5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)分析

肖華輝，熊 星，廖溢宏

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410126）

0 引 言

5G屬于第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是一種全新的智能型網(wǎng)絡(luò)，與當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G能夠更好地滿足多種業(yè)務(wù)需求，全面提高用戶的體驗(yàn)。

1 5G概述

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正從4G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代向5G萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代邁進(jìn)，海量的設(shè)備交互、優(yōu)秀的感知體驗(yàn)、流暢的操控體驗(yàn)以及豐富的個(gè)性化服務(wù)是5G發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。5G既可滿足下行10 Gb/s的峰值速率，又可滿足500 km/h高速移動(dòng)，且具有低于1 ms的RAN時(shí)延特性。

3GPP于2018年下半年形成第一版5G標(biāo)準(zhǔn)，2019年底完成符合ITU要求的5G標(biāo)準(zhǔn)完整版本。當(dāng)前，我國(guó)正在開展5G系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)功能和性能測(cè)試以及5G典型業(yè)務(wù)演示，力爭(zhēng)在2020年實(shí)現(xiàn)5G商用。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G采用云感知軟網(wǎng)絡(luò)（Cloud Aware Soft-network）的分層結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)資源的靈活部署、統(tǒng)一接入、統(tǒng)一平臺(tái)、統(tǒng)一管理以及業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)接入和編排[1]。

虛擬化、組件化與可編排是5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最突出的特點(diǎn)，由不同的網(wǎng)絡(luò)切片負(fù)責(zé)處理各種不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，同時(shí)支持各種差異化場(chǎng)景、支持面向客戶的業(yè)務(wù)模式以及支持業(yè)務(wù)快速建立和修改，實(shí)現(xiàn)從專用的電信網(wǎng)絡(luò)到通用的電信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的轉(zhuǎn)變。

5G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式主要有獨(dú)立組網(wǎng)（SA）和非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）兩種[2]：

（1）獨(dú)立組網(wǎng)（SA）。無(wú)線網(wǎng)部分直接使用5G設(shè)備負(fù)責(zé)控制和承載，核心網(wǎng)部分選用5G下一代核心網(wǎng)（NGC）。SA方式的優(yōu)點(diǎn)是4G和5G業(yè)務(wù)同時(shí)運(yùn)行，避免了與LTE網(wǎng)絡(luò)整合過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的互操作復(fù)雜等問(wèn)題，且支持5G的全部功能和應(yīng)用。缺點(diǎn)則是獨(dú)立組網(wǎng)建設(shè)在初期成本相對(duì)較高。

（2）非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）。無(wú)線網(wǎng)部分采用雙連接，由主基站控制（信令面錨點(diǎn)），核心網(wǎng)采用4G EPC或者NGC。在雙連接模式下，LTE基站或NR基站只有一個(gè)基站作為主基站（MN），另一個(gè)基站為輔基站（SN）。其中，核心網(wǎng)與無(wú)線側(cè)主基站之間存在唯一的控制面連接，且核心網(wǎng)可以與輔基站建立用戶面連接；主基站與核心網(wǎng)之間存在控制面連接，具備完整的協(xié)議棧功能；輔基站只具備用戶面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、處理等功能，用戶面相關(guān)的控制信令需經(jīng)過(guò)主基站與核心網(wǎng)進(jìn)行通信。NSA方式的優(yōu)點(diǎn)是在已有4G基礎(chǔ)設(shè)施上發(fā)展5G網(wǎng)絡(luò)，有利于初期部署，資本支出負(fù)擔(dān)較小，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)較為靈活，可支持初期快速推出5G商用服務(wù)。缺點(diǎn)則體現(xiàn)在非獨(dú)立組網(wǎng)更適合局部熱點(diǎn)區(qū)域部署，而不是大規(guī)模的全國(guó)性部署，且與現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)的互操作較為復(fù)雜，不能利用5G的全部功能[3]。

3 5G關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高頻段傳輸

當(dāng)前，中國(guó)用于移動(dòng)通信的頻譜規(guī)劃總量達(dá)687 MHz。其中，中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信與中國(guó)聯(lián)通的8張網(wǎng)絡(luò)共計(jì)使用522 MHz。IMT-2020（5G）推進(jìn)組預(yù)測(cè)2020年我國(guó)移動(dòng)通信頻譜需求總量為1 350～1 810 MHz，因此還需要新增663～1 123 MHz頻譜。

我國(guó)5G頻譜規(guī)劃分低頻段和高頻段兩段，其中低頻段為3.3～3.6 GHz、4.8～5 GHz，主要用于無(wú)縫廣覆蓋，作為基礎(chǔ)容量層，提供基本的用戶體驗(yàn)速率；高頻段候選頻段為24.75～27.5 GHz、37～42.5 GHz，主要用于滿足室內(nèi)和室外熱點(diǎn)區(qū)域的速率和容量需求。3.3～3.4 GHz頻段主要用于室內(nèi)覆蓋，24.75～42.5 GHz頻段主要用于室外微蜂窩，3.4～3.6 GHz和4.8～5 GHz頻段則主要用于室外宏站。

5G高頻段傳輸?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)是有足量的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備以及較高的天線增益，缺點(diǎn)則是高頻段傳輸距離短、繞射能力差與容易受氣候環(huán)境影響，主要難點(diǎn)是射頻器件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難。

3.2 新型多天線傳輸技術(shù)Massive MIMO

相較于傳統(tǒng)MIMO技術(shù)，Massive MIMO的可控天線數(shù)量更多，加快了峰值速率，且頻譜效率大大增強(qiáng)。Massive MIMO有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）基站天線數(shù)遠(yuǎn)大于用戶天線數(shù)時(shí)，各用戶的信道趨于正交；（2）小區(qū)內(nèi)同頻干擾及加性噪聲趨于消失，系統(tǒng)性能僅受限于鄰區(qū)導(dǎo)頻復(fù)用；（3）能多維度（空域、時(shí)域、頻域以及極化域等）提升頻譜利用效率和能量利用效率；（4）通過(guò)應(yīng)用空間復(fù)用技術(shù)和擬制干擾技術(shù)，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量[4]。

相較于傳統(tǒng)基站天線或傳統(tǒng)一體化有源天線，Massive MIMO天線的陣列數(shù)量龐大，單元具備獨(dú)立收發(fā)能力，相當(dāng)于更多天線單元（128陣列、256陣列等）實(shí)現(xiàn)同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。天線單元的尺寸與波長(zhǎng)成正比，與頻率成反比。天線單元數(shù)目的增加導(dǎo)致天線陣列面積的增大，給基站的天線陣列的安裝帶來(lái)困難，尤其是低頻的宏站Masssive MIMO天線。因此，基站塔桅建設(shè)應(yīng)考慮后期大天線的安裝調(diào)整需求。單扇區(qū)收發(fā)通道數(shù)的增加促使天線與RRU一體化成為趨勢(shì)，空口傳輸速率的大幅提升則導(dǎo)致單扇區(qū)功耗的增加，因此基站電源配套應(yīng)考慮5G基站電源需求。

Massive MIMO主要用于宏覆蓋、高層建筑、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)外熱點(diǎn)以及無(wú)線回傳鏈路。

3.3 超密集組網(wǎng)

超密集網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是站間距離短，從幾米（室內(nèi)）到幾十米（室外）不等。高頻段（毫米波波段）的開發(fā)利用和波速成型技術(shù)可為超密集網(wǎng)絡(luò)部署提供技術(shù)支撐。通過(guò)增加低功率基站的部署密度，可滿足高系統(tǒng)容量和可靠用戶速率需求。

超密集網(wǎng)絡(luò)大都是宏基站加大量的微基站、超微基站等形式，利用墻面、電線桿等站址的小基站形態(tài)越來(lái)越多。今后，運(yùn)營(yíng)商或其他類型的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商所需的站址資源更多為室內(nèi)、墻邊以及現(xiàn)有建筑物附屬設(shè)施，站址獲取將成為極大的挑戰(zhàn)。

超密集組網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景主要有密集街區(qū)、密集住宅、辦公室、校園、公寓、大型集會(huì)、體育場(chǎng)、購(gòu)物中心以及地鐵等。

3.4 靈活雙工技術(shù)

5G各超短子幀能分配給上行、下行或回程，快速實(shí)現(xiàn)帶寬適配。下行和上行具有相同的物理結(jié)構(gòu)（控制、數(shù)據(jù)與參考信號(hào)），可實(shí)現(xiàn)靈活上行與下行。遠(yuǎn)小于1 ms的超短子幀串聯(lián)起上行或下行的控制信號(hào)，用戶面時(shí)延小于1 ms?？刂泼鎰t可基于時(shí)間和頻率分配，可跨鏈路實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾控制信道。控制信道與DMRS位于數(shù)據(jù)前，管道處理能耗低。

3.5 D2D（設(shè)備間）技術(shù)

終端在系統(tǒng)控制下通過(guò)復(fù)用小區(qū)資源直接進(jìn)行通信，增加蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，緩解頻譜資源匱乏問(wèn)題。D2D（設(shè)備間）是5G系統(tǒng)中重要的推動(dòng)者，可允許網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立本地直接連接以交換數(shù)據(jù)，無(wú)需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

3.6 綠色通信技術(shù)

綠色通信技術(shù)是5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中較為突出的一項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)在5G網(wǎng)絡(luò)中引入智能化技術(shù)，能夠在充分滿足用戶體驗(yàn)的前提下，解決網(wǎng)絡(luò)部署中的能源節(jié)約問(wèn)題。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前我國(guó)移動(dòng)通信消耗的能源占到總能源的10%。在移動(dòng)通信中，基站所占到的能耗最大，幾乎占到總能量消耗的50%。因此，為實(shí)現(xiàn)真正的綠色通信，需要突破單個(gè)基站的能耗問(wèn)題，以網(wǎng)絡(luò)調(diào)度為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)覆蓋范圍內(nèi)的資源實(shí)施動(dòng)態(tài)控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的控制。當(dāng)前，我國(guó)在綠色通信技術(shù)方面取得一定成效，例如MIMO-DFDMA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。鑒于綠色通信技術(shù)仍處于初步階段，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在較多的問(wèn)題，為實(shí)施綠色通信，必須具備高效的信息傳輸機(jī)制，同時(shí)對(duì)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與各組成部件展開深入研究[5]。

4 5G基礎(chǔ)配套設(shè)施發(fā)展建議

發(fā)展5G需要建立大量的微基站，微基站站址獲取屬于關(guān)鍵工作之一。相關(guān)部門需要積極統(tǒng)籌各電信企業(yè)的微站需求，針對(duì)微站建設(shè)的重點(diǎn)場(chǎng)景提前進(jìn)行預(yù)判，將微站納入規(guī)劃庫(kù)統(tǒng)一管理。在信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃過(guò)程中，應(yīng)充分考慮微站需求，定期與規(guī)劃審批、市政園林、綠化、水利以及城管部門對(duì)接，提升站址獲取能力，確保微站站址的合法性，進(jìn)而充分利用站址資源，采用戰(zhàn)略合作等方式加快與政府部門和各企業(yè)資源（如路燈桿、電力鐵塔等）的整合。

塔桅建設(shè)建議采取無(wú)外罩塔型、小型化鐵塔以及“多桿合一”等方式。其中，城區(qū)景觀塔應(yīng)適度考慮后期大天線安裝調(diào)整覆蓋需求，建議采用雙輪、飄帶等無(wú)外罩的造型；小型化鐵塔將塔身簡(jiǎn)化，滿足微站低成本與快速部署要求；“多桿合一”的塔型創(chuàng)新，做到將戶外廣告、環(huán)境監(jiān)測(cè)、路燈照明以及城市監(jiān)控等多種功能模塊集于一身，同時(shí)，將不同模塊設(shè)計(jì)成可拆卸部件，通過(guò)靈活組合實(shí)現(xiàn)一塔多用。

機(jī)房除采用傳統(tǒng)機(jī)房外，還可以通過(guò)定制噴圖或外掛電子屏幕，布置更合理且易維護(hù)的新型機(jī)房。

基站電源系統(tǒng)通過(guò)對(duì)交流配電、開關(guān)電源、蓄電池、動(dòng)環(huán)監(jiān)控、空調(diào)、防雷接地以及箱體外殼等的總體整合，形成更加合理的小型化、集成化電源系統(tǒng)，可更好地適應(yīng)微站快速部署的需要。同時(shí)，可采取“分布式電源+鋰電池”方式，匯聚柜DC遠(yuǎn)供，匯聚集中支撐N個(gè)拉遠(yuǎn)站，簡(jiǎn)化站點(diǎn)供電與光纖獲取。

5 結(jié) 論

隨著信息通信技術(shù)不斷向各行業(yè)融合滲透，經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的趨勢(shì)愈發(fā)明顯。信息網(wǎng)絡(luò)已成為與能源網(wǎng)、公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)相并列的不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，信息通信技術(shù)在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。未來(lái)，5G與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能以及虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的深度融合，將連接人和萬(wàn)物，成為各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)。5G的廣泛應(yīng)用也可為大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新提供堅(jiān)實(shí)支撐，助力制造強(qiáng)國(guó)與網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)建設(shè)，推進(jìn)新一代移動(dòng)通信成為引領(lǐng)國(guó)家數(shù)字化轉(zhuǎn)型的通用技術(shù)。