5G关键技术及应用的探讨

樊琦

摘要：从1G到5G，通信技术的发展为我们带来了无尽的便利和福祉。5G不仅仅是从2G时代的.txt文本，到3G的时代的.jpg图片，再到4G时代的.avi音频视频所体现出的单纯强调峰值传输速率的提升，而是综合考虑了8个技术指标，包括：峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接密度、网络能量效率和流量密度网络速率的提升。5G技术的发展给社会经济的长效发展带来了有力的促进作用。自2019年开始正式商用以来，智能制造和人工智能的发展已经将人与人之间的通信扩展到万物连接，基于此，本文将对5G的应用、优势及网络架构、关键技术进行系统探讨。

关键词：网络架构;关键技术;5G应用

中图分类号：TN929.5

一、概述

5G的正式名称叫IMT-2020，是由国际电信联盟（ITU）制定的第五代移动通信标准。我们知道传统的2G 3G 4G主要是面向人的业务，所以我们看到每一代都是对速率的增强，而5G的能力指标是雷达图的形式。他将不再是单纯的强调峰值传输速率，而是综合考虑了8个技术指标，包括：峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接密度、网络能量效率和流量密度。其中最重要的三个需求维度是：时延、吞吐率和连接数。

二、5G网络架构与部署

2.1 5G的网络架构

5G的组网场景分为非独立组网NSA（Non-Standalone）和独立组网SA（Standalone） 2大场景，如图1所示。网络设计原则分为：NFV/SDN（网络虚拟化/软件定义网络）、控制业务分离、网络功能切片、流程定义服务。

5G不管是核心网还是无线网络，最终都会云化，云化架构如图2所示。因此从Singel RAN到Cloud RAN，最终都是一个逐步演进的过程。

那么什么是Singel RAN什么是Cloud RAN？Cloud RAN分为两部分，引入了CU和DU的概念，CU是RAN的集中式单元，DU是RAN的分布式单元。CU集中式单元把各个基站功能相同的部分合并起来，变成一个公共资源统一部署，实现共享。DU分布式单元更靠近用户侧，布放在基站和天馈侧。

了解这些概念后，大家会有疑问，原来的基站怎么划分，哪些层会化CU、哪些层会化DU？5G的协议划分和4G基本一致，有PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC层。这些层有一部划入CU，有一部分化为DU，那根据什么原则划分呢？如果从资源利用的角度，会把更多的层划入CU，因为划入CU可以资源共享，提高资源利用率。但是从另一个角度时延来考虑，我们又需要把更多的层划入DU，因为如果划分到CU，回传、梳理、返回处理时延会增大。综合以上情况考虑，目前3GPP在R14的会议上，把PDCP、RRC化为CU层， PHY、MAC、RLC化为DU层。

了解了CloudRAN的结构划分后我们看看会带来什么樣的好处和价值。因为云化、虚拟化之后单元的部署会更加灵活，可以根据业务的需求、按需部署，满足业务差异化的体验。例如以下三种示例：

车联网：最大的特点是对时延的要求非常高，因此我们可以把CU部署在离基站和用户比较近的接入层数据中心。

VR/AR：因为要考虑眩晕的问题的解决，也需要离用户比较近，所以把CU部署在本地数据中心。

物联网业务：由于对时延和带宽的要求比较低，因此可以把全国的物联网业务都统一起来，放在一个集中的数据中心，可能在千里之外，可以实现资源利用率的最大化。

只有在5G云化CloudRAN的时代，才能如此灵活的组网和部署，以实现各种业务的差异化体验。网络变成资源池的概念，而且还是开放的，如果有个区域或者一个基站比较忙，他就可以获取和调度更多的资源，非常灵活。云化的平台是一个开放的平台，第三方和新业务可以非常快的部署，可以让运营商更有利的应对OTT 的挑战。

2.2 5G的业务部署

众所周知，这些年移动互联网发展得非常迅速，给整个移动通信行业带来了巨大的挑战和影响。未来5G主要有3大关键应用场景：

第一类：   eMBB  增强的移动宽带场景 （10 Gbit/s）。数据流量增长非常迅速，对高速率的要求越来越多，随着设备价格的下降及片源的增多，高清视频已经越来越流行和普及，不同格式的高清视频对流量的消耗和带宽的需求是不一样的。想要流畅观看一部1080P的视频大约需要6Mbps左右的速率;而要流畅观看一部超高清4k的视频大约需要50Mbps以上的速率和更大的流量。视网膜级的VR入门级需要70Mbps、如果再加上3D和全景效果，需要840Mbps。如果要达到理想效果，需要接近1Gbps的传输速率。

第二类：   mMTC  大规模机器通信场景（每平方公里100万连接）。联网的东西越来越多，包括物流行业、摄像头、单车、水表、气表等等，2020年将有1000亿设备联网。你能想到的所有的一切都可能会连接到互联网上，包括智能城市、智能建筑、智能家庭、智能交通等等。

第三类：uRLLC  高可靠低时延通信场景（1ms）。5G利用“低时延”和“高速率”特性，在工程机械上安装高清摄像头和控制模块，高清视频和控制信号实时双向远距离传输，实现远程操控工程机械设备，智能制造将成为现实。在自动驾驶的应用中，4G的系统时延约50ms，5G的系统时延1ms，车辆的制动距离=系统时延*行驶速度，假设车辆以120公里/小时的速度在行进，那么在4G下的制动距离需要167厘米，这相当于一个成年人的身高，显然不可行。而5G下的制动距离只有3.3厘米，这就保障了自动驾驶的安全性，使得自动驾驶技术得以实现和推广。

三、5G关键技术

5G采用了全新的空口技术，新空口可以灵活适配众多业务，频谱效率提升至少3倍。5G的关键口空技术如图3所示：

3.1 Massive MIMO：大规模天线阵列的多天线姿态，具有多进多出的特性，64T、64R或128T、128R。它的特征有：

3D BF：多天线、波束赋形、3D覆盖。三维波束赋形简称3D赋形（在垂直面上形成多个窄波束，覆盖高层的中高低各个层面）

16流更窄的波束+MU BF（多用户波束赋形）将8个用户捆绑，每个用户一發一收两路天线，共16路天线，对应16T、16R;宽波束到窄波束赋形，多层发射实现更高的容量。

天线阵子设计：更多的天线更好的覆盖。

MUBF：多用户波束赋形的MIMO技术。在MIMO技术中，多流的数量受限于发射端天线和接收端天线。举个例子：如果基站有16根发射天线、但是终端只有2根接收天线，那么受限于终端的接收天线，最终只能实现双流，也就是2*2MIMO。如何提升多流的数量呢？从终端天线入手估计非常困难，因为受限于终端体积的大小。这时候技术人员想到一个方法，可以把多个手机用户捆绑在一起，形成一个组，也就是MUBF。再回头看举例，如果基站有16根发射天线、接收端每个用户有2根天线，如果把8个用户合并在一起，就变成了16根接收天线，这样就实现了16*16MIMO。通过这个手段可以有效的提升小区的容量。

宽波束到窄带波束成型：可以更加精准、更有效的抑制干扰。

3.2  Polar编码：信道编码，提升可靠性降低功耗。

3.3  F-OFDM：灵活的波形，灵活应对不用业务。4G采用OFDM，子载波带宽是固定的15kHz，5G采用F-OFDM，子载波带宽不固定，可以灵活针对不同QoE应用的报文大小。

3.4 SCMA：稀疏码分多址接入，将3G的CDMA技术与4G的OFDM相结合，提升连接数，缩短延时。

3.5 全双工模式：在同样的时隙和频率资源上进行发送和接收，提升吞吐率。

4、结束语

5G不再是局限于更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，而是面向全业务应用和多用户体验的智能网络。它是一个多业务多技术融合的网络，通过技术的演进和创新，满足未来包含广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要，提升用户体验。

参考文献

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