5G网络5G技术初探

一、5G技术指标和三大应用场景

1. 5G技术指标

指标名称	流量密度	连接数密度	时延	移动性	能源效率	用户体验速率	频谱效率	峰值速率
4G参考值	0.1Tbps/Km2	10万/Km2	10ms	350km/h	1倍	10Mbps	1倍	1Gbps
5G参考值	10Tbps/Km2	100万/Km2	1ms	500km/h	100倍提升	0.1-1Gbps	3-5倍	20Gbps

【名词解释】
流量密度：单位面积内的总流量数
连接数密度：指定单位内可以支持的在线设备总和
时延：发送端到接收端接收数据之间的时间间隔
移动性：支持用户终端的最大移动速度
能源效率：每消耗单位能量可以传送的数据量
用户体验速率：单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量
频谱效率：单位面积内，单位频谱资源提供的吞吐量
峰值速率：用户可以获得的最大业务速率

2. 5G三大应用场景

 TCU（国际电信联盟）定义的三大应用场景：

1. 增强的移动宽带（eMBB）：具备超大宽带和超高的传输数据速率（超高速率），实现用户体验速率100Mbps，移动性500km/h。从 eMBB 层面上来说， 它是原来移动网络的升级，让人们体验到极致的网速。因此，增强移动宽带（eMBB）将是 5G 发展初期面向个人消费市场的核心应用场景。
   挑战：如AR/VR、3D/超高清视频等传输速率要求高。

2. 海量物联（mMTC）：低功耗，大连接，支持连接密度100万/Km²。5G 强大的 “海量物联” 能力可以快速促进各垂直行业（智慧城市、智能家居、环境监测等）的深度融合，为“万物互联”创造条件。

3. 高可靠低时延（uRLLC）：连接时延要达到 1ms 级别，而且要支持高速移动（500KM/H）情况下的高可靠性（99.999%）连接。这一场景更多面向车联网、工业控制、远程医疗等特殊应用，这类应用在未来潜在的价值极高，未来社会走向智能化，就得依靠这个场景得网络，这些应用的安全性、可靠性要求极高。
   挑战：对时延、可靠性要求很高。

eMBB（ Enhanced Mobile Broadband)，增强移动宽带
mMTC（Massive Machine Type of Communication）海量机器类通信（大规模物联网），低功耗 大连接
URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication）低时延 高可靠 通信

二、5G核心技术应用

2.1 超密集组网

 超密集组网就是可以大幅度的增加小基站的建设，换取更高效的性能。
基站可以分为两种：
1、宏基站：即“铁塔站”，是一种覆盖范围可达数千米的大型基站。
2、小基站，一般覆盖范围在10m—200m 主要有 ①家庭基站、②微基站、③微微基站（又称皮基站）、④室内基站、⑤个人基站。

2.2 大规模天线列阵

 Massive MIMO （大规模多输入多输出），从由传统天线的2、6根、8根天线增加到128、256根天线，能够提升信号可靠性、提升基站吞吐率、大幅度降低对周边基站的干扰、服务更多的移动终端。

2.3 动态自组织网络（SON）

 在5G系统中，面对更加多样化的需要和指标，5G 系统采用了更加复杂的无线传输技术和融合的无线网络架构，融合了多种接入方式、多种制式、多种架构的异构网络。超密集组网使得未来网络将进一步使现有的小区结构微型化、分布化 , 并加强小区间的相互协作；LTE、UMTS、WiFi等多种制式网络将在5G中共存；SDN/NFV等虚拟化架构引入到5G当中，而更多密集的小型基站甚至支持“即插即用”等更加便捷智能的配置。因此，网络管理复杂度远远高于现有网络，网络深度智能化成为保证 5G 网络性能的迫切需要，使得更加智能的自组织网络(Self Organizing Network, SON)将成为 5G 不可或缺的又一关键技术。

 SON的思路是在网络中引入自组织能力 (网络智能化 )，包括自配置、自优化、自愈合等。SON包括自配置、自优化和自治愈等功能，在越来越复杂的5G网络中，通过对大量关键性能指标（KPIs）和网络配置参数以及功能实体的智能管理，一方面可以降低网络运营商的网络运行开销，另一方面可以提高网络性能。在传统的移动通信网络中，网络部署、运维等基本依靠人工的方式 ，需要投入大量的人力，给运营商带来巨大的运行成本。从5G的网络结构中不难看出，各种无线接入技术和各种覆盖能力的网络节点之间的关系错综复杂 , 网络的部署、运营、维护将成为一个极具挑战性的工作。SON可以看成是对传统的靠人工管理的网络管理系统(Operation Administration and Maintenance, OAM)的自动化升级。SON 对 OAM 的功能和架构有较大影响，SON 使得运营商在进行网络规划、网络配置及网络优化时具有更高的自动化程度。

 智能化是未来网络的目标之一，5G将在已有 SON 技术的基础上，具备更为广泛的感知能力和更为强大的自优化能力。运营商可根据业务流量的动态变化，感知网络环境及用户业务需求，在异构环境下为用户提供最佳的服务体验的同时，有效提高网络的稳定性并降低网络运营的成本和能源的消耗。

应用场景：满足低时延高可靠场景。
SON具有 部署灵活、支持多跳、高可靠性以及支持高带宽的优点。

• 比如一个设备A连接了网络，其它设备B设备C不连接网络，而通过连接设备A组成一个自组织网络，也能够通过设备A进行一系列操作。

2.4 软件定义网络（SDN）

Software Defined Network 软件定义网络。

• SDN核心思想是 — 转发和控制分离，从而实现网络流量的灵活控制。
• SDN网络新角色 — SDN控制器
  承上：对上层应用提供网络编程接口
  启下：对下提供对实际物理网络网元的管理

SDN技术 ，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 [1] 。通过软件去控制

物理上分为控制平面和转发平面。
功能：服务和程序部署在控制器上，控制器集中管理多台转发设备。

2.5 网络功能虚拟化（NFV）

NFV (Network Functions Virtualization) 网络功能虚拟化

• NFV的核心思想 — 软件和专用硬件解耦，软件与通用硬件联姻
• NFV的核心技术 — 虚拟化，把通用服务器的CPU、内存、IO等资源切片给多个虚拟机使用。把交换机 路由器，防火墙的功能作为软件应用运行在虚拟机里模拟它们的功能。通过Openstack来进行管理和编排。
• NFV带来的网络革命 — 网络瘦身（专业硬件向通用硬件的转化）业务带宽随需而动

软硬件解耦、虚拟化（软件模拟硬件）
通用硬件实现网络功能（服务器模拟网络）
SDN和NFV区别：前者面向网络架构的创新，后者面向设备形态的创新。

三、 5G技术正在面临的挑战

• 由于4G及4G以下的通讯技术，所用的频谱段都是低频段，导致现在的低频段很拥挤，资源基本耗尽，4G技术想要寻求更好的发展，必须解决这个频谱资源不足的问题。
  解决方案：以往高频段资源用的很少，5G技术只有更好的开发高频段，才能有更好的发展前景。
• 安全问题
  eMBB：安全处理性能、二次认证、已知漏洞
  eMTC：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：SDN、NFV等新安全挑战
• 终端设备的寿命问题

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小结：

• SDN是面向网络架构的创新
• NFV是面向设备形态的创新
• SDNFVS使整个网络可编程、可灵活性