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5G的基本特点与关键技术

2018年5月31日 14:53  工信头条  作 者:项立刚

从1G到4G,移动通信的核心是人与人之间的通信,个人的通信是移动通信的核心业务。但是5G的通信不仅仅是人的通信,而是物联网、工业自动化、无人驾驶被引入,通信从人与人之间通信开始转向人与物的通信,直至机器与机器的通信。

第五代移动通信技术(5G)是目前移动通信技术发展的最高峰,也是人类希望不仅改变生活,更要改变社会的重要力量。

5G是在4G基础上,对于移动通信提出更高的要求,它不仅在速度而且还在功耗、时延等多个方面有了全新的提升。由此业务也会有巨大提升,互联网的发展也将从移动互联网进入智能互联网时代。

5G的三大场景

国际标准化组织3GPP定义了5G的三大场景。其中,eMBB指3D/超高清视频等大流量移动宽带业务,mMTC指大规模物联网业务,URLLC指如无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。

通过3GPP的三大场景定义我们可以看出,对于5G,世界通信业的普遍看法是它不仅应具备高速度,还应满足低时延这样更高的要求,尽管高速度依然是它的一个组成部分。从1G到4G,移动通信的核心是人与人之间的通信,个人的通信是移动通信的核心业务。但是5G的通信不仅仅是人的通信,而且是物联网、工业自动化、无人驾驶等业务被引入,通信从人与人之间通信,开始转向人与物的通信,直至机器与机器之间的通信。

5G的三大场景显然对通信提出了更高的要求,不仅要解决一直需要解决的速度问题,把更高的速率提供给用户;而且对功耗、时延等提出了更高的要求,一些方面已经完全超出了我们对传统通信的理解,把更多的应用能力整合到5G中。这就对通信技术提出了更高要求。在这三大场景下,5G具有6大基本特点。

5G的六大基本特点

高速度

相对于4G,5G要解决的第一个问题就是高速度。网络速度提升,用户体验与感受才会有较大提高,网络才能面对VR/超高清业务时不受限制,对网络速度要求很高的业务才能被广泛推广和使用。因此,5G第一个特点就定义了速度的提升。

其实和每一代通信技术一样,确切说5G的速度到底是多少是很难的,一方面峰值速度和用户的实际体验速度不一样,不同的技术不同的时期速率也会不同。对于5G的基站峰值要求不低于20Gb/s,当然这个速度是峰值速度,不是每一个用户的体验。随着新技术使用,这个速度还有提升的空间。

这样一个速度,意味着用户可以每秒钟下载一部高清电影,也可能支持VR视频。这样的高速度给未来对速度有很高要求的业务提供了机会和可能。

泛在网

随着业务的发展,网络业务需要无所不包,广泛存在。只有这样才能支持更加丰富的业务,才能在复杂的场景上使用。泛在网有两个层面的含义。一是广泛覆盖,一是纵深覆盖。

广泛是指我们社会生活的各个地方,需要广覆盖,以前高山峡谷就不一定需要网络覆盖,因为生活的人很少,但是如果能覆盖5G,可以大量部署传感器,进行环境、空气质量甚至地貌变化、地震的监测,这就非常有价值。5G可以为更多这类应用提供网络。

纵深是指我们生活中,虽然已经有网络部署,但是需要进入更高品质的深度覆盖。我们今天家中已经有了4G网络,但是家中的卫生间可能网络质量不是太好,地下停车库基本没信号,现在是可以接受的状态。5G的到来,可把以前网络品质不好的卫生间、地下停车库等都用很好的5G网络广泛覆盖。

一定程度上,泛在网比高速度还重要,只是建一个少数地方覆盖、速度很高的网络,并不能保证5G的服务与体验,而泛在网才是5G体验的一个根本保证。在3GPP的三大场景没有讲泛在网,但是泛在的要求是隐含在所有场景中的。

低功耗

5G要支持大规模物联网应用,就必须要有功耗的要求。这些年,可穿戴产品有一定发展,但是遇到很多瓶颈,最大的瓶颈是体验较差。以智能手表为例,每天充电,甚至不到一天就需要充电。所有物联网产品都需要通信与能源,虽然今天通信可以通过多种手段实现,但是能源的供应只能靠电池。通信过程若消耗大量的能量,就很难让物联网产品被用户广泛接受。

如果能把功耗降下来,让大部分物联网产品一周充一次电,甚或一个月充一次电,就能大大改善用户体验,促进物联网产品的快速普及。eMTC基于LTE协议演进而来,为了更加适合物与物之间的通信,也为了更低的成本,对LTE协议进行了裁剪和优化。eMTC基于蜂窝网络进行部署,其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽,可以直接接入现有的LTE网络。eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率。而NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180kHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT其实基于GSM网络和UMTS网络就可以进行部署,它不需要和5G的核心技术那样需重新建设网络,但是,虽然它部署在GSM和UMTS的网络上,还是一个重新建设的网络,而它的能力是大大降低功耗,也是为了满足5G对于低功耗物联网应用场景的需要,和eMTC一样,是5G网络体系的一个组成部分。

低时延

5G的一个新场景是无人驾驶、工业自动化的高可靠连接。人与人之间进行信息交流,140毫秒的时延是可以接受的,但是如果这个时延用于无人驾驶、工业自动化就无法接受。5G对于时延的最低要求是1毫秒,甚至更低。这就对网络提出严酷的要求。而5G是这些新领域应用的必然要求。

无人驾驶汽车,需要中央控制中心和汽车进行互联,车与车之间也应进行互联,在高速度行动中,一个制动,需要瞬间把信息送到车上做出反应,100毫秒左右的时间,车就会冲出几十米,这就需要在最短的时延中,把信息送到车上,进行制动与车控反应。

无人驾驶飞机更是如此。如数百架无人驾驶编队飞行,极小的偏差就会导致碰撞和事故,这就需要在极小的时延中,把信息传递给飞行中的无人驾驶飞机。工业自动化过程中,一个机械臂的操作,如果要做到极精细化,保证工作的高品质与精准性,也是需要极小的时延,最及时地做出反应。这些特征,在传统的人与人通信,甚至人与机器通信时,要求都不那么高,因为人的反应是较慢的,也不需要机器那么高的效率与精细化。而无论是无人驾驶飞机、无人驾驶汽车还是工业自动化,都是高速度运行,还需要在高速中保证及时信息传递和及时反应,这就对时延提出了极高要求。

要满足低时延的要求,需要在5G网络建构中找到各种办法,减少时延。边缘计算这样的技术也会被采用到5G的网络架构中。

万物互联

传统通信中,终端是非常有限的,固定电话时代,电话是以人群为定义的。而手机时代,终端数量有了巨大爆发,手机是按个人应用来定义的。到了5G时代,终端不是按人来定义,因为每人可能拥有数个,每个家庭可能拥有数个终端。

2018年,中国移动终端用户已经达到14亿,这其中以手机为主。而通信业对5G的愿景是每一平方公里,可以支撑100万个移动终端。未来接入到网络中的终端,不仅是我们今天的手机,还会有更多千奇百怪的产品。可以说,我们生活中每一个产品都有可能通过5G接入网络。我们的眼镜、手机、衣服、腰带、鞋子都有可能接入网络,成为智能产品。家中的门窗、门锁、空气净化器、新风机、加湿器、空调、冰箱、洗衣机都可能进入智能时代,也通过5G接入网络,我们的家庭成为智慧家庭。

而社会生活中大量以前不可能联网的设备也会进行联网工作,更加智能。汽车、井盖、电线杆、垃圾桶这些公共设施,以前管理起来非常难,也很难做到智能化。而5G可以让这些设备都成为智能设备。

重构安全

安全问题似乎并不是3GPP讨论的基本问题,但是它也应该成为5G的一个基本特点。

传统的互联网要解决的是信息速度、无障碍的传输,自由、开放、共享是互联网的基本精神,但是在5G基础上建立的是智能互联网。智能互联网不仅是要实现信息传输,还要建立起一个社会和生活的新机制与新体系。智能互联网的基本精神是安全、管理、高效、方便。安全是5G之后的智能互联网第一位的要求。假设5G建设起来却无法重新构建安全体系,那么会产生巨大的破坏力。

如果我们的无人驾驶系统很容易攻破,就会像电影上展现的那样,道路上汽车被黑客控制,智能健康系统被攻破,大量用户的健康信息被泄露,智慧家庭被攻破,家中安全根本无保障。这种情况不应该出现,出了问题也不是修修补补可以解决的。

在5G的网络构建中,在底层就应该解决安全问题,从网络建设之初,就应该加入安全机制,信息应该加密,网络并不应该是开放的,对于特殊的服务需要建立起专门的安全机制。网络不是完全中立、公平的。举一个简单的例子:网络保证上,普通用户上网,可能只有一套系统保证其网络畅通,用户可能会面临拥堵。但是智能交通体系,需要多套系统保证其安全运行,保证其网络品质,在网络出现拥堵时,必须保证智能交通体系的网络畅通。而这个体系也不是一般终端可以接入实现管理与控制的。

5G的关键技术

5G作为新一代的移动通信技术,它的网络结构、网络能力和要求都与过去有很大不同,有大量技术被整合在其中。其核心技术简述如下:

基于OFDM优化的波形和多址接入

5G采用基于OFDM化的波形和多址接入技术,因为OFDM技术被当今的 4G LTE 和 Wi-Fi 系统广泛采用,因其可扩展至大带宽应用,而具有高频谱效率和较低的数据复杂性,能够很好地满足 5G 要求。OFDM 技术家族可实现多种增强功能,例如通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务间提高多路传输效率,以及创建单载波OFDM波形,实现高能效上行链路传输。

实现可扩展的OFDM间隔参数配置

通过OFDM子载波之间的15kHz间隔(固定的OFDM参数配置),LTE最高可支持20 MHz的载波带宽。为了支持更丰富的频谱类型/带(为了连接尽可能丰富的设备,5G将利用所有能利用的频谱,如毫米微波、非授权频段)和部署方式。5G NR将引入可扩展的OFDM间隔参数配置。这一点至关重要,因为当FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)为更大带宽扩展尺寸时,必须保证不会增加处理的复杂性。而为了支持多种部署模式的不同信道宽度, 5G NR必须适应同一部署下不同的参数配置,在统一的框架下提高多路传输效率。另外,5G NR也能跨参数实现载波聚合,比如聚合毫米波和6GHz以下频段的载波。

OFDM加窗提高多路传输效率

5G将被应用于大规模物联网,这意味着会有数十亿设备在相互连接,5G势必要提高多路传输的效率,以应对大规模物联网的挑战。为了相邻频带不相互干扰,频带内和频带外信号辐射必须尽可能小。OFDM能实现波形后处理(post-processing),如时域加窗或频域滤波,来提升频率局域化。

灵活的框架设计

设计5G NR的同时,采用灵活的5G网络架构,进一步提高5G服务多路传输的效率。这种灵活性既体现在频域,更体现在时域上,5G NR的框架能充分满足5G的不同服务和应用场景。这包括可扩展的时间间隔(STTI,Scalable Transmission Time Interval ),自包含集成子帧(Self-contained integrated subframe)。

先进的新型无线技术

5G演进的同时,LTE本身也还在不断进化(比如最近实现的千兆级4G+),5G不可避免地要利用目前用在4G LTE上的先进技术,如载波聚合、MIMO、非共享频谱等。这包括众多成熟的通信技术:

大规模MIMO:从2×2提高到了目前4×4 MIMO。更多的天线也意味着占用更多的空间,要在空间有限的设备中容纳进更多天线显然不现实,只能在基站端叠加更多MIMO。从目前的理论来看,5G NR 可以在基站端使用最多256根天线,而通过天线的二维排布,可以实现3D波束成型,从而提高信道容量和覆盖。

毫米波:全新5G技术正首次将频率大于24GHz以上频段(通常称为毫米波)应用于移动宽带通信。大量可用的高频段频谱可提供极致数据传输速度和容量,这将重塑移动体验。但毫米波的利用并非易事,使用毫米波频段传输更容易造成路径受阻与损耗(信号衍射能力有限)。通常情况下,毫米波频段传输的信号甚至无法穿透墙体,此外,它还面临着波形和能量消耗等问题。

频谱共享:用共享频谱和非授权频谱,可将5G扩展到多个维度,实现更大容量、使用更多频谱、支持新的部署场景。这不仅将使拥有授权频谱的移动运营商受益,而且会为没有授权频谱的厂商创造机会,如有线运营商、企业和物联网垂直行业,使他们能够充分利用5G NR技术。5G NR原生地支持所有频谱类型,并通过前向兼容灵活地利用全新的频谱共享模式。

先进的信道编码设计:目前LTE网络的编码还不足以应对未来的数据传输需求,因此迫切需要一种更高效的信道编码设计,以提高数据传输速率,并利用更大的编码信息块契合移动宽带流量配置,同时,还要继续提高现有信道编码技术(如LTE Turbo)的性能极限。 LDPC的传输效率远超LTE Turbo,且易平行化的解码设计,能以低复杂度和低时延,扩展达到更高的传输速率。

超密集异构网络

5G网络是一个超复杂的网络,在2G时代,几万个基站就可以做全国的网络覆盖,但是到了4G中国的网络超过500万个。而5G需要做到每平方公里支持100万个设备,这个网络必须非常密集,需要大量的小基站来进行支撑。同样一个网络中,不同的终端需要不同的速率、功耗,也会使用不同的频率,对于QoS的要求也不同。这样的情况下,网络很容易造成相互之间的干扰。5G网络需要采用一系列措施来保障系统性能:不同业务在网络中的实现、各种节点间的协调方案、网络的选择以及节能配置方法等。

在超密集网络中,密集地部署使得小区边界数量剧增,小区形状也不规则,用户可能会频繁复杂地切换。为了满足移动性需求,这就需要新的切换算法。

总之,一个复杂的、密集的、异构的、大容量的、多用户的网络,需要平衡、保持稳定、减少干扰,这需要不断完善算法来解决这些问题。

网络的自组织

自组织的网络是5G的重要技术,这就是网络部署阶段的自规划和自配置;网络维护阶段的自优化和自愈合。自配置即新增网络节点的配置可实现即插即用,具有低成本、安装简易等优点。自规划的目的是动态进行网络规划并执行,同时满足系统的容量扩展、业务监测或优化结果等方面的需求。自愈合指系统能自动检测问题、定位问题和排除故障,大大减少维护成本并避免对网络质量和用户体验的影响。

SON技术应用于移动通信网络时,其优势体现在网络效率和维护方面,同时减少了运营商的支出和运营成本投入。由于现有的 SON 技术都是从各自网络的角度出发, 自部署、自配置、自优化和自愈合等操作具有独立性和封闭性,在多网络之间缺乏协作。

网络切片

就是把运营商的物理网络切分成多个虚拟网络,每个网络适应不同的服务需求,这可以通过时延、带宽、安全性、可靠性来划分不同的网络,以适应不同的场景。通过网络切片技术在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络,从而避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络,这样可以大大节省部署的成本。

在同一个5G网络上,通过技术电信运营商会把网络切片为智能交通、无人机、智慧医疗、智能家居以及工业控制等多个不同的网络,将其开放给不同的运营者,这样一个切片的网络在带宽、可靠性能力上也有不同的保证,计费体系、管理体系也不同。在切片的网络中,各个业务提供商,不是如4G一样,都使用一样的网络、一样的服务。很多能力变得不可控。5G切片网络,可以向用户提供不一样的网络、不同的管理、不同的服务、不同的计费,让业务提供者更好地使用5G网络。

内容分发网络

在5G网络中,会存在大量复杂业务,尤其是一些音频、视频业务大量出现,某些业务会出现瞬时爆炸性的增长,这会影响用户的体验与感受。这就需要对网络进行改造,让网络适应内容爆发性增长的需要。

内容分发网络是在传统网络中添加新的层次,即智能虚拟网络。CDN 系统综合考虑各节点连接状态、负载情况以及用户距离等信息,通过将相关内容分发至靠近用户的CDN代理服务器上、实现用户就近获取所需的信息,使得网络拥塞状况得以缓解,缩短响应时间,提高响应速度。

源服务器只需要将内容发给各个代理服务器,便于用户从就近的带宽充足的代理服务器上获取内容,降低网络时延并提高用户体验。CDN技术的优势正是为用户快速地提供信息服务,同时有助于解决网络拥塞问题。CDN技术成为5G必备的关键技术之一 。

设备到设备通信

这是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术。设备到设备通信(D2D)会话的数据直接在终端之间进行传输,不需要通过基站转发,而相关的控制信令,如会话的建立、维持、无线资源分配以及计费、 鉴权、识别、移动性管理等仍由蜂窝网络负责。蜂窝网络引入D2D通信,可以减轻基站负担,降低端到端的传输时延,提升频谱效率,降低终端发射功率。当无线通信基础设施损坏,或者在无线网络的覆盖盲区,终端可借助D2D实现端到端通信甚至接入蜂窝网络。在 5G 网络中,既可以在授权频段部署D2D通信,也可在非授权频段部署。

边缘计算

在靠近物或数据源头的一侧,采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台,就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起,产生更快的网络服务响应,满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。5G要实现低时延,如果数据都是要到云端和服务器中进行计算机和存储,再把指令发给终端,就无法实现低时延。边缘计算是要在基站上即建立计算和存储能力,在最短时间完成计算,发出指令。

软件定义网络和网络虚拟化

SDN架构的核心特点是开放性、灵活性和可编程性。它主要分为三层:基础设施层位于网络最底层,包括大量基础网络设备,该层根据控制层下发的规则处理和转发数据;中间层为控制层,该层主要负责对数据转发面的资源进行编排,控制网络拓扑、收集全局状态信息等;最上层为应用层,该层包括大量的应用服务,通过开放的北向API对网络资源进行调用。NFV作为一种新型的网络架构与构建技术, 其倡导的控制与数据分离、软件化、虚拟化思想,为突破现有网络的困境带来了希望。

5G是一个复杂的体系,在5G基础上建立的网络,不仅要提升网络速度,同时还提出了更多的要求。未来5G网络中的终端也不仅是手机,而是有汽车、无人驾驶飞机、家电、公共服务设备等多种设备。4G改变生活,5G改变社会。5G将会是社会进步、产业推动、经济发展的重要推进器。

编 辑:章芳
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