入網，

NG-RAN：由若干GNB組成，

gNB指的是5G的基站設備，3G基站叫NodeB（NB），4G基站叫eNB，

NG-C：（Next Generation Core）下一代核心網（包括AMF、UPF功能模塊），

AMF：（Access Management Function），接入管理功能，

UPF：(User Plane Function) 用戶面功能，主要進行用戶面資料的存盤和轉發，

5G時代NG-RAN的關鍵特性—集中式部署:

集中式部署：部分上層協議堆疊功能集中部署，底層功能分布式部署，

所謂集中式：是指將RAM無線接入測的協議堆疊功能進行分類，分為兩大類，

第一層是上層協議級的功能，它們對應時延的要求不高，可以進行協議堆疊的集中部署，變為資源池，離用戶較遠，而底層協議對時延要求高，可以進行分布式部署，可以有效降低時延，

5G網路設計原則：

5G網路設計的4大原則：

1. **NFV/SDN技術，**NVF（Network Function Virtual）網路功能虛擬化，使網路更具有彈性，SDN（Software Define Network）軟體定義網路，通過轉發與控制面的分離，通過全網的角度去看待IP網路，更好的調度網路，分配資源提高利用率，
2. 控制業務分離，盡量把控制面與業務面分離，提高業務效率，
3. 網路功能切片， 通過不同的網路需求，QoS、時延需求，帶寬需求等，將一個物理網路分為多個邏輯的網路，滿足不同的應用需求，
4. 流程定義為業務， 將網路功能從硬體中解耦出來，變為一個個服務、業務，如QoS功能，移動性管理功能，會話管理功能等，都從硬體中分離出來，變為一個一個的服務，從而可以根據不同的業務來挑選不同的服務，整合起來，比如：水表代表對移動性管理的功能就不太需要，
   

5G網路架構特點：

一、為分布式的用戶帶來滿足極致的體驗：

通過分布式的用戶面來滿足極致的體驗和極低的體驗，
5G網核心網會分為兩個部分：
一部分為CP（Control Plane），控制面
一部分為UP(User Plane)，業務面，
控制面可以放在中央的機房里，因為它對時延處理要求不是太高，
而業務面則不斷下沉至邊緣資料中心，離基站非常近，此時時延非常小，
安裝業務QoS來把控制面和用戶面靈活部署在不同級別的DC上，
邊緣DC離基站小于20公里，

二、用SOA重構控制面，縮短上市時間：

將原有網路功能和設備解耦，變為單個的服務，將服務軟體化，每個切片根據自己的情況和實際需求來動態選取編排不同的服務，同時也有第三方功能模塊開發，能迅速和第三方對接，從而縮短業務上市時間，

面向服務的架構(SOA):service-oriented architecture
UDM：（Unified Device Management）統一設備管理
QoS：（Quality of Service）服務質量
MM：（Mobile Management）移動性管理
Charging：計費管理

5G cloud RAN網路

背景：統一架構的網路需求：

業務場景：mMTC，eMBB，uRLLC，On-demand，IoT
商業模式：Slicing，Open API，Fast TTM，
技術演進：Multi-RAT，Nulti-layer，Unlicensed，Multi-band，Mutil-antenna，
效率提升：Hot Spot，Unbalanced Traffic，Tidal Effect，

實作：網路功能虛擬化及云化：

傳統的網路是煙筒式的，各種功能需要專用的硬體，虛擬化的時代，需要將軟體硬體解耦，

SingleRAN到CloudRAN的演進：

SingleRAN：

SingleRAN： 指的是2G，3G，4G盡可能利用原有的物理資源，通過在原有的物理資源之上，進行不同的軟體資源的疊加，就可以實作GSM、UMTS、LTE，2G，3G，4G的功能，可以使得2/3/4G共用一個無線的機柜，共用一個基帶單元，共用一個傳輸系統，共用一個OM系統，

但是到了5G時代，原來的架構遠遠不能滿足現在的需求，需要向CloudRAN演進，

什么是Cloud RAN？

CloudRAN云化架構分為兩部分：

RAN集中式單元（CU）concentrate unit：指的是把各個基站功能相同的單元合并起來，統一部署，變為一個資源池，不同基站之間可以共享這些資源，
RAN分布式單元（DU）distribut unit：部署在各個基站處，更靠近用戶，

CloudRAN協議堆疊切分：

從資源利用角度看，可以把更多協議劃分到CU，

從時延角度看，又需要把更多協議劃分到DU.

綜合考慮：將RRC，PDCP劃分到CU，RLC，MAC，PHY劃分到DU，

CloudRAN價值：

靈活組網：可以根據不同的業務需求，靈活部署，

彈性擴展，

CloudRAN的部署場景：

1. 一體化部署場景，
   
   傳統網路，不引入MCE，實時部分和非實時部分融合為一體，

2. 分離部署場景，可能是將來非常重要的一個場景，
   
   引入MCE，部署RAN-NRT（RAN非實時部分），傳統基站只部署RAN-RT（實時部分），

3. 混合部署場景
   
   不引入MCE，小站實作SuperSite架構，RAN-NRT部署在宏站（實作eNodeB的S1匯聚），RAN-RT扔部署在小站，宏站充當小站MCE的角色，宏站自身也包含實時部分和非實時部分，

5G空口關鍵技術

全新的空口技術：

在5G時代，空口的速率的會高達10Gbit/s，因此需要采取各種新技術來提示空口頻譜的效率，目前常用的有5中新技術用于空口，

1. 全雙工，全雙工模式提升吞吐率，
2. SCMA：多址接入提升連接數，縮短時延，
3. F-OFDM：靈活的波形，靈活應對不同業務，
4. Polar編碼：信道編碼，提升可靠性，降低功耗，
5. Massive MIMO，空間復用，提升吞吐率，

新空口可以靈活適配眾多業務，頻譜效率至少提升3倍，

F-OFDM：非常靈活的空中介面的自適應波形：

4G（OFDM）:子載波帶寬是固定的，15kHz，

5G（F-OFDM）：子載波帶寬不是固定的，可以靈活針對不同的QoE應用的報文大小，提高資源利用率，有效提升頻譜效率，

SCMA（稀疏碼多址接入）：

1G是采用：FDMA，頻分多址接入，

2G采用：TDMA + FDMA，時分多址接入 + 頻分多址接入，

3G采用：CDMA，碼分多址接入，

4G采用：OFDMA，正交頻分多址接入，

5G采用了，SCMA，稀疏碼分多址接入，實質是，CDMA+OFDMA，

在正交頻分之后，每個子載波可以根據碼分的技術來區分不同的用戶，從而使頻譜效率大幅度提升，在同一個子載波中，碼分的用戶數越多，容量就會越高，但是干擾也會越大，目前，一般在4個子載波中，容納6個用戶，也就是1.5倍的容量提升，

5G的信道編碼-Polar碼和LDPC碼：

信道編碼：在信道中加了保護和冗余bit，以實作更高的解碼以及提高系統的可靠性，5G時代有連個重要的編碼：Polar碼和LDPC碼，

編碼演算法的選擇原則：糾錯性能，時延，實作效率，

Turbo編碼：成熟，但在高速路和低時延處理有劣勢，
LDPC編碼：實作復雜度低，適用于高度及大資料塊，并行處理有優勢，
Polar編碼：小資料塊傳輸時，性能優于其他編碼，成熟度低，
對于eMBB場景，初步結論：

控制信道：Polor碼，
大資料塊業務信道：LDPC碼

5G的多天線技術Massive MIMO：

原來的天線一般都是兩T兩R，兩發送兩接收，

到了Massive MIMO，5G時代，高達64T，64R或者128T，128R，

Massive MIMO的優勢：

更多的天線實作更好的覆寫，

多天線賦形，實作更靈活的3D覆寫，

同時覆寫高層，中層，底層等位置的信號，

多層發射實作更高的容量，

MUBF，將多個手機的波束捆綁為一個波束，有效提升小區的容量， 可以更精準的控制波束的大學，降低干擾，提升性能，

寬波束到窄波束成型，

全雙工：

全雙工：指在同一頻率，同時進行收發，實際是半雙工，通過時分復用或頻分復用，

半雙工導致頻譜損失，

全雙工系統允許在同樣的時隙和頻率資源上進行發送和接收，全雙工最大的問題是，干擾大，

全雙工要解決的第一大問題就是要降低干擾，

目前一般采用的技術，因為發射端的資訊是已知的，可以把發射端認為是一個已知的干擾，在接收的時候通過去除干擾的手段，把發射端帶來的干擾盡可能降低，

頻譜分配及5G核心頻譜

5G頻譜方案：

5G之路上的重要關注：關鍵指標，

估計到2020年的業務需要20GHz頻譜，

因為業務、客戶需求越來越高，預計到2020年有20倍容量的提升，

為了增加20倍的需求，站點數可以增加1.4倍，頻譜效率增加5倍，還是不滿足，另外需要頻譜帶寬增長3倍，大約需要2000M的帶寬，中國目前有（687MHz），各國均有一千多MHz帶寬的短缺，

解決頻譜差距的方案：

1. 釋放成熟的WRC-7/12頻段：700/800/2300/2600/3500.

如2,3G業務少了，可以將用的少的頻段釋放出來供5G使用，

2. 開發WRC-15頻段：C頻段、L頻段的頻譜，IMT在6GHz以下定義的500MHz~1000MHz，

中國確定了3.4-3.5GHz作為5G的測驗使用，

3. 開發WRC-19頻段：候選的UHF/C頻段，更高頻段>6GHz.

5G核心頻段介紹：

5G將聚合所有的頻段頻譜：

6GHz以上主要集中在6-90GHz，再往上就是可見光，

比較熱門的網段：28GHz，
6GHz以下作為覆寫層，毫米波作為容量層

頻率越高，覆寫越弱，毫米波，以及28GHz的覆寫都是比較弱的，
基站和手機之間不能由遮擋物， 覆寫范文600m
基站和手機之間有遮擋物，覆寫范圍 40m
所以毫米波，28GHz等主要用于容量場景，室內覆寫，回傳，

3GHz以下：提供基礎接入，覆寫以及移動性，
C-Band：Massive MIMO部署提升容量和覆寫，
毫米波：容量提升，家庭寬帶接入，自回傳，有電即有站，
華為5G低頻200MHz帶寬，32T 32R，測驗小區吞吐率,Sub6G,為10.32Gbps，
華為5G高頻，9.6GHz帶寬，2T 2R，測驗速率為115.20Gbps，

5G網路切片

什么是網路切片：

”網路切片“是利用虛擬化技術，將運營商網路物理基礎設施資源根據場景需求虛擬化為多個相互獨立的端到端網路，每個網路切片從設備到接入網傳輸網再到核心網在邏輯上隔離，

為什么5G需要網路切片？

主要是因為在5g的時代是一個萬物互聯的時代，萬物互聯也就意味著有多種多樣的終端，也需要提供多種多樣的服務，比方說VR和清視頻對帶寬的需求很高，可能要在20Gb/s，而車聯網對于低時延、高可靠性，要求非常高，需要時延低于一毫秒，但是家里面的水表電表等等，他們對于帶寬和實驗沒有太多要求，而是需要大的連接，針對不同的業務不同的需求，如果還像兩三四G一樣提供同樣的服務，同樣的網路資源，那就不行了，5g的網路切片可以把一個完整的物理網路根據需求切成多個虛擬化的切片，網路每一個切片都是一個單獨的邏輯網路，可以根據用戶的需求提供不同的網路資源和服務，

如何進行網路分片：

當前網路基于專用設備，而5G網路需要創建虛擬化網路，網路虛擬化是前提，

5G采用新架構來支撐分片

E2E網路切片：

網路切片業務模型設計舉例：

網路切片的價值：

商業價值：網路切片可以幫助運營商快速進入垂直行業領域，獲取更大的商業機會，
技術價值: 通過網路切片，一個網路便可以很好的服務于各類新的業務，極大的減少了運營商的網路投資成本，
TTM（Time to market ）: 網路切片對資源和業務邏輯隔離，降低了技術實作復雜度，縮短TTM，刺激業務創新，

5G關鍵技術及部署

什么是Massive MIMO：
Massive MIMO：大規模天線陣列的多天線形態，
和4G時代的Massive MIMO相比，5g時代的天線數量遠大于g時的，

Massive MIMO增益—3D賦型，
所謂3D賦型指的是在垂直面上，3D面上多處賦型，而在4g是的大多MIMO技術都是平面上的賦型，5g時代MIMO可以做到在3D垂直面上，多個波束同時覆寫，對高層建筑有很好的覆寫效果，
三維波束賦型簡稱3D BF，增強用戶的覆寫，

Massive MIMO的第二個技術分兩個層面：
第一：是立體16流更窄的波束，指的是可以在同一時間形成16個獨立的流，使得速率有大幅度的提升，而在4G時一般都是兩流或者4流，在5G可以做到16流，同時波束更窄可以覆寫范圍更廣，干擾更小，
第二點：MU BF，多用戶的波束賦型，對應Massive MIMO來說，它的速率決定于發射端和接收端最小的天線速率，所以即使在基站有16根天線，但是接收端有2根天線，最終也只能形成兩流，峰值速率也只能是兩倍，
例如：手機有兩根天線，可以將8個用戶的手機組成一個組，就是16根天線，這樣發射端和接收端都是16根天線，可以大大提高小區的峰值速率，
雖然可以使用64T 64R，但是考慮到干擾等因素，現在一般只使用16流，將來隨著技術的發展可能會使用更多流，

Massive MIMO天線陣子設計：

對于64TR的來說，因為垂直分為了4層，所以叫也叫4V，而水平分為了8列，又因為每列的每個點有正交的兩根天線組成，所以水平是16H，同時垂直的3個陣子又組成了1T，

Massive MIMO天線硬體的變化：

傳統的MIMO天線形態是由 BBU + RRU + 天線組成，使用了Massive MIMO后，成為了BBU + AAU有源天線（包含了RRU + 天線），

上下行解耦可以提升C-Band的覆寫：C-Band上行覆寫提升，

上下行解耦：指的是在近處的時候使用的是c波段，上下行都使用的c波段也就3.5GHz，而隨著手機用戶不斷的遠離基站，那么這個時候，上行就受限，而下行由于采用大功率的天線以及Massive MIMO的技術，所以下行沒有太大問題，但上行由于手機的限制，所以上行鏈路會受限，

解決辦法：就是當手機用戶遠離基站的時候那么下行還是采用3.5GHz C波段，而上行會動態的調整到跟它同站的LTE的1.8GHz的頻率，當然這個1.8GHz的頻率是5g跟4g采用動態共享的方式，同時呢一段 是變成了5g的使用，那么這個上行雖然用的是1.8GHz的頻率，但是空口技術實際上使用的是5g的空口技術，通過這樣的方式，使得手機在基站的遠處，也能達到上下行平衡，同時使得5g的覆寫范圍和4g的基本持平，這就是上下行解耦的技術，

注意：首先，5g和4g的小區，如果使用上下行解耦，那么它們必須是共站的，其次5g和4g的小區必須通過一定的方式連接起來，使他們資源變成資源池，這樣才能互相進行通信和有效的資源調度，也就是說如果我們采用上下行解耦這種方式的話呢，將來4g和5g的基站必須要考慮他們之間的一個融合度和配合，

那目前來說呢，上下行解耦里面的上行頻段，協議中已經定義了以下這些頻段，包括1.8GHz和800兆以及700M赫茲，將來會有更多的頻率定義為上下行解耦的頻率，

5G的天線解決方案：

目前,經常會談到的是1+1的天線解決方案，那么1+1的天線解決方案呢，其實指的是把Sub-3GHz，也就是低于三GHz下的所有的制式和頻率都合1同一根天線，也就是兩三四g都會統一合并起來，放在一個單桿的單天線里面，其次呢，毫米波及3.5GHz的Massive MIMO共一根桿，從而形成1+1的方案，