解讀：20大5G關鍵技術

5G網路技術主要分為三類：核心網、回傳和前傳網路、無線接入網。


核心網

核心網關鍵技術主要包括：網路功能虛擬化（NFV）、軟體定義網路（SDN）、網路切片和多接入邊緣計算（MEC）。

1 網路功能虛擬化（NFV）

NFV，就是通過IT虛擬化技術將網路功能軟體化，並運行於通用硬體設備之上，以替代傳統專用網路硬體設備。NFV將網路功能以虛擬機的形式運行於通用硬體設備或白盒之上，以實現配置靈活性、可擴展性和移動性，並以此希望降低網路CAPEX和OPEX。


NFV要虛擬化的網路設備主要包括：交換機（比如Open vSwitch）、路由器、HLR（歸屬位置寄存器）、SGSN、GGSN、CGSN、RNC（無線網路控制器）、SGW（服務網關）、PGW（分組數據網路網關）、RGW（接入網關）、BRAS（寬頻遠程接入伺服器）、CGNAT（運營商級網路地址轉換器）、DPI（深度包檢測）、PE路由器、MME（移動管理實體）等。

NFV獨立於SDN，可單獨使用或與SDN結合使用。

2 軟體定義網路（SDN）

軟體定義網路（SDN），是一種將網路基礎設施層（也成為數據面）與控制層（也稱為控制面）分離的網路設計方案。網路基礎設施層與控制層通過標準介面連接，比如OpenFLow（首個用於互連數據和控制面的開放協議）。

SDN將網路控制面解耦至通用硬體設備上，並通過軟體化集中控制網路資源。控制層通常由SDN控制器實現，基礎設施層通常被認為是交換機，SDN通過南向API（比如OpenFLow）連接SDN控制器和交換機，通過北向API連接SDN控制器和應用程序。


SDN可實現集中管理，提升了設計靈活性，還可引入開源工具，具備降低CAPEX和OPEX以及激發創新的優勢。

3 網路切片（Network Slicing）

5G網路將面向不同的應用場景，比如，超高清視頻、VR、大規模物聯網、車聯網等，不同的場景對網路的移動性、安全性、時延、可靠性，甚至是計費方式的要求是不一樣的，因此，需要將一張物理網路分成多個虛擬網路，每個虛擬網路面向不同的應用場景需求。虛擬網路間是邏輯獨立的，互不影響。


只有實現NFV/SDN之後，才能實現網路切片，不同的切片依靠NFV和SDN通過共享的物理/虛擬資源池來創建。網路切片還包含MEC資源和功能。


4 多接入邊緣計算（MEC）

多接入邊緣計算（MEC），就是位於網路邊緣的、基於雲的IT計算和存儲環境。它使數據存儲和計算能力部署於更靠近用戶的邊緣，從而降低了網路時延，可更好的提供低時延、高寬頻應用。


MEC可通過開放生態系統引入新應用，從而幫助運營商提供更豐富的增值服務，比如數據分析、定位服務、AR和數據緩存等。

前傳和回傳

5 前傳和回傳技術

回傳（Backhaul）指無線接入網連接到核心網的部分，光纖是回傳網路的理想選擇，但在光纖難以部署或部署成本過高的環境下，無線回傳是替代方案，比如點對點微波、毫米波回傳等，此外，無線mesh網路也是5G回傳的一個選項，在R16里，5G無線本身將被設計為無線回傳技術，即IAB（5G NR集成無線接入和回傳）。

前傳（Fronthaul）指BBU池連接拉遠RRU部分，如C-RAN章節所述。前傳鏈路容量主要取決於無線空口速率和MIMO天線數量，4G前傳鏈路採用CPRI（通用公共無線介面）協議，但由於5G無線速率大幅提升、MIMO天線數量成倍增加，CPRI無法滿足5G時代的前傳容量和時延需求，為此，標準組織正在積極研究和制定新的前傳技術，包括將一些處理能力從BBU下沉到RRU單元，以減小時延和前傳容量等。

無線接入網

為了提升容量、頻譜效率，降低時延，提升能效，以滿足5G關鍵KPI，5G無線接入網包含的關鍵技術包括：C-RAN、SDR（軟體定義無線電）、CR（認知無線電）、Small Cells、自組織網路、D2D通信、Massive MIMO、毫米波、高級調製和接入技術、帶內全雙工、載波聚合、低時延和低功耗技術等。

6 雲無線接入網（C-RAN）

雲無線接入網（C-RAN），將無線接入的網路功能軟體化為虛擬化功能，並部署於標準的雲環境中。C-RAN概念由集中式RAN發展而來，目標是為了提升設計靈活性和計算可擴展性，提升能效和減少集成成本。在C-RAN構架下，BBU功能是虛擬化的，且集中化、池化部署，RRU與天線分散式部署，RRU通過前傳網路連接BBU池， BBU池可共享資源、靈活分配處理來自各個RRU的信號。

C-RAN的優勢是，可以提升計算效率和能效，易於實現CoMP（協同多點傳輸）、多RAT、動態小區配置等更先進的聯合優化方案，但C-RAN的挑戰是前傳網路設計和部署的複雜性。

7 軟體定義無線電（SDR）

軟體定義無線電（SDR），可實現部分或全部物理層功能在軟體中定義。需要注意軟體定義無線電和軟體控制無線電的區別，後者僅指物理層功能由軟體控制。

在SDR中可實現調製、解調、濾波、通道增益和頻率選擇等一些傳統的物理層功能，這些軟體計算可在通用晶元、GPU、DSP、FPGA和其他專用處理晶元上完成。

8 認知無線電（CR）

認知無線電（CR），通過了解無線內部和外部環境狀態實時做出行為決策。SDR被認為是CR的使能技術，但CR包括和可使能多種技術應用，比如動態頻譜接入、自組織網路、認知無線電抗干擾系統、認知網關、認知路由、實時頻譜管理、協作MIMO等。

9 Small Cells

Small Cells，就是小基站（小小區），相較於傳統宏基站，Small Cells的發射功率更低，覆蓋範圍更小，通常覆蓋10米到幾百米的範圍，通常Small Cells根據覆蓋範圍的大小依次分為微蜂窩、Picocell和家庭Femtocell。

Small Cells的使命是不斷補充宏站的覆蓋盲點和容量，以更低成本的方式提高網路服務質量。考慮5G無線頻段越來越高，未來還將部署5G毫米波頻段，無線信號頻段更高，覆蓋範圍越小，加之未來多場景下的用戶流量需求不斷攀升，后5G時代必將部署大量Small Cells，這些Small Cells將與宏站組成超級密集的混合異構（HetNet）網路，這將為網路管理、頻率干擾等帶來空前的複雜性挑戰。

10 自組織網路（SON）

自組織網路（SON），指可自動協調相鄰小區、自動配置和自優化的網路，以減少網路干擾，提升網路運行效率。

SON並不是新鮮概念，早在3G時代就提出，但進入5G時代，SON將是一項至關重要的技術。如上所述，5G時代網路緻密化給網路干擾和管理提出了空前的複雜性挑戰，更需要SON來最小化網路干擾和管理，但即便是SON恐怕也難以應付超級密集的5G網路，因此，還需要上文提到的CR（認知無線電）技術來幫忙。

11 設備到設備通信（D2D）

設備到設備通信（D2D），指數據傳輸不通過基站，而是允許一個移動終端設備與另一個移動終端設備直接通信。D2D源於4G時代，被稱為LTE Proximity Services (ProSe)技術，是一種基於3GPP通信系統的近距離通信技術，主要包括兩大功能：

Direct discovery，直連發現功能，終端發現周圍有可以直連的終端；

Direct communication，直連通信，與周圍的終端進行數據交互。

在4G時代D2D通信主要僅應用於公共安全領域，進入5G時代，由於車聯網、自動駕駛、可穿戴設備等物聯網應用將大量興起，D2D通信的應用範圍必將大大擴展，但會面臨安全性和資源分配公平性挑戰。

13 Massive MIMO

要提升無線網速，主要的辦法之一是採用多天線技術，即在基站和終端側採用多個天線，組成MIMO系統。MIMO系統被描述為M×N，其中M是發射天線的數量，N是接收天線的數量（比如4×2 MIMO）。

如果MIMO系統僅用於增加一個用戶的速率，即佔用相同時頻資源的多個并行的數據流發給同一個用戶，稱之為單用戶MIMO（SU-MIMO）；如果MIMO系統用於多個用戶，多個終端同時使用相同的時頻資源進行傳輸，稱之為多用戶MIMO（MU-MIMO），MU-MIMO可大幅提升頻譜效率。

多天線還應用于波束賦形技術，即通過調整每個天線的幅度和相位，賦予天線輻射圖特定的形狀和方向，使無線信號能量集中於更窄的波束上，並實現方向可控，從而增強覆蓋範圍和減少干擾。

Massive MIMO就是採用更大規模數量的天線，目前5G主要採用的64x64 MIMO。Massive MIMO可提升大幅無線容量和覆蓋範圍，但面臨通道估計準確性（尤其是高速移動場景）、多終端同步、功耗和信號處理的計算複雜性等挑戰。

14 毫米波（mmWave）

毫米波（mmWave），指RF頻率在30GHz和300GHz之間的無線電波，波長範圍從1mm到10mm。5G與2/3/4G最大的區別之一是引入了毫米波。毫米波的缺點是傳播損耗大，穿透能力弱，毫米波的優點是帶寬大、速率高，Massive MIMO天線體積小，因此適合Small Cells、室內、固定無線和回傳等場景部署。

15 波形和多址接入技術

4G時代採用OFDM技術，OFDM具有減少小區間干擾、抗多徑干擾、可降低發射機和接收機的實現複雜度，以及與多天線MIMO技術兼容等優點。但到了5G時代，由於定義了增強型移動寬頻（eMBB）、大規模機器類型通信（mMTC）和超可靠低延遲通信（uRLLC）三大應用場景，這些場景不但要考慮抗多徑干擾、與MIMO的兼容性等問題，還對頻譜效率、系統吞吐量、延遲、可靠性、可同時接入的終端數量、信令開銷、實現複雜度等提出了新的要求。為此，5G R15使用了CP-OFDM波形並能適配靈活可變的參數集，以靈活支持不同的子載波間隔，復用不同等級和時延的5G業務。對於5G mMTC場景，由於正交多址（OMA）可能無法滿足其所需的連接密度，非正交多址（NOMA）方案成為廣泛討論的對象。

16 帶內全雙工（IBFD）

帶內全雙工（IBFD），可能是5G時代最希望得到突破的技術之一。不管是FDD還是TDD都不是全雙工，因為都不能實現在同一頻率通道下同時進行發射和接收信號，而帶內全雙工則可以在相同的頻段中實現同時發送和接收，這與半雙工方案相比可以將傳輸速率提高兩倍。

不過，帶內全雙工會帶來強大的自干擾，要實現這一技術關鍵是要消除自干擾，但值得一提的是，自干擾消除技術在不斷進步，最新的一些研究和實驗結果已讓業界看到了希望，但最大的挑戰是實現複雜度和成本太高。

17 載波聚合和雙連接技術

載波聚合（CA），通過組合多個獨立的載波通道來提升帶寬，來實現提升數據速率和容量。載波聚合分為帶內連續、帶內非連續和帶間不連續三種組合方式，實現複雜度依次增加。

載波聚合已在4G LTE中採用，並且將成為5G的關鍵技術之一。5G物理層可支持聚合多達16個載波，以實現更高速傳輸。

雙連接（DC），就是手機在連接態下可同時使用至少兩個不同基站的無線資源(分為主站和從站)。雙連接引入了」分流承載「的概念，即在PDCP層將數據分流到兩個基站，主站用戶面的PDCP層負責PDU編號、主從站之間的數據分流和聚合等功能。

雙連接不同於載波聚合，主要表現在數據分流和聚合所在的層不一樣。

未來，4G與5G將長期共存，4G無線接入網與5G NR的雙連接（EN-DC）、5G NR與4G無線接入網的雙連接（NE-DC）、5G核心網下的4G無線接入網與5G NR的雙連接（NGEN-DC）、5G NR與5G NR的雙連接等不同的雙連接形式將在5G網路演進中長期存在。

18 低時延技術

為了滿足5G URLLC場景，比如自動駕駛、遠程控制等應用，低時延是5G關鍵技術之一。為了降低網路數據包傳輸時延，5G主要從無線空口和有線回傳兩方面來實現。在無線空口側，5G主要通過縮短TTI時長、增強調度演演算法等來減低空口時延；在有線回傳方面，通過MEC部署，使數據和計算更接近用戶側，從而減少網路回傳帶來的物理時延。

19 低功耗廣域網路技術（LPWA）

mMTC是5G的一大場景，5G的目標是萬物互聯，考慮未來物聯網設備數量指數級增長，LPWA（低功耗廣域網路）技術在5G時代至關重要。

一些LPWA（低功耗廣域網路）技術正在廣泛部署，比如LTE-M（也稱為CAT-M1）、NB-IoT（CAT-NB1）、Lora、Sigfox等，功耗低、覆蓋廣、成本低和連接數量大，是這些技術共有的特點，但這些技術特點之間本身是相互矛盾的：一方面，我們通過降低功耗的辦法，比如讓物聯網終端發送完數據后就進入休眠狀態，比如縮小覆蓋範圍，來延長電池壽命（通常幾年到10年）；另一方面，我們又不得不增加每bit的傳輸功率和降低數據速率來增強覆蓋範圍，因此，根據不同的應用場景權衡利弊，在這些矛盾中尋求最佳的平衡點，是LPWA技術的長期課題。

在4G時代已定義了NB-IoT和LTE-M兩大蜂窩物聯網技術，NB-IoT和LTE-M將繼續從4G R13、R14一路演進到5G R15、R16、R17，它們屬於未來5G mMTC場景，是5G萬物互聯的重要組成部分。

20 衛星通信

衛星通信接入已被納入5G標準。與2/3/4G網路相比，5G是「網路的網路」，衛星通信將整合到5G構架中，以實現由衛星、地面無線和其他電信基礎設施組成天地一體的無縫網際網路路，未來5G流量將根據帶寬、時延、網路環境和應用需求等在無縫互聯的網路中動態流動。

這些技術，再不了解，你就OUT了！