5G无线网络及关键技术探析

陈小群

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

5G作为新一代移动通信技术，在大带宽和低时延等业务场景具有显著优势。相比光纤和以太网等固网产品，采用5G可以减少工程布线，实现业务的快速上线，并且相比WiFi具有更稳定的网络覆盖及抗干扰能力，本文主要围绕5G无线网络展开详细分析。

1 5G无线网络概述

5G即第五代移动通信系统，是继1G（模拟信号通信）、2G（语音数字化通信）、3G（多媒体通信）、4G（无线宽带通信）后出现的新一代高频传输移动通信技术，具有毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力。根据中国IMT-2020（5G）推进组的定义，5G由“标志性能力指标”和“一组关键技术”共同来定义，其本质不仅是高速网络连接，更是为前沿数字科技大规模商用创造绝佳场景，催生更多互联网产业应用。

5G无线网络是一种基于第五代移动通信技术而产生的新型无线网络，对于目前的移动通信来说并无准确的含义，一般将其认为是4G无线网络的延伸。5G无线网络采用了异构无线通信网络和毫米波技术，系统吞吐率提高了25倍，系统频率资源扩展了4倍，关键性能如下：一是系统连接数密度为1 000 000/km；二是用户体验速率为0.1～1 Gb/s；三是移动性支持500 km/h的高速移动；四是端到端时延毫秒级。

2 5G无线网络关键技术

5G无线网络关键技术的突破是实现其愿景的重点，通信领域的学者就此展开了一系列研究，如软件定义网络、毫米波频谱、网络虚拟化、大规模多入多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术、设备到设备通信、内容分发网络、边缘计算等，还有学者分析了5G网络面临的典型挑战和要求。5G无线网络不仅有效融合了各种通信资源，同时还采用了多元化的异构模式进行系统构建，使其拥有了多项关键技术，能有效解决无线通信网络中急剧增加的流量问题，并能有效增强无线通信网络抵抗各种信号干扰的能力。下文总结了几项面向5G无线网络的关键技术。

2.1 大规模MIMO技术

尽管小小区和D2D两种异构网络架构能够为5G无线网络提供巨大的网络性能增益，但是也可能对宏蜂窝用户、其他的小小区用户以及D2D用户网络通信造成的一定的干扰，从而对系统整体的通信性能产生不良影响。为解决这一问题，技术人员探究出一种能全面提高无线通信网络复杂度，增加系统通信频谱效率的新型网络架构，即大规模MIMO技术。这是一种多输入多输出的通信技术，不仅能为无线通信网络系统带来发射功率和带宽复用的分集增益，同时还能为系统带来更加灵活的技术实现空间，从而有效改善无线蜂窝通信系统的性能，使系统的覆盖性能显著增强，频谱利用率显著提高，进而促进无线通信技术的良好发展。在具体应用过程中，大规模MIMO技术是指在现有5G无线网络中配置多个基站端和若干数量的天线、大规模的天线矩阵等（一般配置一百多根天线或几百根天线），这些天线可以大规模天线矩阵方式集中放置，也可分散放置在小区中，同时服务于多个用户，可显著提高系统信道总容量，消除用户间的通信干扰，从而提高用户对系统通信服务的需求和满意度。大规模MIMO技术通信网络构建方式如图1所示。

图1 大规模MIMO技术通信网络构建方式

2.2 空口技术

相较于4G无线网络，5G无线网络数据传输速度和数据使用灵活性均较高的原因在于其应用了空口技术，给用户提供了方便快捷的通信传输服务，而且还能与传感器进行有机结合，构建一个网络信号较强的网络通信系统，从而有效扩大无线网络通信的覆盖面。

在实际应用过程中，5G空口技术又可细分为高频新空口和低频新空口。其中，高频新空口通过超大带宽信道和高密度部署能有效提高无线网络的数据传输速率与数据流量密度，主要被应用于信号指向性强、覆盖面积小、容量高以及热点高的通信场景中；低频新空口则整合了大规模多天线阵列、调制编码、新型多址技术，可适用于覆盖面积广泛、高连续性、低时延以及热点高容量额度的通信场景中，有效保障无线通信的可靠性。

2.3 异构无线通信技术

第一代蜂窝移动通信系统（1G）至第三代移动通信系统（3G）均采用的是单层蜂窝网络，这种网络形式难以实现多样化通信要求与通信系统负荷转移。随着我国通信技术的不断更新和发展，第四代移动通信系统（4G）改变了传统的通信网络构建模式，采用了异构蜂窝网络，不仅有效扩大了系统网络容量，同时也促进系统数据传输能力的显著提升。但是4G仍无法满足人们日益增高的通信要求，面对这种情况，在5G无线网络中，技术人员通过结合异构蜂窝网络与多元化的通信技术手段（如小区部署技术、D2D通信技术），构建了一个具有多元化信息技术的网络节点，同时还促进系统实现了多网融合、多网共通，从而显著扩大了无线网络的应用范围[1]。

2.4 网络切片技术

网络切片是基于逻辑的概念对资源进行重组，通过网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）技术将传统网络中的硬件和软件分离，硬件服务器统一部署，软件由不同的网络功能（Network Function，NF）承担。根据承载业务的特性和需求，对端到端的网络资源进行逻辑划分和封装，按照用户方网络时延、带宽、可靠性等需求灵活提供一种或多种的5G网络关键服务。

通过5G网络切片灵活分配网络资源，网络能力按需组合，基于5G网络虚拟出多个具备不同特性的逻辑子网。端到端的网络切片由核心网、无线网以及传输网子切片组成，并通过端到端切片编排管理系统进行统一管理。无线网子切片是端到端网络切片中的关键组成部分，通过对多个无线空口功能模块进行灵活的控制及编排，根据不同业务的服务等级协议（Service-Level Agreement，SLA）需求，集中单元（Centralized Unit，CU）、分布单元（Distributed Unit，DU）可以灵活配置及部署，满足不通场景下切片组网的差异化需求[2]。

（1）基于空口统一框架的无线网切片。无线网基于统一的空口框架，以空口功能模块定制化的方式“按需分配”无线信号，通过灵活组合物理层不同功能模块来满足多样化的网络需求。物理层功能模块包括帧结构、调制编码、新波形、新型多址、多天线等。

（2）基于CU、DU的灵活切分和部署。随着业务场景的多样化，网络切片在满足安全隔离的前提下，同时具备灵活开放部署、按需弹性分配无线资源、控制面与用户面相分离等特性。无线网切片的核心演进思路是将有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）、CU、DU分离，按需进行灵活切分和部署。根据不同的业务场景，如智慧城市、智能家居、智慧水务、智能电网等大规模物联网（massive Machine Type of Communication，mMTC）场景对带宽和时延都无特殊要求，CU可以采用云化集中部署，获取集中化处理的优势，DU分布式部署、AAU边缘部署，达到经济成本最大化；4K/8K融媒体、增强现实/虚拟现实（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）全息影像、视频娱乐服务等增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）场景对带宽要求高，对时延要求差异大，根据带宽需求CU可灵活地集中部署或者与DU结合分布式部署；远程医疗、自动驾驶等超高可靠与低时延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）场景对时延要求极其苛刻，AAU、CU、DU合一部署在接入侧，降低传输时延的损耗，多接入边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）是目前比较主流的成熟解决方案[3]。

2.5 边缘计算技术

2014年9月，欧洲电信标准化组织（European Telecommunication Standard Institute，ETSI）首次提出了MEC系统，旨在移动通信无线接入网（Radio Access Network，RAN）侧部署计算能力，以降低业务时延、提升用户的业务体验，同时优化业务路由、提升网络效率。

2018年 6月，ETSI发布了《MEC in 5G networks》白皮书，提出了在5G系统中部署和集成MEC的方法，并将MEC更名为Multi-access Edge Computing。ETSI此后发布的MEC相关标准均将MEC解释为Multi-access Edge Computing，从而将无线局域网接入网和固定接入网也纳入进了边缘计算（Edge Computing，EC）的范畴。从实际组网的角度来看，MEC的部署包括5G网络和业务平台两部分内容，二者相互独立又密切相关。相互独立体现在业务平台包含了MEP和MEC App及其管理系统，负责向用户终端（User Element，UE）提供具体的应用服务，其部署方式取决于业务特性、服务范围、规模、管理方式等因素，不同的业务平台差异较大。5G网络由一系列的网元组成，为5G用户终端UE提供访问业务平台的通道，与业务平台关系较大的是用户面功能（User Plane Function，UPF）和控制UPF的会话管理功能（Session Management Function，SMF）。密切相关体现在5G网络需要根据业务平台的部署位置、服务范围等因素选择UPF连接业务平台，并且在满足业务疏通要求的同时提供较优的路由[4]。

3 5G无线网络规划方法分析

3.1 5G无线网络覆盖类型

5G无线网络覆盖主要分为广域覆盖、深度覆盖以及热点覆盖。其中，广域覆盖是在保证容量的前提下，要求单站覆盖距离越大越好，以减少基站建设数；深度覆盖是针对室外、室内的弱覆盖或盲覆盖区域进行定制化补盲覆盖；热点覆盖主要针对用户密集或容量需求极高的场景，提升系统容量吸收能力。三者概念不同，需求不同，不能混淆，应区别对待。5G无线网络覆盖类型及典型场景如图2所示。

图2 5G无线网络覆盖类型及典型场景

3.2 5G无线网分场景规划方案

基于5G无线网不同场景的覆盖需求，结合运营商无线网络部署所面临的双重挑战，5G无线网的部署思路应该为“基于场景，按需配置，兼顾全域覆盖和经济建设”，具体可分为以下3种，如图3所示。

图3 5G分场景部署方案示意

方案1：全域按需配置，即热点场景采用64/32TR，中等容量场景广域覆盖采用16/8TR，低容量场景广域覆盖采用8/4TR。方案2：在方案1基础上，为降低网络规划难度，按照覆盖区域的总体容量大致选择覆盖方案，密集市区采用64/32TR，一般城区广域覆盖采用16/8TR，乡镇农村广域覆盖采用8/4TR。方案3：“1+1”多频叠加配置，即以中低频4TR进行全网广域覆盖，形成一张5G基础覆盖网，以中高频段作为5G容量层，一、二线城市采用64/32TR，其他城区广域覆盖场景采用16/8TR。

3.3 能耗与成本分析

16、8、4TR是广域覆盖场景主流配置，64、32TR是热点场景的增强配置，而且16TR是一般城区广域覆盖场景最佳配置。32TR实时3D波束扫描能力局限在±0.5°的范围内，不具有实用价值，当联合机电移相器进行移相时，功能上与16TR无本质区别；16TR容量和水平面多波束能力足以满足广域覆盖场景扫描要求，且相比32TR来说增益提升1.0 dB，副瓣电平抑制性能改善5 dB，同时能耗降低12%，设备成本降低27%，电下倾角调整范围更大。综上，16TR相比32TR具有明显的性价比优势。当然，如果采用中低频4TR和中高频8TR叠加组网，则其覆盖效果优于16TR和32TR，通过载波聚合等技术，其容量性能也可能达到甚至超过16TR和32TR[5]。

4 结 论

5G无线网络是一种基于第五代移动通信技术而产生的新型无线网络，相较于传统的无线网络，其具有信息传输效率高、拓展性能强、抗干扰性强等优势。5G无线网络的优势主要依托于大规模MIMO技术、空口技术、异构无线通信技术等技术的应用，显著提升了链路传递数据信号能力，有效消除了用户间的通信干扰，此外在5G无线网络规划中应坚持基于场景按需配置，兼顾全域覆盖和经济建设，实现5G无线网络的稳步推进。