5G無線網絡及關鍵技術探析

陳小群

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

5G作為新一代移動通信技術，在大帶寬和低時延等業務場景具有顯著優勢。相比光纖和以太網等固網產品，采用5G可以減少工程布線，實現業務的快速上線，并且相比WiFi具有更穩定的網絡覆蓋及抗干擾能力，本文主要圍繞5G無線網絡展開詳細分析。

1 5G無線網絡概述

5G即第五代移動通信系統，是繼1G（模擬信號通信）、2G（語音數字化通信）、3G（多媒體通信）、4G（無線寬帶通信）后出現的新一代高頻傳輸移動通信技術，具有毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力。根據中國IMT-2020（5G）推進組的定義，5G由“標志性能力指標”和“一組關鍵技術”共同來定義，其本質不僅是高速網絡連接，更是為前沿數字科技大規模商用創造絕佳場景，催生更多互聯網產業應用。

5G無線網絡是一種基于第五代移動通信技術而產生的新型無線網絡，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無線網絡的延伸。5G無線網絡采用了異構無線通信網絡和毫米波技術，系統吞吐率提高了25倍，系統頻率資源擴展了4倍，關鍵性能如下：一是系統連接數密度為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無線網絡關鍵技術

5G無線網絡關鍵技術的突破是實現其愿景的重點，通信領域的學者就此展開了一系列研究，如軟件定義網絡、毫米波頻譜、網絡虛擬化、大規模多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術、設備到設備通信、內容分發網絡、邊緣計算等，還有學者分析了5G網絡面臨的典型挑戰和要求。5G無線網絡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模式進行系統構建，使其擁有了多項關鍵技術，能有效解決無線通信網絡中急劇增加的流量問題，并能有效增強無線通信網絡抵抗各種信號干擾的能力。下文總結了幾項面向5G無線網絡的關鍵技術。

2.1 大規模MIMO技術

盡管小小區和D2D兩種異構網絡架構能夠為5G無線網絡提供巨大的網絡性能增益，但是也可能對宏蜂窩用戶、其他的小小區用戶以及D2D用戶網絡通信造成的一定的干擾，從而對系統整體的通信性能產生不良影響。為解決這一問題，技術人員探究出一種能全面提高無線通信網絡復雜度，增加系統通信頻譜效率的新型網絡架構，即大規模MIMO技術。這是一種多輸入多輸出的通信技術，不僅能為無線通信網絡系統帶來發射功率和帶寬復用的分集增益，同時還能為系統帶來更加靈活的技術實現空間，從而有效改善無線蜂窩通信系統的性能，使系統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的良好發展。在具體應用過程中，大規模MIMO技術是指在現有5G無線網絡中配置多個基站端和若干數量的天線、大規模的天線矩陣等（一般配置一百多根天線或幾百根天線），這些天線可以大規模天線矩陣方式集中放置，也可分散放置在小區中，同時服務于多個用戶，可顯著提高系統信道總容量，消除用戶間的通信干擾，從而提高用戶對系統通信服務的需求和滿意度。大規模MIMO技術通信網絡構建方式如圖1所示。

圖1 大規模MIMO技術通信網絡構建方式

2.2 空口技術

相較于4G無線網絡，5G無線網絡數據傳輸速度和數據使用靈活性均較高的原因在于其應用了空口技術，給用戶提供了方便快捷的通信傳輸服務，而且還能與傳感器進行有機結合，構建一個網絡信號較強的網絡通信系統，從而有效擴大無線網絡通信的覆蓋面。

在實際應用過程中，5G空口技術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絡的數據傳輸速率與數據流量密度，主要被應用于信號指向性強、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模多天線陣列、調制編碼、新型多址技術，可適用于覆蓋面積廣泛、高連續性、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 異構無線通信技術

第一代蜂窩移動通信系統（1G）至第三代移動通信系統（3G）均采用的是單層蜂窩網絡，這種網絡形式難以實現多樣化通信要求與通信系統負荷轉移。隨著我國通信技術的不斷更新和發展，第四代移動通信系統（4G）改變了傳統的通信網絡構建模式，采用了異構蜂窩網絡，不僅有效擴大了系統網絡容量，同時也促進系統數據傳輸能力的顯著提升。但是4G仍無法滿足人們日益增高的通信要求，面對這種情況，在5G無線網絡中，技術人員通過結合異構蜂窩網絡與多元化的通信技術手段（如小區部署技術、D2D通信技術），構建了一個具有多元化信息技術的網絡節點，同時還促進系統實現了多網融合、多網共通，從而顯著擴大了無線網絡的應用范圍[1]。

2.4 網絡切片技術

網絡切片是基于邏輯的概念對資源進行重組，通過網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術將傳統網絡中的硬件和軟件分離，硬件服務器統一部署，軟件由不同的網絡功能（Network Function，NF）承擔。根據承載業務的特性和需求，對端到端的網絡資源進行邏輯劃分和封裝，按照用戶方網絡時延、帶寬、可靠性等需求靈活提供一種或多種的5G網絡關鍵服務。

通過5G網絡切片靈活分配網絡資源，網絡能力按需組合，基于5G網絡虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網。端到端的網絡切片由核心網、無線網以及傳輸網子切片組成，并通過端到端切片編排管理系統進行統一管理。無線網子切片是端到端網絡切片中的關鍵組成部分，通過對多個無線空口功能模塊進行靈活的控制及編排，根據不同業務的服務等級協議（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的差異化需求[2]。

（1）基于空口統一框架的無線網切片。無線網基于統一的空口框架，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絡需求。物理層功能模塊包括幀結構、調制編碼、新波形、新型多址、多天線等。

（2）基于CU、DU的靈活切分和部署。隨著業務場景的多樣化，網絡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。根據不同的業務場景，如智慧城市、智能家居、智慧水務、智能電網等大規模物聯網（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勢，DU分布式部署、AAU邊緣部署，達到經濟成本最大化；4K/8K融媒體、增強現實/虛擬現實（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）全息影像、視頻娛樂服務等增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）場景對帶寬要求高，對時延要求差異大，根據帶寬需求CU可靈活地集中部署或者與DU結合分布式部署；遠程醫療、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，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

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，旨在移動通信無線接入網（Radio Access Network，RAN）側部署計算能力，以降低業務時延、提升用戶的業務體驗，同時優化業務路由、提升網絡效率。

2018年 6月，ETSI發布了《MEC in 5G networks》白皮書，提出了在5G系統中部署和集成MEC的方法，并將MEC更名為Multi-access Edge Computing。ETSI此后發布的MEC相關標準均將MEC解釋為Multi-access Edge Computing，從而將無線局域網接入網和固定接入網也納入進了邊緣計算（Edge Computing，EC）的范疇。從實際組網的角度來看，MEC的部署包括5G網絡和業務平臺兩部分內容，二者相互獨立又密切相關。相互獨立體現在業務平臺包含了MEP和MEC App及其管理系統，負責向用戶終端（User Element，UE）提供具體的應用服務，其部署方式取決于業務特性、服務范圍、規模、管理方式等因素，不同的業務平臺差異較大。5G網絡由一系列的網元組成，為5G用戶終端UE提供訪問業務平臺的通道，與業務平臺關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）。密切相關體現在5G網絡需要根據業務平臺的部署位置、服務范圍等因素選擇UPF連接業務平臺，并且在滿足業務疏通要求的同時提供較優的路由[4]。

3 5G無線網絡規劃方法分析

3.1 5G無線網絡覆蓋類型

5G無線網絡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，以減少基站建設數；深度覆蓋是針對室外、室內的弱覆蓋或盲覆蓋區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，提升系統容量吸收能力。三者概念不同，需求不同，不能混淆，應區別對待。5G無線網絡覆蓋類型及典型場景如圖2所示。

圖2 5G無線網絡覆蓋類型及典型場景

3.2 5G無線網分場景規劃方案

基于5G無線網不同場景的覆蓋需求，結合運營商無線網絡部署所面臨的雙重挑戰，5G無線網的部署思路應該為“基于場景，按需配置，兼顧全域覆蓋和經濟建設”，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基礎上，為降低網絡規劃難度，按照覆蓋區域的總體容量大致選擇覆蓋方案，密集市區采用64/32TR，一般城區廣域覆蓋采用16/8TR，鄉鎮農村廣域覆蓋采用8/4TR。方案3：“1+1”多頻疊加配置，即以中低頻4TR進行全網廣域覆蓋，形成一張5G基礎覆蓋網，以中高頻段作為5G容量層，一、二線城市采用64/32TR，其他城區廣域覆蓋場景采用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，不具有實用價值，當聯合機電移相器進行移相時，功能上與16TR無本質區別；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%，設備成本降低27%，電下傾角調整范圍更大。綜上，16TR相比32TR具有明顯的性價比優勢。當然，如果采用中低頻4TR和中高頻8TR疊加組網，則其覆蓋效果優于16TR和32TR，通過載波聚合等技術，其容量性能也可能達到甚至超過16TR和32TR[5]。

4 結 論

5G無線網絡是一種基于第五代移動通信技術而產生的新型無線網絡，相較于傳統的無線網絡，其具有信息傳輸效率高、拓展性能強、抗干擾性強等優勢。5G無線網絡的優勢主要依托于大規模MIMO技術、空口技術、異構無線通信技術等技術的應用，顯著提升了鏈路傳遞數據信號能力，有效消除了用戶間的通信干擾，此外在5G無線網絡規劃中應堅持基于場景按需配置，兼顧全域覆蓋和經濟建設，實現5G無線網絡的穩步推進。