5G無線網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵技術(shù)探析

陳小群

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

5G作為新一代移動通信技術(shù)，在大帶寬和低時延等業(yè)務(wù)場景具有顯著優(yōu)勢。相比光纖和以太網(wǎng)等固網(wǎng)產(chǎn)品，采用5G可以減少工程布線，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速上線，并且相比WiFi具有更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋及抗干擾能力，本文主要圍繞5G無線網(wǎng)絡(luò)展開詳細分析。

1 5G無線網(wǎng)絡(luò)概述

5G即第五代移動通信系統(tǒng)，是繼1G（模擬信號通信）、2G（語音數(shù)字化通信）、3G（多媒體通信）、4G（無線寬帶通信）后出現(xiàn)的新一代高頻傳輸移動通信技術(shù)，具有毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力。根據(jù)中國IMT-2020（5G）推進組的定義，5G由“標志性能力指標”和“一組關(guān)鍵技術(shù)”共同來定義，其本質(zhì)不僅是高速網(wǎng)絡(luò)連接，更是為前沿數(shù)字科技大規(guī)模商用創(chuàng)造絕佳場景，催生更多互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

5G無線網(wǎng)絡(luò)是一種基于第五代移動通信技術(shù)而產(chǎn)生的新型無線網(wǎng)絡(luò)，對于目前的移動通信來說并無準確的含義，一般將其認為是4G無線網(wǎng)絡(luò)的延伸。5G無線網(wǎng)絡(luò)采用了異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)和毫米波技術(shù)，系統(tǒng)吞吐率提高了25倍，系統(tǒng)頻率資源擴展了4倍，關(guān)鍵性能如下：一是系統(tǒng)連接數(shù)密度為1 000 000/km；二是用戶體驗速率為0.1～1 Gb/s；三是移動性支持500 km/h的高速移動；四是端到端時延毫秒級。

2 5G無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

5G無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的突破是實現(xiàn)其愿景的重點，通信領(lǐng)域的學(xué)者就此展開了一系列研究，如軟件定義網(wǎng)絡(luò)、毫米波頻譜、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、大規(guī)模多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)、設(shè)備到設(shè)備通信、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算等，還有學(xué)者分析了5G網(wǎng)絡(luò)面臨的典型挑戰(zhàn)和要求。5G無線網(wǎng)絡(luò)不僅有效融合了各種通信資源，同時還采用了多元化的異構(gòu)模式進行系統(tǒng)構(gòu)建，使其擁有了多項關(guān)鍵技術(shù)，能有效解決無線通信網(wǎng)絡(luò)中急劇增加的流量問題，并能有效增強無線通信網(wǎng)絡(luò)抵抗各種信號干擾的能力。下文總結(jié)了幾項面向5G無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

盡管小小區(qū)和D2D兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠為5G無線網(wǎng)絡(luò)提供巨大的網(wǎng)絡(luò)性能增益，但是也可能對宏蜂窩用戶、其他的小小區(qū)用戶以及D2D用戶網(wǎng)絡(luò)通信造成的一定的干擾，從而對系統(tǒng)整體的通信性能產(chǎn)生不良影響。為解決這一問題，技術(shù)人員探究出一種能全面提高無線通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，增加系統(tǒng)通信頻譜效率的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即大規(guī)模MIMO技術(shù)。這是一種多輸入多輸出的通信技術(shù)，不僅能為無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來發(fā)射功率和帶寬復(fù)用的分集增益，同時還能為系統(tǒng)帶來更加靈活的技術(shù)實現(xiàn)空間，從而有效改善無線蜂窩通信系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)的覆蓋性能顯著增強，頻譜利用率顯著提高，進而促進無線通信技術(shù)的良好發(fā)展。在具體應(yīng)用過程中，大規(guī)模MIMO技術(shù)是指在現(xiàn)有5G無線網(wǎng)絡(luò)中配置多個基站端和若干數(shù)量的天線、大規(guī)模的天線矩陣等（一般配置一百多根天線或幾百根天線），這些天線可以大規(guī)模天線矩陣方式集中放置，也可分散放置在小區(qū)中，同時服務(wù)于多個用戶，可顯著提高系統(tǒng)信道總?cè)萘?，消除用戶間的通信干擾，從而提高用戶對系統(tǒng)通信服務(wù)的需求和滿意度。大規(guī)模MIMO技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式如圖1所示。

圖1 大規(guī)模MIMO技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式

2.2 空口技術(shù)

相較于4G無線網(wǎng)絡(luò)，5G無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)使用靈活性均較高的原因在于其應(yīng)用了空口技術(shù)，給用戶提供了方便快捷的通信傳輸服務(wù)，而且還能與傳感器進行有機結(jié)合，構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)信號較強的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，從而有效擴大無線網(wǎng)絡(luò)通信的覆蓋面。

在實際應(yīng)用過程中，5G空口技術(shù)又可細分為高頻新空口和低頻新空口。其中，高頻新空口通過超大帶寬信道和高密度部署能有效提高無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率與數(shù)據(jù)流量密度，主要被應(yīng)用于信號指向性強、覆蓋面積小、容量高以及熱點高的通信場景中；低頻新空口則整合了大規(guī)模多天線陣列、調(diào)制編碼、新型多址技術(shù)，可適用于覆蓋面積廣泛、高連續(xù)性、低時延以及熱點高容量額度的通信場景中，有效保障無線通信的可靠性。

2.3 異構(gòu)無線通信技術(shù)

第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)（1G）至第三代移動通信系統(tǒng)（3G）均采用的是單層蜂窩網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)形式難以實現(xiàn)多樣化通信要求與通信系統(tǒng)負荷轉(zhuǎn)移。隨著我國通信技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，第四代移動通信系統(tǒng)（4G）改變了傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模式，采用了異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，不僅有效擴大了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)容量，同時也促進系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力的顯著提升。但是4G仍無法滿足人們?nèi)找嬖龈叩耐ㄐ乓螅鎸@種情況，在5G無線網(wǎng)絡(luò)中，技術(shù)人員通過結(jié)合異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)與多元化的通信技術(shù)手段（如小區(qū)部署技術(shù)、D2D通信技術(shù)），構(gòu)建了一個具有多元化信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，同時還促進系統(tǒng)實現(xiàn)了多網(wǎng)融合、多網(wǎng)共通，從而顯著擴大了無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍[1]。

2.4 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片是基于邏輯的概念對資源進行重組，通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術(shù)將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的硬件和軟件分離，硬件服務(wù)器統(tǒng)一部署，軟件由不同的網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function，NF）承擔(dān)。根據(jù)承載業(yè)務(wù)的特性和需求，對端到端的網(wǎng)絡(luò)資源進行邏輯劃分和封裝，按照用戶方網(wǎng)絡(luò)時延、帶寬、可靠性等需求靈活提供一種或多種的5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵服務(wù)。

通過5G網(wǎng)絡(luò)切片靈活分配網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)能力按需組合，基于5G網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網(wǎng)。端到端的網(wǎng)絡(luò)切片由核心網(wǎng)、無線網(wǎng)以及傳輸網(wǎng)子切片組成，并通過端到端切片編排管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。無線網(wǎng)子切片是端到端網(wǎng)絡(luò)切片中的關(guān)鍵組成部分，通過對多個無線空口功能模塊進行靈活的控制及編排，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的服務(wù)等級協(xié)議（Service-Level Agreement，SLA）需求，集中單元（Centralized Unit，CU）、分布單元（Distributed Unit，DU）可以靈活配置及部署，滿足不通場景下切片組網(wǎng)的差異化需求[2]。

（1）基于空口統(tǒng)一框架的無線網(wǎng)切片。無線網(wǎng)基于統(tǒng)一的空口框架，以空口功能模塊定制化的方式“按需分配”無線信號，通過靈活組合物理層不同功能模塊來滿足多樣化的網(wǎng)絡(luò)需求。物理層功能模塊包括幀結(jié)構(gòu)、調(diào)制編碼、新波形、新型多址、多天線等。

（2）基于CU、DU的靈活切分和部署。隨著業(yè)務(wù)場景的多樣化，網(wǎng)絡(luò)切片在滿足安全隔離的前提下，同時具備靈活開放部署、按需彈性分配無線資源、控制面與用戶面相分離等特性。無線網(wǎng)切片的核心演進思路是將有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）、CU、DU分離，按需進行靈活切分和部署。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景，如智慧城市、智能家居、智慧水務(wù)、智能電網(wǎng)等大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（massive Machine Type of Communication，mMTC）場景對帶寬和時延都無特殊要求，CU可以采用云化集中部署，獲取集中化處理的優(yōu)勢，DU分布式部署、AAU邊緣部署，達到經(jīng)濟成本最大化；4K/8K融媒體、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）全息影像、視頻娛樂服務(wù)等增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）場景對帶寬要求高，對時延要求差異大，根據(jù)帶寬需求CU可靈活地集中部署或者與DU結(jié)合分布式部署；遠程醫(yī)療、自動駕駛等超高可靠與低時延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）場景對時延要求極其苛刻，AAU、CU、DU合一部署在接入側(cè)，降低傳輸時延的損耗，多接入邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）是目前比較主流的成熟解決方案[3]。

2.5 邊緣計算技術(shù)

2014年9月，歐洲電信標準化組織（European Telecommunication Standard Institute，ETSI）首次提出了MEC系統(tǒng)，旨在移動通信無線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）側(cè)部署計算能力，以降低業(yè)務(wù)時延、提升用戶的業(yè)務(wù)體驗，同時優(yōu)化業(yè)務(wù)路由、提升網(wǎng)絡(luò)效率。

2018年 6月，ETSI發(fā)布了《MEC in 5G networks》白皮書，提出了在5G系統(tǒng)中部署和集成MEC的方法，并將MEC更名為Multi-access Edge Computing。ETSI此后發(fā)布的MEC相關(guān)標準均將MEC解釋為Multi-access Edge Computing，從而將無線局域網(wǎng)接入網(wǎng)和固定接入網(wǎng)也納入進了邊緣計算（Edge Computing，EC）的范疇。從實際組網(wǎng)的角度來看，MEC的部署包括5G網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)平臺兩部分內(nèi)容，二者相互獨立又密切相關(guān)。相互獨立體現(xiàn)在業(yè)務(wù)平臺包含了MEP和MEC App及其管理系統(tǒng)，負責(zé)向用戶終端（User Element，UE）提供具體的應(yīng)用服務(wù)，其部署方式取決于業(yè)務(wù)特性、服務(wù)范圍、規(guī)模、管理方式等因素，不同的業(yè)務(wù)平臺差異較大。5G網(wǎng)絡(luò)由一系列的網(wǎng)元組成，為5G用戶終端UE提供訪問業(yè)務(wù)平臺的通道，與業(yè)務(wù)平臺關(guān)系較大的是用戶面功能（User Plane Function，UPF）和控制UPF的會話管理功能（Session Management Function，SMF）。密切相關(guān)體現(xiàn)在5G網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)業(yè)務(wù)平臺的部署位置、服務(wù)范圍等因素選擇UPF連接業(yè)務(wù)平臺，并且在滿足業(yè)務(wù)疏通要求的同時提供較優(yōu)的路由[4]。

3 5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法分析

3.1 5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋類型

5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要分為廣域覆蓋、深度覆蓋以及熱點覆蓋。其中，廣域覆蓋是在保證容量的前提下，要求單站覆蓋距離越大越好，以減少基站建設(shè)數(shù)；深度覆蓋是針對室外、室內(nèi)的弱覆蓋或盲覆蓋區(qū)域進行定制化補盲覆蓋；熱點覆蓋主要針對用戶密集或容量需求極高的場景，提升系統(tǒng)容量吸收能力。三者概念不同，需求不同，不能混淆，應(yīng)區(qū)別對待。5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋類型及典型場景如圖2所示。

圖2 5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋類型及典型場景

3.2 5G無線網(wǎng)分場景規(guī)劃方案

基于5G無線網(wǎng)不同場景的覆蓋需求，結(jié)合運營商無線網(wǎng)絡(luò)部署所面臨的雙重挑戰(zhàn)，5G無線網(wǎng)的部署思路應(yīng)該為“基于場景，按需配置，兼顧全域覆蓋和經(jīng)濟建設(shè)”，具體可分為以下3種，如圖3所示。

圖3 5G分場景部署方案示意

方案1：全域按需配置，即熱點場景采用64/32TR，中等容量場景廣域覆蓋采用16/8TR，低容量場景廣域覆蓋采用8/4TR。方案2：在方案1基礎(chǔ)上，為降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難度，按照覆蓋區(qū)域的總體容量大致選擇覆蓋方案，密集市區(qū)采用64/32TR，一般城區(qū)廣域覆蓋采用16/8TR，鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村廣域覆蓋采用8/4TR。方案3：“1+1”多頻疊加配置，即以中低頻4TR進行全網(wǎng)廣域覆蓋，形成一張5G基礎(chǔ)覆蓋網(wǎng)，以中高頻段作為5G容量層，一、二線城市采用64/32TR，其他城區(qū)廣域覆蓋場景采用16/8TR。

3.3 能耗與成本分析

16、8、4TR是廣域覆蓋場景主流配置，64、32TR是熱點場景的增強配置，而且16TR是一般城區(qū)廣域覆蓋場景最佳配置。32TR實時3D波束掃描能力局限在±0.5°的范圍內(nèi)，不具有實用價值，當(dāng)聯(lián)合機電移相器進行移相時，功能上與16TR無本質(zhì)區(qū)別；16TR容量和水平面多波束能力足以滿足廣域覆蓋場景掃描要求，且相比32TR來說增益提升1.0 dB，副瓣電平抑制性能改善5 dB，同時能耗降低12%，設(shè)備成本降低27%，電下傾角調(diào)整范圍更大。綜上，16TR相比32TR具有明顯的性價比優(yōu)勢。當(dāng)然，如果采用中低頻4TR和中高頻8TR疊加組網(wǎng)，則其覆蓋效果優(yōu)于16TR和32TR，通過載波聚合等技術(shù)，其容量性能也可能達到甚至超過16TR和32TR[5]。

4 結(jié) 論

5G無線網(wǎng)絡(luò)是一種基于第五代移動通信技術(shù)而產(chǎn)生的新型無線網(wǎng)絡(luò)，相較于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，其具有信息傳輸效率高、拓展性能強、抗干擾性強等優(yōu)勢。5G無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢主要依托于大規(guī)模MIMO技術(shù)、空口技術(shù)、異構(gòu)無線通信技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用，顯著提升了鏈路傳遞數(shù)據(jù)信號能力，有效消除了用戶間的通信干擾，此外在5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中應(yīng)堅持基于場景按需配置，兼顧全域覆蓋和經(jīng)濟建設(shè)，實現(xiàn)5G無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)步推進。