5G网络技术现状及发展趋势

廖骏杰

（武汉职业技术学院 电子信息工程学院 湖北 武汉 430074）

1 引言

“移动时代”改变着人们的日常生活，也在催生着新型的产业。虽然4G才刚刚普及，但各大巨头都已迫不及待地抢占5G先机。有人用5G网速就像龙卷风这来形容5G传输速率之快。2016年11月在德国美因兹（Mainz）举行了欧洲邮电管理委员会（CEPT）有关5G的专题讨论会（CEPT 5G workshop）。会议由欧洲电子通信委员会（ECC）组织，从5G在全球及欧洲的发展现状入手，采用A到G等7个板块（Session），探讨了频谱、技术、标准、现有活动、未来需求、垂直应用、其他挑战以及全球测试进展等相关内容，并在此基础上形成了CEPT 5G路标。5G网络通过提高移动数据传输效率，使手机等移动终端的下载速度达到每秒1G到10G，5G还能实现在每平方公里范围内建立100万个设备连接的功能，从而把人类带入一个智能“物联网”时代。

2 5G技术发展现状

第五代（5G）通讯技术研发在全球电信营运商及通讯大厂中已成为重要工作项目，可以预期的下世代通讯技术仍会以目前的通讯系统架构为基础继续发展与演进。中国信产部计划在2020年为国内提供商用5G服务，早在2016年1月7号就启动了5G技术研发测试工作，测试工作由IMT-2020（5G）促进组进行组织，目标在于促进5G技术和标准的研发工作，亦即：支持5G国际标准；促进5G关键技术的开发；验证和改善5G技术相关方案；支持全球统一5G标准的形成。因此，为符合未来无线通信的应用需求，继续发展与提升现存的LTE系统，建构新的长期演进技术称LTE-A Pro，从而满足未来5G新的服务模式3GPP预计在接下来的十四、十五与十六标准版本中依序完成各阶段5G标准制定工作，并于2017年第四季向ITU-R递交提案。3GPP技术报告文件草案TR 22.891参考ITU的下世代通讯系统（IMT-2020）的需求，包含加强型行动宽带（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）、大量型机械式通讯（massive Machine Type Communications，mMTC），以及高可靠低延迟式通讯（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，UR/LL）。具体运作由中国信息通信研究院牵头组织，运营企业、设备企业及科研机构共同参与针对5G潜在无线关键技术开展技术验证，推动5G关键技术的研发，验证5G关键技术性能，促进5G技术标准化方向尽快形成共识。关于国内5G试验的总体规划为五步：技术研发试验（2015—2018）、单点关键技术样机性能测试（2015年9月—2016年9月）、单基站性能测试技术方案验证（2016年6月—2017年9月）、5G系统的组网技术性能测试的系统验证（2017年6月—2018年10月）、5G典型业务演示及产品研发试验（2018—2020）。这些都由国内运营企业牵头组织，设备企业及科研机构共同参与。其中，部分厂家只参与了一项关键技术，而有的厂家则参与了多项关键技术的测试和验证工作。如英特尔测试了大规模天线阵列。华为重点完成了空口技术测试和网络架构测试。而中兴通讯通过了包括高频、新波形、MassiveMIMO等在内的多项空口关键技术的测试。三星完成了新型多载波、高频段和空间调制技术测试等等。

3 5G网络架构

针对未来的5G网络架构，在韩国釜山举行的3GPP TSG-RAN全会上，RP-161266描述了12种5G网络架构，并确定了RAN2/3所要讨论的选项。这些架构选项是从核心网和无线角度相结合进行考虑的，从而全面考虑了不同运营商不同建设阶段的选择，为核心网和无线系统网络规范讨论工作起到了指导作用。选8种5G网络架构整体架构描述如下：

（1）传统LTE架构，LTE连接到EPC。

（2）5G独立网络（Standalone，简称SA）。采用独立的新型无线系统（NR），并连接到新一代核心网上（NGCN）。它是独立5G架构，是5G系统的最终形态。

（3）非独立（Non-Standalone，简称NSA），LTE辅助（即控制信令走LTE），仅连接到EPC。由LTE系统经S1-MME接口连接到EPC。5G无线系统的用户面直接与EPC连接，可以由EPC进行业务分流。它是5G系统早期热点部署时的形态。借助LTE与5G无线系统之间的双连接提供较高速率。目前各厂家演示的LTE-5G双连接应该与此架构相类似。

（4）非独立（NSA），5G新无线系统辅助，仅连接到5G核心网（NGCN），需要新建5G核心网，并利用5G与LTE双连接来更好地为5G用户提供性能和服务。

（5）Standalone方式。升级LTE系统到R-15版本，采用新型5G核心网。此架构更多地在RAN3（网络研究研究）的工作范围内，LTE系统直接采用R15的协议栈就可以了，无需RAN2再对RLC/MAC/RRC等协议进行更多研究。

（6）独立5G无线网络，仅连接到EPC。采用传统EPC支持5G无线系统，基本不予考虑。

（7）非独立（NSA），LTE辅助，仅连接到5G核心网（NGCN）。5G系统控制面经由LTE连接。这种场景也可能会在网络初始部署时应用，以便提供新业务等。

（8）非独立（NSA），5G无线系统辅助，仅连接到EPC。LTE和5G无线共存，且只采用EPC，也不予考虑。

LTE和5G双连接是未来5G部署中的重要选择。目前Ericsson和华为演示的LTE-5G双连接方案中，没有详细的系统架构描述，因此无从知道LTE于5G的配置关系。5G的容量是4G的1000倍，要提升容量无非三种办法：提升频谱带宽、提高频谱效率和增加小区数量。增加小区数量意味着建更多基站，这笔花费不小。至于频谱带宽，考虑国外很多运营商的频谱资源都是通过拍卖获得的。运营商更喜欢通过提升频谱效率的方式来提升容量。考虑什么校验纠错、编码方式等办法都接近了香农极限，最有效的办法就是多天线技术了。所以，高阶MIMO和Massive MIMO这种复杂的天线系统必然成为5G的首选。高阶MIMO的意思是指基站与手机之间有很多对的信道并行通信，每一对天线都独立传送一路信息，经汇集后可成倍提高速率。多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上，现在的手机天线是几厘米长，多天线阵列是难以设置的。而随着天线长度的降低，特别是5G时代的毫米尺寸天线，就可以布设多天线阵列了，就给高阶MIMO技术的实现带来了可能。以今年3月份某机构的试验结果为例，基站部署128支天线阵元，连接12个单天线终端，频谱效率可达79.4bit/s/Hz，便于计算也就是约80Mbps/MHz。如果将这个大规模天线系统部署在我们现有的20MHz带宽的LTE基站上，80Mbps/MHz*20MHz就等于1.6Gbps，提升了12倍。5G也可以让高频段扩大覆盖范围，这就是C-RAN结构+Massive MIMO。

在这样的网络构架下，控制面和用户面分离。工作于低频段且覆盖范围大的宏小区主要负责控制面，传送控制信令；而工作于高频段的Small Cells只负责用户面，传送用户数据流量。这样的构架不但解决了高容量和全覆盖的问题，同时，减少了切换，减少了网络信令。

4 5G网络展趋势

5G技术不仅仅让网速变得更快，还为智能设备的连接提供了无限可能。从智能手机，到智能穿戴设备，到无人机，再到智能汽车，所有设备都能够通过低时延、高带宽的5G网络紧密连接在一起。5G面临的技术挑战主要是：高速率、端到端时延、高可靠性、大规模连接、用户体验和效率。在短短20年内，核心网正在从集中式向分离式的方向发展，为了应对5G技术挑战，5G网络设计原则将出现，从集中化向分布式发展，从专用系统向虚拟系统发展，从闭源向开源发展。5G面向万物联接，面对不同的应用场景。不同的应用场景对网络的移动性、安全性、时延、可靠性等，甚至是计费方式的需求是不同的。因此，5G网络要能为不同的场景提供虚拟子网络。5G的兴起是一个引爆点，它将有潜力在全球广泛行业和用例中创造出12.3万亿美元销售活动，其将支持全球价值链生态系统创造3.5万亿美元产出和2200万个工作岗位，并对全球GDP增长产生长期、可持续的影响。