5G网络架构与关键技术分析

肖华辉，熊 星，廖溢宏

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410126）

0 引 言

5G属于第五代移动通信技术，是一种全新的智能型网络，与当前4G网络相比，5G能够更好地满足多种业务需求，全面提高用户的体验。

1 5G概述

移动通信网络正从4G移动互联网时代向5G万物互联时代迈进，海量的设备交互、优秀的感知体验、流畅的操控体验以及丰富的个性化服务是5G发展的驱动力。5G既可满足下行10 Gb/s的峰值速率，又可满足500 km/h高速移动，且具有低于1 ms的RAN时延特性。

3GPP于2018年下半年形成第一版5G标准，2019年底完成符合ITU要求的5G标准完整版本。当前，我国正在开展5G系统的组网技术功能和性能测试以及5G典型业务演示，力争在2020年实现5G商用。

2 5G网络架构

5G采用云感知软网络（Cloud Aware Soft-network）的分层结构，可实现资源的灵活部署、统一接入、统一平台、统一管理以及业务的动态接入和编排[1]。

虚拟化、组件化与可编排是5G网络架构最突出的特点，由不同的网络切片负责处理各种不同的业务场景，同时支持各种差异化场景、支持面向客户的业务模式以及支持业务快速建立和修改，实现从专用的电信网络到通用的电信网络平台的转变。

5G网络组网方式主要有独立组网（SA）和非独立组网（NSA）两种[2]：

（1）独立组网（SA）。无线网部分直接使用5G设备负责控制和承载，核心网部分选用5G下一代核心网（NGC）。SA方式的优点是4G和5G业务同时运行，避免了与LTE网络整合过程中可能会出现的互操作复杂等问题，且支持5G的全部功能和应用。缺点则是独立组网建设在初期成本相对较高。

（2）非独立组网（NSA）。无线网部分采用双连接，由主基站控制（信令面锚点），核心网采用4G EPC或者NGC。在双连接模式下，LTE基站或NR基站只有一个基站作为主基站（MN），另一个基站为辅基站（SN）。其中，核心网与无线侧主基站之间存在唯一的控制面连接，且核心网可以与辅基站建立用户面连接；主基站与核心网之间存在控制面连接，具备完整的协议栈功能；辅基站只具备用户面数据转发、处理等功能，用户面相关的控制信令需经过主基站与核心网进行通信。NSA方式的优点是在已有4G基础设施上发展5G网络，有利于初期部署，资本支出负担较小，网络建设较为灵活，可支持初期快速推出5G商用服务。缺点则体现在非独立组网更适合局部热点区域部署，而不是大规模的全国性部署，且与现有的LTE网络的互操作较为复杂，不能利用5G的全部功能[3]。

3 5G关键技术

3.1 高频段传输

当前，中国用于移动通信的频谱规划总量达687 MHz。其中，中国移动、中国电信与中国联通的8张网络共计使用522 MHz。IMT-2020（5G）推进组预测2020年我国移动通信频谱需求总量为1 350～1 810 MHz，因此还需要新增663～1 123 MHz频谱。

我国5G频谱规划分低频段和高频段两段，其中低频段为3.3～3.6 GHz、4.8～5 GHz，主要用于无缝广覆盖，作为基础容量层，提供基本的用户体验速率；高频段候选频段为24.75～27.5 GHz、37～42.5 GHz，主要用于满足室内和室外热点区域的速率和容量需求。3.3～3.4 GHz频段主要用于室内覆盖，24.75～42.5 GHz频段主要用于室外微蜂窝，3.4～3.6 GHz和4.8～5 GHz频段则主要用于室外宏站。

5G高频段传输的主要优点是有足量的可用带宽、小型化的天线和设备以及较高的天线增益，缺点则是高频段传输距离短、绕射能力差与容易受气候环境影响，主要难点是射频器件和系统设计困难。

3.2 新型多天线传输技术Massive MIMO

相较于传统MIMO技术，Massive MIMO的可控天线数量更多，加快了峰值速率，且频谱效率大大增强。Massive MIMO有如下技术优势：（1）基站天线数远大于用户天线数时，各用户的信道趋于正交；（2）小区内同频干扰及加性噪声趋于消失，系统性能仅受限于邻区导频复用；（3）能多维度（空域、时域、频域以及极化域等）提升频谱利用效率和能量利用效率；（4）通过应用空间复用技术和拟制干扰技术，可进一步提高系统容量[4]。

相较于传统基站天线或传统一体化有源天线，Massive MIMO天线的阵列数量庞大，单元具备独立收发能力，相当于更多天线单元（128阵列、256阵列等）实现同时收发数据。天线单元的尺寸与波长成正比，与频率成反比。天线单元数目的增加导致天线阵列面积的增大，给基站的天线阵列的安装带来困难，尤其是低频的宏站Masssive MIMO天线。因此，基站塔桅建设应考虑后期大天线的安装调整需求。单扇区收发通道数的增加促使天线与RRU一体化成为趋势，空口传输速率的大幅提升则导致单扇区功耗的增加，因此基站电源配套应考虑5G基站电源需求。

Massive MIMO主要用于宏覆盖、高层建筑、异构网络、室内外热点以及无线回传链路。

3.3 超密集组网

超密集网络的特点是站间距离短，从几米（室内）到几十米（室外）不等。高频段（毫米波波段）的开发利用和波速成型技术可为超密集网络部署提供技术支撑。通过增加低功率基站的部署密度，可满足高系统容量和可靠用户速率需求。

超密集网络大都是宏基站加大量的微基站、超微基站等形式，利用墙面、电线杆等站址的小基站形态越来越多。今后，运营商或其他类型的网络运营商所需的站址资源更多为室内、墙边以及现有建筑物附属设施，站址获取将成为极大的挑战。

超密集组网的应用场景主要有密集街区、密集住宅、办公室、校园、公寓、大型集会、体育场、购物中心以及地铁等。

3.4 灵活双工技术

5G各超短子帧能分配给上行、下行或回程，快速实现带宽适配。下行和上行具有相同的物理结构（控制、数据与参考信号），可实现灵活上行与下行。远小于1 ms的超短子帧串联起上行或下行的控制信号，用户面时延小于1 ms。控制面则可基于时间和频率分配，可跨链路实现无干扰控制信道。控制信道与DMRS位于数据前，管道处理能耗低。

3.5 D2D（设备间）技术

终端在系统控制下通过复用小区资源直接进行通信，增加蜂窝通信系统频谱效率，降低终端发射功率，缓解频谱资源匮乏问题。D2D（设备间）是5G系统中重要的推动者，可允许网络设备建立本地直接连接以交换数据，无需通过网络基础设施。

3.6 绿色通信技术

绿色通信技术是5G移动网络中较为突出的一项技术，通过在5G网络中引入智能化技术，能够在充分满足用户体验的前提下，解决网络部署中的能源节约问题。相关数据显示，当前我国移动通信消耗的能源占到总能源的10%。在移动通信中，基站所占到的能耗最大，几乎占到总能量消耗的50%。因此，为实现真正的绿色通信，需要突破单个基站的能耗问题，以网络调度为基础，通过对覆盖范围内的资源实施动态控制进而实现对资源的控制。当前，我国在绿色通信技术方面取得一定成效，例如MIMO-DFDMA技术的实现与应用。鉴于绿色通信技术仍处于初步阶段，在实际应用过程中还存在较多的问题，为实施绿色通信，必须具备高效的信息传输机制，同时对各网络节点与各组成部件展开深入研究[5]。

4 5G基础配套设施发展建议

发展5G需要建立大量的微基站，微基站站址获取属于关键工作之一。相关部门需要积极统筹各电信企业的微站需求，针对微站建设的重点场景提前进行预判，将微站纳入规划库统一管理。在信息基础设施建设专项规划过程中，应充分考虑微站需求，定期与规划审批、市政园林、绿化、水利以及城管部门对接，提升站址获取能力，确保微站站址的合法性，进而充分利用站址资源，采用战略合作等方式加快与政府部门和各企业资源（如路灯杆、电力铁塔等）的整合。

塔桅建设建议采取无外罩塔型、小型化铁塔以及“多杆合一”等方式。其中，城区景观塔应适度考虑后期大天线安装调整覆盖需求，建议采用双轮、飘带等无外罩的造型；小型化铁塔将塔身简化，满足微站低成本与快速部署要求；“多杆合一”的塔型创新，做到将户外广告、环境监测、路灯照明以及城市监控等多种功能模块集于一身，同时，将不同模块设计成可拆卸部件，通过灵活组合实现一塔多用。

机房除采用传统机房外，还可以通过定制喷图或外挂电子屏幕，布置更合理且易维护的新型机房。

基站电源系统通过对交流配电、开关电源、蓄电池、动环监控、空调、防雷接地以及箱体外壳等的总体整合，形成更加合理的小型化、集成化电源系统，可更好地适应微站快速部署的需要。同时，可采取“分布式电源+锂电池”方式，汇聚柜DC远供，汇聚集中支撑N个拉远站，简化站点供电与光纤获取。

5 结 论

随着信息通信技术不断向各行业融合渗透，经济社会各领域向数字化转型升级的趋势愈发明显。信息网络已成为与能源网、公路网、铁路网相并列的不可或缺的关键基础设施，信息通信技术在经济增长中发挥着关键作用。未来，5G与云计算、大数据、人工智能以及虚拟增强现实等技术的深度融合，将连接人和万物，成为各行各业数字化转型的重要基础。5G的广泛应用也可为大众创业、万众创新提供坚实支撑，助力制造强国与网络强国建设，推进新一代移动通信成为引领国家数字化转型的通用技术。