廖駿杰

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院 湖北 武漢 430074）

1 引言

“移動(dòng)時(shí)代”改變著人們的日常生活，也在催生著新型的產(chǎn)業(yè)。雖然4G才剛剛普及，但各大巨頭都已迫不及待地?fù)屨?G先機(jī)。有人用5G網(wǎng)速就像龍卷風(fēng)這來形容5G傳輸速率之快。2016年11月在德國(guó)美因茲（Mainz）舉行了歐洲郵電管理委員會(huì)（CEPT）有關(guān)5G的專題討論會(huì)（CEPT 5G workshop）。會(huì)議由歐洲電子通信委員會(huì)（ECC）組織，從5G在全球及歐洲的發(fā)展現(xiàn)狀入手，采用A到G等7個(gè)板塊（Session），探討了頻譜、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)有活動(dòng)、未來需求、垂直應(yīng)用、其他挑戰(zhàn)以及全球測(cè)試進(jìn)展等相關(guān)內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上形成了CEPT 5G路標(biāo)。5G網(wǎng)絡(luò)通過提高移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸效率，使手機(jī)等移動(dòng)終端的下載速度達(dá)到每秒1G到10G，5G還能實(shí)現(xiàn)在每平方公里范圍內(nèi)建立100萬個(gè)設(shè)備連接的功能，從而把人類帶入一個(gè)智能“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代。

2 5G技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

第五代（5G）通訊技術(shù)研發(fā)在全球電信營(yíng)運(yùn)商及通訊大廠中已成為重要工作項(xiàng)目，可以預(yù)期的下世代通訊技術(shù)仍會(huì)以目前的通訊系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)繼續(xù)發(fā)展與演進(jìn)。中國(guó)信產(chǎn)部計(jì)劃在2020年為國(guó)內(nèi)提供商用5G服務(wù)，早在2016年1月7號(hào)就啟動(dòng)了5G技術(shù)研發(fā)測(cè)試工作，測(cè)試工作由IMT-2020（5G）促進(jìn)組進(jìn)行組織，目標(biāo)在于促進(jìn)5G技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)工作，亦即：支持5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；促進(jìn)5G關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)；驗(yàn)證和改善5G技術(shù)相關(guān)方案；支持全球統(tǒng)一5G標(biāo)準(zhǔn)的形成。因此，為符合未來無線通信的應(yīng)用需求，繼續(xù)發(fā)展與提升現(xiàn)存的LTE系統(tǒng)，建構(gòu)新的長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)稱LTE-A Pro，從而滿足未來5G新的服務(wù)模式3GPP預(yù)計(jì)在接下來的十四、十五與十六標(biāo)準(zhǔn)版本中依序完成各階段5G標(biāo)準(zhǔn)制定工作，并于2017年第四季向ITU-R遞交提案。3GPP技術(shù)報(bào)告文件草案TR 22.891參考ITU的下世代通訊系統(tǒng)（IMT-2020）的需求，包含加強(qiáng)型行動(dòng)寬帶（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）、大量型機(jī)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(yùn)作由中國(guó)信息通信研究院牽頭組織，運(yùn)營(yíng)企業(yè)、設(shè)備企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)共同參與針對(duì)5G潛在無線關(guān)鍵技術(shù)開展技術(shù)驗(yàn)證，推動(dòng)5G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，驗(yàn)證5G關(guān)鍵技術(shù)性能，促進(jìn)5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方向盡快形成共識(shí)。關(guān)于國(guó)內(nèi)5G試驗(yàn)的總體規(guī)劃為五步：技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)（2015—2018）、單點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)樣機(jī)性能測(cè)試（2015年9月—2016年9月）、單基站性能測(cè)試技術(shù)方案驗(yàn)證（2016年6月—2017年9月）、5G系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)性能測(cè)試的系統(tǒng)驗(yàn)證（2017年6月—2018年10月）、5G典型業(yè)務(wù)演示及產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)（2018—2020）。這些都由國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)企業(yè)牽頭組織，設(shè)備企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)共同參與。其中，部分廠家只參與了一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而有的廠家則參與了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的測(cè)試和驗(yàn)證工作。如英特爾測(cè)試了大規(guī)模天線陣列。華為重點(diǎn)完成了空口技術(shù)測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)測(cè)試。而中興通訊通過了包括高頻、新波形、MassiveMIMO等在內(nèi)的多項(xiàng)空口關(guān)鍵技術(shù)的測(cè)試。三星完成了新型多載波、高頻段和空間調(diào)制技術(shù)測(cè)試等等。

3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

針對(duì)未來的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在韓國(guó)釜山舉行的3GPP TSG-RAN全會(huì)上，RP-161266描述了12種5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并確定了RAN2/3所要討論的選項(xiàng)。這些架構(gòu)選項(xiàng)是從核心網(wǎng)和無線角度相結(jié)合進(jìn)行考慮的，從而全面考慮了不同運(yùn)營(yíng)商不同建設(shè)階段的選擇，為核心網(wǎng)和無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)范討論工作起到了指導(dǎo)作用。選8種5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)整體架構(gòu)描述如下：

（1）傳統(tǒng)LTE架構(gòu)，LTE連接到EPC。

（2）5G獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)（Standalone，簡(jiǎn)稱SA）。采用獨(dú)立的新型無線系統(tǒng)（NR），并連接到新一代核心網(wǎng)上（NGCN）。它是獨(dú)立5G架構(gòu)，是5G系統(tǒng)的最終形態(tài)。

（3）非獨(dú)立（Non-Standalone，簡(jiǎn)稱NSA），LTE輔助（即控制信令走LTE），僅連接到EPC。由LTE系統(tǒng)經(jīng)S1-MME接口連接到EPC。5G無線系統(tǒng)的用戶面直接與EPC連接，可以由EPC進(jìn)行業(yè)務(wù)分流。它是5G系統(tǒng)早期熱點(diǎn)部署時(shí)的形態(tài)。借助LTE與5G無線系統(tǒng)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(yīng)該與此架構(gòu)相類似。

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

（5）Standalone方式。升級(jí)LTE系統(tǒng)到R-15版本，采用新型5G核心網(wǎng)。此架構(gòu)更多地在RAN3（網(wǎng)絡(luò)研究研究）的工作范圍內(nèi)，LTE系統(tǒng)直接采用R15的協(xié)議棧就可以了，無需RAN2再對(duì)RLC/MAC/RRC等協(xié)議進(jìn)行更多研究。

（6）獨(dú)立5G無線網(wǎng)絡(luò)，僅連接到EPC。采用傳統(tǒng)EPC支持5G無線系統(tǒng)，基本不予考慮。

（7）非獨(dú)立（NSA），LTE輔助，僅連接到5G核心網(wǎng)（NGCN）。5G系統(tǒng)控制面經(jīng)由LTE連接。這種場(chǎng)景也可能會(huì)在網(wǎng)絡(luò)初始部署時(shí)應(yīng)用，以便提供新業(yè)務(wù)等。

（8）非獨(dú)立（NSA），5G無線系統(tǒng)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(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)描述，因此無從知道LTE于5G的配置關(guān)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(qū)數(shù)量。增加小區(qū)數(shù)量意味著建更多基站，這筆花費(fèi)不小。至于頻譜帶寬，考慮國(guó)外很多運(yùn)營(yíng)商的頻譜資源都是通過拍賣獲得的。運(yùn)營(yíng)商更喜歡通過提升頻譜效率的方式來提升容量?？紤]什么校驗(yàn)糾錯(cuò)、編碼方式等辦法都接近了香農(nóng)極限，最有效的辦法就是多天線技術(shù)了。所以，高階MIMO和Massive MIMO這種復(fù)雜的天線系統(tǒng)必然成為5G的首選。高階MIMO的意思是指基站與手機(jī)之間有很多對(duì)的信道并行通信，每一對(duì)天線都獨(dú)立傳送一路信息，經(jīng)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(gè)波長(zhǎng)以上，現(xiàn)在的手機(jī)天線是幾厘米長(zhǎng)，多天線陣列是難以設(shè)置的。而隨著天線長(zhǎng)度的降低，特別是5G時(shí)代的毫米尺寸天線，就可以布設(shè)多天線陣列了，就給高階MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)帶來了可能。以今年3月份某機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果為例，基站部署128支天線陣元，連接12個(gè)單天線終端，頻譜效率可達(dá)79.4bit/s/Hz，便于計(jì)算也就是約80Mbps/MHz。如果將這個(gè)大規(guī)模天線系統(tǒng)部署在我們現(xiàn)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(kuò)大覆蓋范圍，這就是C-RAN結(jié)構(gòu)+Massive MIMO。

在這樣的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(qū)主要負(fù)責(zé)控制面，傳送控制信令；而工作于高頻段的Small Cells只負(fù)責(zé)用戶面，傳送用戶數(shù)據(jù)流量。這樣的構(gòu)架不但解決了高容量和全覆蓋的問題，同時(shí)，減少了切換，減少了網(wǎng)絡(luò)信令。

4 5G網(wǎng)絡(luò)展趨勢(shì)

5G技術(shù)不僅僅讓網(wǎng)速變得更快，還為智能設(shè)備的連接提供了無限可能。從智能手機(jī)，到智能穿戴設(shè)備，到無人機(jī)，再到智能汽車，所有設(shè)備都能夠通過低時(shí)延、高帶寬的5G網(wǎng)絡(luò)緊密連接在一起。5G面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要是：高速率、端到端時(shí)延、高可靠性、大規(guī)模連接、用戶體驗(yàn)和效率。在短短20年內(nèi)，核心網(wǎng)正在從集中式向分離式的方向發(fā)展，為了應(yīng)對(duì)5G技術(shù)挑戰(zhàn)，5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則將出現(xiàn)，從集中化向分布式發(fā)展，從專用系統(tǒng)向虛擬系統(tǒng)發(fā)展，從閉源向開源發(fā)展。5G面向萬物聯(lián)接，面對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、安全性、時(shí)延、可靠性等，甚至是計(jì)費(fèi)方式的需求是不同的。因此，5G網(wǎng)絡(luò)要能為不同的場(chǎng)景提供虛擬子網(wǎng)絡(luò)。5G的興起是一個(gè)引爆點(diǎn)，它將有潛力在全球廣泛行業(yè)和用例中創(chuàng)造出12.3萬億美元銷售活動(dòng)，其將支持全球價(jià)值鏈生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造3.5萬億美元產(chǎn)出和2200萬個(gè)工作崗位，并對(duì)全球GDP增長(zhǎng)產(chǎn)生長(zhǎng)期、可持續(xù)的影響。