5G技术发展及对基础设施的影响

5G技术发展及对基础设施的影响一、5G技术演进15G的关键能力和关键技术（1）5G的关键能力回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义，其中，1G采用频分多址（FDMA），只能提供模拟语音业务；2G主要采用时分多址（TDMA），可提供数字语音和低速数据业务；3G以码分多址（CDMA）为技术特征，用户峰值速率达到2Mbps至数10Mbps，可以支持多媒体数据业务；4G以正交频分多址（OFDMA）技术为核心，用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps，能够支持各种移动宽带数据业务。5G需要具备比4G更高的性能，支持0.1～1Gbps的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数10Tbps的流量密度，每小时500Km以上的移动性和数10Gbps的峰值速率。其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。同时，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，相比4G，频谱效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。性能需求和效率需求共同定义了5G的关键能力，犹如一株绽放的鲜花。红花绿叶，相辅相成，花瓣代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶代表了三个效率指标，是实现5G可持续发展的基本保障。（2）5G的关键技术面对多样化场景的极端差异化性能需求，5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案，5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。在无线技术领域，大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点；在网络技术领域，基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的新型网络架构已取得广泛共识。此外，基于滤波的正交频分复用（F-OFDM）、滤波器组多载波（FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通（D2D）、多元低密度奇偶检验（Q-aryLDPC）码、网络编码、极化码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。25G的应用场景面向2020年及未来，5G将解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战，不同应用场景面临的性能挑战有所不同，用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可能成为不同场景的挑战性指标。国际电信联盟ITU召开的ITU-RWP5D第22次会议上确定了未来的5G具有以下三大主要的应用场景：1）增强型移动宽带；2）超高可靠与低延迟的通信；3）大规模机器类通信。具体包括：Gbps移动宽带数据接入、智慧家庭、智能建筑、语音通话、智慧城市、三维立体视频、超高清晰度视频、云工作、云娱乐、增强现实、行业自动化、紧急任务应用、自动驾驶汽车等。IMT-2020（5G）从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发，将5G主要应用场景纳出为：连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个主要技术场景，与ITU的三大应用场景基本一致。（1）应用场景连续广域覆盖场景，是移动通信最基本的覆盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣环境）为用户提供100Mbps以上的用户体验速率。热点高容量场景，主要面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。1Gbps用户体验速率、数10Gbps峰值速率和数10Tbps/km2的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。低功耗大连接场景，主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。低时延高可靠场景，主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求，也是传统的4G主要技术场景。低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持地物联网及垂直行业应用。（2）5G技术场景和关键技术的关系连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接等四个5G典型技术场景具有不同的挑战性指标需求，在考虑不同技术共存可能性的前提下，需要合理选择关键技术的组合来满足这些需求。在连续广域覆盖场景，受限于站址和频谱资源，为了满足100Mbps用户体验速率需求，除了需要尽可能多的低频段资源外，还要大幅提升系统频谱效率。大规模天线阵列是其中最主要的关键技术之一，新型多址技术可与大规模天线阵列相结合，进一步提升系统频谱效率和多用户接入能力。在网络架构方面，综合多种无线接入能力以及集中的网络资源协同与QoS控制技术，为用户提供稳定的体验速率保证。在热点高容量场景，极高的用户体验速率和极高的流量密度是该场景面临的主要挑战，超密集组网能够更有效地复用频率资源，极大提升单位面积内的频率复用效率；全频谱接入能够充分利用低频和高频的频率资源，实现更高的传输速率；大规模天线、新型多址等技术与前两种技术相结合，可实现频谱效率的进一步提升。在低功耗大连接场景，海量的设备连接、超低的终端功耗与成本是该场景面临的主要挑战。新型多址技术通过多用户信息的叠加传输可成倍提升系统的设备连接能力，还可通过免调度传输有效降低信令开销和终端功耗；F-OFDM和FBMC等新型多载波技术在灵活使用碎片频谱、支持窄带和小数据包、降低功耗与成本方面具有显著优势；此外，终端直接通信（D2D）可避免基站与终端间的长距离传输，可实现功耗的有效降低。在低时延高可靠场景，应尽可能降低空口传输时延、网络转发时延及重传概率，以满足极高的时延和可靠性要求。为此，需采用更短的帧结构和更优化的信令流程，引入支持免调度的新型多址和D2D等技术以减少信令交互和数据中转，并运用更先进的调制编码和重传机制以提升传输可靠性。此外，在网络架构方面，控制云通过优化数据传输路径，控制业务数据靠近转发云和接入云边缘，可有效降低网络传输时延。35G的网络架构EPC中有四大组件：MME：移动管理实体，负责网络连通性的管理，主要包括用户终端的认证和授权、会话建立以及移动性管理；HSS：归属用户服务器，作为用户数据集为MME提供用户相关的数据，以此来协助MME的管理工作；SGW：服务网关，负责数据包路由和转发，将接收到的用户数据转发给指定的PGW，并将返回的数据交付给eNB；PGW：PDN网关，负责为接入的用户分配IP地址以及进行用户平面QoS的管理，并且是PND网络的进入点。从图中的虚线和实线标记可以看出，MME仅承担控制面功能，但是SGW和PGW既承担大部分用户平面功能，又承担一部分控制平面功能，这就使得用户平面和控制平面严重耦合，从而限制了EPC的开放性和灵活性。另一方面，在这种架构下，很多网络元素必须运行于配备专用硬件的多个刀片式服务器上，这对于运营商来说是极大的开销。为此，5G网络架构中引入了SDN（软件定义网络）和NFV（网络功能虚拟化）这两种技术来解决EPC存在的耦合问题。（1）SDNSDN（SoftwareDefinedNetwork），软件定义网络。是Emulex网络一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，负责分离控制面和数据面，将网络控制面整合于一体。这样，网络控制面对网络数据面就有一个宏观的全面的视野。路由协议交换、路由表生成等路由功能均在统一的控制面完成。实现控制平面与数据平面分离的协议叫OpenFlow，OpenFlow是SDN一个网络协议。首先需要通过OpenFlow将网络拓扑镜像到控制面，控制面初始化网络拓扑，初始化完成后，控制面会实时更新网络拓扑，会向每个转发节点发送转发表，每个节点根据转发表在网络内传送用户数据。SDN技术是针对EPC控制平面与用户平面耦合问题提出的解决方案，将用户平面和控制平面解耦可以使得部署用户平面功能变得更灵活，可以将用户平面功能部署在离用户无线接入网更近的地方，从而提高用户服务质量体验，比如降低时延。（2）NFVNFV（NetworkFunctionVirtualization），网络功能虚拟化。通过使用通用性硬件以及虚拟化技术，来承载很多功能的软件处理。从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。NFV技术颠覆了传统电信封闭专用平台的思想，同时引入灵活的弹性资源管理理念，因此，ETSINFV提出了突破传统网元功能限制、全新通用的NFV架构下图所示。NFV技术主要由3个部分构成：VNF（虚拟网络层，VirtualizedNetworkFunction）、NFVI（网络功能虚拟化基础设施NFVI，NFVInfrastructure)和MANO（NFV管理与编排，ManagementandOrchestration)。VNF，是共享同一物理OTS服务器的VNF集。对应的就是各个网元功能的软件实现，比如EPC网元、IMS网元等的逻辑实现。NFVI，可以将它理解为基础设施层，从云计算的角度看，就是一个资源池。NFVI需要将物理计算/存储/交换资源，通过虚拟化转换为虚拟的计算/存储/交换资源池。NFVI映射到物理基础设施，就是多个地理上分散的数据中心，通过高速通信网连接起来。NFVMANO，基于不同的服务等级协议（ServiceLevelAgreements，SLAs），NFVMANO运营支撑层负责公平的分配物理资源，同时还负责冗余管理、错误管理和弹性调整等，相当于目前的OSS/BSS系统。NFV技术是针对EPC软件与硬件严重耦合问题提出的解决方案，这使得运营商可以在那些通用的的服务器、交换机和存储设备上部署网络功能，极大地降低时间和成本。4从4G到5G整体网络架构演变（1）5G网络空口至少支持20Gbps速率，用户10秒钟就能够下载一部UHD（超高清，分辨率4倍于全高清，9倍于高清）电影。（2）核心网功能分离，核心网用户面部分功能下沉至CO（中心主机房，相当于4G网络的eNodeB），从原来的集中式的核心网演变成分布式核心网，这样，核心网功能在地理位置上更靠近终端，减小时延。（3）分布式应用服务器（AS），AS部分功能下沉至CO（中心主机房，相当于4G网络的eNodeB）,并在CO部署MEC（MobileEdgeComputing，移动网络边界计算平台）。MEC有点类似于CDN（内容分发网络）的缓存服务器功能，但不仅于此。它将应用、处理和存储推向移动边界，使得海量数据可以得到实时、快速处理，以减少时延、减轻网络负担。（4）重新定义BBU和RRU功能，将PHY、MAC，或者RLC层从BBU分离下沉到RRU，以减小前传容量，降低前传成本。（5）通过NFV技术，就是将网络中的专用电信设备的软硬件功能（比如核心网中的MME,S/P-GW和PCRF，无线接入网中的数字单元DU等）转移到虚拟机（VMs，VirtualMachines）上，在通用的商用服务器上通过软件来实现网元功能。（6）5G网络通过SDN连接边缘云和核心云里的VMs（虚拟机），SDN控制器执行映射，建立核心云与边缘云之间的连接。网络切片也由SDN集中控制。SDN，NFV和云技术使网络从底层物理基础设施分开，变成更抽象灵活的以软件为中心的构架，可以通过编程，来提供业务连接。（7）网络切片。得益于NFV/SDN技术，5G网络将面向不同的应用场景，比如，超高清视频、虚拟现实、大规模物联网、车联网等等，不同的场景对网络的移动性、安全性、时延、可靠性，甚至是计费方式的要求是不一样的，因此，需要将物理网络切割成多个虚拟网络，每个虚拟网络面向不同的应用场景需求。虚拟网络间是逻辑独