第二節　5G關鍵技術

科技的進步引領產業的變革。移動通信技術由4G向5G的轉變，不僅使人們生活面貌發生變化，也正在創造一場產業革命。相較于4G，5G呈現出三大特點。

第一，聯網設備總數增大。從理論上看，在聯網設備的數量方面，5G網絡約為4G網絡的100倍，實現了聯網設備數量的幾何倍數增長。

第二，傳輸速率提升。從理論上看，5G網絡不僅在傳輸速率方面實現了相對于4G網絡的10倍提升，而且解決了丟包率高、信息失真等問題。

第三，功耗降低。大規模物聯網的應用提高了設備功耗，降低了用戶體驗。而5G有效地降低了功耗，并在普及物聯網的同時保證了用戶體驗和降低了成本。

5G網絡的這些優勢離不開5G關鍵技術在背后的支撐。

一、網絡切片

網絡切片把用戶的個性化業務需求變成了現實。在虛擬化技術的支持下，網絡切片把物理網絡“切割”為數個專用虛擬網絡，后者定制剪裁網絡功能，編排管理相應的網絡資源，靈活使用不同的網絡應用場景，最終實現滿足用戶個性化業務需求的目的。網絡切片使5G網絡實現了對傳統網絡的突破，通過靈活組合網絡資源，能夠實現按需定制差異化服務。可以說，網絡切片連接了業務場景、網絡功能和基礎設施平臺，提供了不同業務場景所匹配的網絡功能。

一個網絡切片要經歷創建、管理和撤銷三個階段，網絡切片創建過程如圖1-5所示。

網絡切片創建、管理和撤銷的完整步驟如下。

第一步，業務需求方向網絡運營商提出場景需求。

第二步，網絡運營商收到場景需求，從模板庫中調用網絡切片模板后，導入服務引擎，并解析模板。

第三步，服務引擎向資源平面發出網絡資源申請，申請通過后，在申請到的資源上完成虛擬網絡功能，以及接口的實例化與服務編排，將切片轉入運行狀態。

第四步，業務下線，撤銷和回收資源。

研究網絡切片的主要是3GPP和ETSI（歐洲電信標準組織）NFV（網絡功能虛擬化）產業組，這兩家機構有各自的研究重點。3GPP致力于網絡切片對網絡功能的影響，而ETSI NFV產業組的研究工作則主要集中在虛擬網絡資源生命周期管理方面。當前，通用硬件性能和虛擬化平臺穩定性制約著網絡切片技術的發展。

二、5G網絡架構的關鍵技術

5G完成了技術方面的新突破，在超密集部署、虛擬化，以及控制與轉發分離的SDN（軟件定義網絡）架構、內容分發網絡、綠色通信等更靈活、更智能的網絡架構和組網技術的支持下，其業務支撐能力得到了進一步提升。

網絡虛擬化技術帶來了三個優勢：一是最大限度地優化網絡資源配置；二是開發最佳網絡管理系統；三是為運營商降低運營成本。在網絡虛擬化技術的支持下，硬件平臺統一，系統的管理、維護、擴容和升級更加便利。在這樣的條件下，運營商不僅可以更好地兼容多種標準，而且可以解決網絡中不同地區、不同業務“潮汐效應”帶來的問題。因此，5G網絡的使用效率更高。目前的網絡虛擬化技術主要采取網絡覆蓋虛擬化、數據中心服務器虛擬化兩條路線［4］。

●　網絡覆蓋虛擬化：此時RRU（遠端射頻單元）不再固定地屬于哪個BBU（室內基帶處理單元），用戶也不再關心使用的是哪種接入技術（2G、3G、LTE、Wi-Fi等），即小區虛擬化。

●　數據中心服務器虛擬化：后臺服務器組成專用虛擬物聯網、虛擬OTT（互聯網公司越過運營商，發展基于開放互聯網的各種視頻及數據服務業務）網、虛擬運營商等。

當前技術條件下，提供的虛擬化主流解決方案有三個：第一個方案是SDN；第二個方案是NFV；第三個方案是云計算。

SDN細分為三層：轉發層、控制層和應用層。控制層與轉發層相互分離，但可以編程，如圖1-6所示。

轉發層涵蓋所有的網絡設備。SDN網絡架構與傳統網絡架構的區別在于，網絡交換設備的網絡控制功能被轉交給了控制層。SDN控制器（圖1-6中的SDN控制軟件）的南向接口把網絡基礎設施與控制層連接起來。

控制層的多個控制器負責實現整個網絡的所有控制功能。

網絡管理和應用開發人員使用應用層的應用編程接口（API）完成路由管理、接入控制、帶寬分配等，避免了手工操作導致的配置錯誤。

雖然處于試運行階段的SDN網絡架構協議還沒有進一步放開，但是運營商已經在核心技術實驗應用中實現了初步商業化。

NFV改變了網元功能形態。這樣原本封閉設備中的網絡功能就被統一承載在虛擬化平臺之上，使沖破電信設備的“黑盒子”模式成為可能［4］。虛擬化的網絡資源即插即用，根據需求在移動網絡的任何一個位置部署或者卸載。這種方式所帶來的更高的網絡靈活性和可擴展性能夠滿足移動網絡不同區域、不同時間、不同場景的差異性需求。工業化標準的服務器、存儲和交換設備替代了專用硬件設備，降低了成本。組網運維成本隨著設備成本的降低而變得更低。因此，低成本和高網絡靈活性構成了NFV的兩大核心優勢。

NFV和SDN高度互補，彼此獨立。它們的結合可以獲得更好的效果，為未來網絡創新提供巨大推動力。此外，它們也都充分利用了標準化硬件設備。

云計算技術已經在互聯網領域使用成熟。歐美國家在云計算的發展模式中選取了按需計費。云計算不僅提升了資源傳輸效率，而且優化了資源配置。這是因為云計算通過虛擬化的資源配置實現了遠程訪問的個性化定制。由于互聯網技術的發展，5G網絡架構提供了一個更加開放且兼容互聯網發展的平臺，克服了傳統網絡架構的一個弊端——運營商平臺彼此獨立，實現了平臺之間的資源共享，提升了資源傳輸與整合的效率，解決了資源配置浪費的問題，降低了成本。

SDN、NFV和云計算堪比5G網絡架構的點、線、面。SDN快速整合信息，NFV實現管控分離，云計算優化整合資源，按需調配網絡資源。點、線、面的協調配合能夠有效提升網絡傳輸質量，妥善應對客戶需求多樣化背景下網絡架構面臨的挑戰。

內容分發網絡旨在解決互聯網訪問質量問題。內容分發網絡解決了互聯網擁擠、用戶訪問網站響應速度慢等問題。問題的解決得益于緩存服務器。首先，緩存服務器的部署要選擇用戶訪問相對集中的地區或網絡。其次，匯總網絡流量和各節點的連接、負載狀況，以及緩存服務器到用戶的距離和響應時間等，并進行分析。最后，根據分析結果，在就近原則的指導下把用戶需求重新導向服務節點，取得所需的內容。在物聯網飛速發展和高清視頻普及的背景下，移動數據業務需求持續增長，內容分發網絡必將是5G網絡的首選。

綠色通信的目的是高效利用頻譜資源、降低功率、減少污染物、節約能源。頻譜資源本就緊張、稀缺，而頻段劃分又帶來了極大的浪費。因此，動態檢測閑置頻譜資源，進行靈活使用，不斷研究抗干擾技術，能夠實現頻譜資源利用率的提升。此外，基站耗電量在蜂窩網絡設備中占的比例較大，因此降低基站的能耗對移動網絡節能具有重大意義。由于移動網絡的“潮汐效應”，如果為滿足最大負荷而設置相同的功率，就會造成嚴重的資源浪費。在這樣的情況下，根據用戶終端和網絡上報的參數配置，動態調整發射功率和遷移用戶，能夠最大限度地降低能耗。

三、超密集組網

超密集組網是一種通過增加更密集的無線網絡基礎設施（如基站等）來進行無線網絡組網的方式［4］。大容量場景對峰值速率、流量密度和用戶體驗速率提出了很高的要求。這必然使高頻段5G網絡的基站間距進一步縮小。各種頻譜資源的利用、靈活多樣的無線接入技術和多種類型的基站將構成宏微異構的超密集組網架構。大容量場景是超密集組網的典型應用場景，如辦公區、住宅密集區、商業中心、校園、體育館、交通樞紐等。基站的超密集組網帶來了許多問題：系統成本與能耗有所增加；系統干擾增大；移動信令負荷加劇等。組網基站類型的差異為超密集組網部署提供了一種分類方法，這種分類方法就是把超密集組網分為宏基站+微基站組網模式和微基站+微基站組網模式。

四、大規模MIMO技術

大規模MIMO技術是5G移動通信網絡的一項重要技術，能夠有效提高頻譜效率。大規模MIMO技術也被稱為大型天線，這是因為它在4G技術的基礎上增加了8根天線。增加的這8根天線能夠使用成百上千根服務天線，實現基站的多個用戶在同一時間進行即時通信。在這8根天線的支持下，信號能量傳輸和接收被整合在較小的空間中，在調度大量用戶終端的情形下，就能提高吞吐量和能源效率。大規模MIMO技術在實踐中表現出了部件成本低、功耗低的特點。這進一步降低了延遲，解決了許多問題，獲得了廣泛應用。但是大規模MIMO技術存在如何深度融合大量低成本低精度部件、如何合理調配終端內新加入的資源、如何開發額外天線和提供服務、如何降低內部功耗等現實問題。這些現實問題制約著大規模MIMO技術的發展。

五、新型信道編碼調制技術

信道編碼調制技術對于數字通信系統而言是一項必不可少的技術。5G的三大應用場景對移動網絡性能參數優化提出了不同的需求。

eMBB對峰值速率、靈活性、編/解碼復雜度、時延和HARQ（混合自動重傳請求）等功能有較高的要求。

URLLC不僅要求高可靠、低時延傳輸，還要求誤塊率達到10-6～10-5數量級。

mMTC要求用戶終端電池支持15年壽命。

然而，依靠傳統的編碼方案并不能滿足三大應用場景提出的新需求。在這種情況下，LDPC編碼方案被確定為eMBB場景下數據信道的編碼方案。LDPC編碼步驟如下。

第一步，為來自MAC層的傳輸塊（Transport Block，TB）添加循環冗余校驗比特（TB-CRC），該步驟在物理層完成。

第二步，進行碼塊分段，如果出現被分割為多個編碼塊（Code Block，CB）的情況，那么每個CB都要添加基于CB的循環冗余校驗比特（CB-CRC）。

第三步，進行碼塊LDPC編碼，并且要根據冗余版本信息進行速率匹配。

第四步，進行碼塊內比特交織與碼塊級聯操作［4］。

LDPC編碼流程如圖1-7所示。

Polar編碼方案被確定為eMBB場景下控制信道和物理廣播信道的編碼方案。該編碼方案由土耳其畢爾肯大學教授Erdal Arikan于2008年提出。理論上，該方案是可以達到香農極限的，其優勢在于編碼的編譯性能更強，碼率配置更靈活，但是譯碼復雜，對信道環境敏感。Polar編碼流程如圖1-8所示。

六、新型多址接入技術

新型多址接入技術允許通過在功率和碼域中復用用戶來使頻譜超載，導致非正交接入，同時服務的用戶的數量不再被正交資源的數量限定［4］。新型多址接入技術存在三個候選方案，這三個方案分別是非正交多址、稀疏碼多址和交織分多址。

非正交多址的基本原理在于，在功率域實現多個用戶在相同資源上的復用，SIC（串行干擾消除）接收機負責在接收端剝離出多路復用的用戶。

稀疏碼多址就是非正交碼和功率域復用方案。在該方案下，下行或上行鏈路中的數據流或用戶被復用在相同的時間/頻率資源上［4］。

交織分多址的目的是，實現異步通信中碼分多址系統性能的提高。交織分多址是依據交織器區分用戶的多址技術，具有較強的抗多址干擾的能力，并且可以復用時域、頻域和碼域的資源，頻譜利用率較高，在5G系統設計中具有重要作用。

七、同時同頻全雙工技術

4G的雙工技術，也被稱為半雙工，因為4G的雙工分為時分雙工和頻分雙工，在時域或頻域分別劃定特定的時隙或頻段，以實現上/下行通信。它也有一個不足——資源利用率不高。5G采用的同時同頻全雙工技術在理論上能夠把時域或頻域的利用率提高1倍。同時同頻全雙工技術的核心是干擾的一致，也就是說，接收端要采取合理措施抑制自己發射的同時同頻信號的自干擾。目前，這個問題的解決方法有三種：第一種是空間域自干擾抑制方法；第二種是射頻域自干擾抑制方法；第三種是數字域自干擾抑制方法。

空間域自干擾抑制方法有很多，主要包括定向天線法、交叉極化法、天線隔離法、天線凋零法。

射頻域自干擾抑制方法要求先重建自干擾信號的反相信號，然后在接收通道中將反相信號與接收到的混合信號疊加，最后抑制自干擾信號。

數字域自干擾抑制方法借助發送端基帶數字信號，過濾消除接收端基帶數字信號中的自干擾。這三種方法通常結合使用，因為單獨使用任意一種干擾抑制方法，抑制效果均不佳。

八、毫米波通信

毫米波是電磁波的一種，波長為1～10mm。得益于它特殊的波長范圍——微波與遠紅外波相重疊的波長范圍，所以兼有二者的特點。毫米波通信指使用毫米波作為載體進行通信。從分類方面來看，毫米波通信可以劃分為毫米波波導通信和毫米波無線電通信。

毫米波通信具有多重優勢。

（1）帶寬極寬、通信容量大。毫米波通信的4個“大氣窗口”，即衰減最小的38GHz、94GHz、140GHz和230GHz 4個頻段，有效帶寬分別達到了16GHz、23GHz、26GHz和70GHz。因此，毫米波通信的可用帶寬要優于微波通信。在頻率復用技術的支持下，毫米波通信的容量將進一步擴大。因此，毫米波通信十分適合高速寬帶視頻信息傳輸等綜合業務。

（2）安全性強。毫米波的特點決定毫米波通信是一種安全的通信方式。毫米波在大氣中衰減大，使點對點通信距離短。但好處就是，增加了竊聽和干擾的難度，增強了安全性。

（3）傳輸質量高。毫米波通信頻段高，幾乎沒有什么干擾源，電磁頻譜十分純凈。因此，毫米波通信的信道可靠性極高，使誤碼率持續保持在10-12～10-10范圍內，傳輸質量基本達到了光纜的水平。

（4）保證全天候通信。與大氣激光通信、紅外線通信相比，毫米波通信在傳輸容量、質量和安全性方面沒有表現出明顯的差距。此外，毫米波的穿透力更加強大，能夠保證降雨、沙塵和煙霧等不利條件下的持續可靠通信，賦予毫米波通信優異的全天候通信能力。

九、D2D通信

D2D通信通常是指兩個地理位置相對較近的終端，在沒有接入點或基站的情況下，借助蜂窩網絡資源，建立直接鏈路，進行數據傳輸的技術［4］。實質上，D2D通信是一種設備間通信，主要用來提高用戶使用質量和用戶體驗。

發展到今天，D2D通信已經從最初的通過基站協調來建立通信，發展為不必經過基站就可以建立通信。目前有關機構正在研究以D2D設備作為中繼，使不在基站覆蓋范圍內的設備也能夠接入蜂窩網絡。每條D2D通信鏈路所占用的資源都等同于一條蜂窩通信鏈路所占用的資源。將D2D通信應用在移動通信中后，資源利用率和網絡容量將得到提高。D2D通信在蜂窩網絡中的應用模型如圖1-9所示，BS代表小區中心基站，UEi代表小區內用戶。其中，用戶UE1與基站通信，而另外兩個相鄰的用戶UE2和UE3在基站的協調下，建立了通信，這就是一條D2D通信鏈路。

在實際應用中，基站無法掌握小區內用戶之間通信鏈路的信道信息，因此沒有根據用戶之間的信道信息直接進行資源調度的可能性。在沒有資源調度的條件下，D2D通信用戶可能被分配到的信道資源是不確定的，極可能被分配到與正在通信的蜂窩用戶相互正交的信道，也有可能被分配到與正在通信的蜂窩用戶相同的信道。這兩種信道資源并非完全相同，區別在于后者會對蜂窩鏈路中的接收端造成干擾，而前者則不會。因此，在通信負載較小的網絡中，D2D通信能被分配到多余的正交資源，所提供的網絡總體性能也更好。通信業務對頻率帶寬提出的要求越來越高，給本就有限的蜂窩網絡資源帶來越來越大的壓力。D2D通信在蜂窩網絡中的應用，能夠實現非正交資源共享，提高網絡的資源利用率，從而解決蜂窩網絡資源緊張的問題。

D2D通信可以按照不同的方式進行分類。按照蜂窩網絡覆蓋范圍大小劃分：無蜂窩網絡覆蓋、部分蜂窩網絡覆蓋、完全蜂窩網絡覆蓋。按照接收端和發送端位置關系劃分：發送端和接收端均處于室內；發送端和接收端均處于室外；發送端處于室內（外），接收端處于室外（內）。

3GPP提出了一種中繼模式的D2D通信。這種中繼模式的目的是，改善小區邊緣用戶的通信質量，擴大網絡的覆蓋范圍。具體方法是，中繼模式的D2D通信借助單跳或者多跳的方式，連接無網絡覆蓋或者處在小區邊緣的用戶與信號質量好的用戶，這樣小區外用戶就被納入了網絡，邊緣用戶的信號也得到了加強。