5G網絡技術現狀及發展趨勢

廖駿杰

（武漢職業技術學院 電子信息工程學院 湖北 武漢 430074）

1 引言

“移動時代”改變著人們的日常生活，也在催生著新型的產業。雖然4G才剛剛普及，但各大巨頭都已迫不及待地搶占5G先機。有人用5G網速就像龍卷風這來形容5G傳輸速率之快。2016年11月在德國美因茲（Mainz）舉行了歐洲郵電管理委員會（CEPT）有關5G的專題討論會（CEPT 5G workshop）。會議由歐洲電子通信委員會（ECC）組織，從5G在全球及歐洲的發展現狀入手，采用A到G等7個板塊（Session），探討了頻譜、技術、標準、現有活動、未來需求、垂直應用、其他挑戰以及全球測試進展等相關內容，并在此基礎上形成了CEPT 5G路標。5G網絡通過提高移動數據傳輸效率，使手機等移動終端的下載速度達到每秒1G到10G，5G還能實現在每平方公里范圍內建立100萬個設備連接的功能，從而把人類帶入一個智能“物聯網”時代。

2 5G技術發展現狀

第五代（5G）通訊技術研發在全球電信營運商及通訊大廠中已成為重要工作項目，可以預期的下世代通訊技術仍會以目前的通訊系統架構為基礎繼續發展與演進。中國信產部計劃在2020年為國內提供商用5G服務，早在2016年1月7號就啟動了5G技術研發測試工作，測試工作由IMT-2020（5G）促進組進行組織，目標在于促進5G技術和標準的研發工作，亦即：支持5G國際標準；促進5G關鍵技術的開發；驗證和改善5G技術相關方案；支持全球統一5G標準的形成。因此，為符合未來無線通信的應用需求，繼續發展與提升現存的LTE系統，建構新的長期演進技術稱LTE-A Pro，從而滿足未來5G新的服務模式3GPP預計在接下來的十四、十五與十六標準版本中依序完成各階段5G標準制定工作，并于2017年第四季向ITU-R遞交提案。3GPP技術報告文件草案TR 22.891參考ITU的下世代通訊系統（IMT-2020）的需求，包含加強型行動寬帶（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）、大量型機械式通訊（massive Machine Type Communications，mMTC），以及高可靠低延遲式通訊（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，UR/LL）。具體運作由中國信息通信研究院牽頭組織，運營企業、設備企業及科研機構共同參與針對5G潛在無線關鍵技術開展技術驗證，推動5G關鍵技術的研發，驗證5G關鍵技術性能，促進5G技術標準化方向盡快形成共識。關于國內5G試驗的總體規劃為五步：技術研發試驗（2015—2018）、單點關鍵技術樣機性能測試（2015年9月—2016年9月）、單基站性能測試技術方案驗證（2016年6月—2017年9月）、5G系統的組網技術性能測試的系統驗證（2017年6月—2018年10月）、5G典型業務演示及產品研發試驗（2018—2020）。這些都由國內運營企業牽頭組織，設備企業及科研機構共同參與。其中，部分廠家只參與了一項關鍵技術，而有的廠家則參與了多項關鍵技術的測試和驗證工作。如英特爾測試了大規模天線陣列。華為重點完成了空口技術測試和網絡架構測試。而中興通訊通過了包括高頻、新波形、MassiveMIMO等在內的多項空口關鍵技術的測試。三星完成了新型多載波、高頻段和空間調制技術測試等等。

3 5G網絡架構

針對未來的5G網絡架構，在韓國釜山舉行的3GPP TSG-RAN全會上，RP-161266描述了12種5G網絡架構，并確定了RAN2/3所要討論的選項。這些架構選項是從核心網和無線角度相結合進行考慮的，從而全面考慮了不同運營商不同建設階段的選擇，為核心網和無線系統網絡規范討論工作起到了指導作用。選8種5G網絡架構整體架構描述如下：

（1）傳統LTE架構，LTE連接到EPC。

（2）5G獨立網絡（Standalone，簡稱SA）。采用獨立的新型無線系統（NR），并連接到新一代核心網上（NGCN）。它是獨立5G架構，是5G系統的最終形態。

（3）非獨立（Non-Standalone，簡稱NSA），LTE輔助（即控制信令走LTE），僅連接到EPC。由LTE系統經S1-MME接口連接到EPC。5G無線系統的用戶面直接與EPC連接，可以由EPC進行業務分流。它是5G系統早期熱點部署時的形態。借助LTE與5G無線系統之間的雙連接提供較高速率。目前各廠家演示的LTE-5G雙連接應該與此架構相類似。

（4）非獨立（NSA），5G新無線系統輔助，僅連接到5G核心網（NGCN），需要新建5G核心網，并利用5G與LTE雙連接來更好地為5G用戶提供性能和服務。

（5）Standalone方式。升級LTE系統到R-15版本，采用新型5G核心網。此架構更多地在RAN3（網絡研究研究）的工作范圍內，LTE系統直接采用R15的協議棧就可以了，無需RAN2再對RLC/MAC/RRC等協議進行更多研究。

（6）獨立5G無線網絡，僅連接到EPC。采用傳統EPC支持5G無線系統，基本不予考慮。

（7）非獨立（NSA），LTE輔助，僅連接到5G核心網（NGCN）。5G系統控制面經由LTE連接。這種場景也可能會在網絡初始部署時應用，以便提供新業務等。

（8）非獨立（NSA），5G無線系統輔助，僅連接到EPC。LTE和5G無線共存，且只采用EPC，也不予考慮。

LTE和5G雙連接是未來5G部署中的重要選擇。目前Ericsson和華為演示的LTE-5G雙連接方案中，沒有詳細的系統架構描述，因此無從知道LTE于5G的配置關系。5G的容量是4G的1000倍，要提升容量無非三種辦法：提升頻譜帶寬、提高頻譜效率和增加小區數量。增加小區數量意味著建更多基站，這筆花費不小。至于頻譜帶寬，考慮國外很多運營商的頻譜資源都是通過拍賣獲得的。運營商更喜歡通過提升頻譜效率的方式來提升容量。考慮什么校驗糾錯、編碼方式等辦法都接近了香農極限，最有效的辦法就是多天線技術了。所以，高階MIMO和Massive MIMO這種復雜的天線系統必然成為5G的首選。高階MIMO的意思是指基站與手機之間有很多對的信道并行通信，每一對天線都獨立傳送一路信息，經匯集后可成倍提高速率。多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上，現在的手機天線是幾厘米長，多天線陣列是難以設置的。而隨著天線長度的降低，特別是5G時代的毫米尺寸天線，就可以布設多天線陣列了，就給高階MIMO技術的實現帶來了可能。以今年3月份某機構的試驗結果為例，基站部署128支天線陣元，連接12個單天線終端，頻譜效率可達79.4bit/s/Hz，便于計算也就是約80Mbps/MHz。如果將這個大規模天線系統部署在我們現有的20MHz帶寬的LTE基站上，80Mbps/MHz*20MHz就等于1.6Gbps，提升了12倍。5G也可以讓高頻段擴大覆蓋范圍，這就是C-RAN結構+Massive MIMO。

在這樣的網絡構架下，控制面和用戶面分離。工作于低頻段且覆蓋范圍大的宏小區主要負責控制面，傳送控制信令；而工作于高頻段的Small Cells只負責用戶面，傳送用戶數據流量。這樣的構架不但解決了高容量和全覆蓋的問題，同時，減少了切換，減少了網絡信令。

4 5G網絡展趨勢

5G技術不僅僅讓網速變得更快，還為智能設備的連接提供了無限可能。從智能手機，到智能穿戴設備，到無人機，再到智能汽車，所有設備都能夠通過低時延、高帶寬的5G網絡緊密連接在一起。5G面臨的技術挑戰主要是：高速率、端到端時延、高可靠性、大規模連接、用戶體驗和效率。在短短20年內，核心網正在從集中式向分離式的方向發展，為了應對5G技術挑戰，5G網絡設計原則將出現，從集中化向分布式發展，從專用系統向虛擬系統發展，從閉源向開源發展。5G面向萬物聯接，面對不同的應用場景。不同的應用場景對網絡的移動性、安全性、時延、可靠性等，甚至是計費方式的需求是不同的。因此，5G網絡要能為不同的場景提供虛擬子網絡。5G的興起是一個引爆點，它將有潛力在全球廣泛行業和用例中創造出12.3萬億美元銷售活動，其將支持全球價值鏈生態系統創造3.5萬億美元產出和2200萬個工作崗位，并對全球GDP增長產生長期、可持續的影響。