原标题:独家解读:专家带你全面了解5G

  随着5G网络的日渐临近,大家对于5G也越来越期待。在5G正式来临之前,仔细了解5G的来龙去脉还是很有必要的。今天就带你真正了解我们国家大力布局的5G技术以及当前的现状。
  一、什么是5G标准?
  5G标准的发展有两种方案。一种是逐步提升技术,在当前的4GLTE技术基础上,提升网络容量和性能,发展到5GLTE。二是设计全新的网络结构和无线技术,建立全新的移动通信网络,这就是革命性的5G新无线(NR)。
  5GNR是一个新的无限接口,它将支持革命性的数据吞吐量、容量和效率提升,尤其是在6GHz以上频率——即通常所指的mmWave。这开放了大量新频谱,提供了新的容量。在设备上,mmWave支持将需要新的产品架构,并需要重大的技术设计和整合工作,因而将对客户产生颠覆性影响。这一标准目前仍在制定过程中,其中非独立版5G标准已于2017年12月完成。
  5GLTE是LTEAdvancedProRelease14的演进版。它是真正意义上的5G系统的一个重要组成部分,牵涉到多项LTEAdvancedPro功能,如,一致的用户体验、无缝切换、低成本、高覆盖以及低功率广域(LPWA)应用对较长电池寿命的要求等。
  为5GNR整合一个全新的技术和产品架构十分复杂,相比而比,在现有无线基础设施的基础上只需要进行软件升级即可支持大多数情况下的5GLTE。5GNR将需要新的基础设施和新建大量蜂窝站址。因此,大规模的5GLTE部署可能比5GNR更快速,5GNR直到2019—2020年才可能出现大规模商用部署。5GLTE产品过渡也将十分简单直接,就像从LTE过渡到LTEAdvanced一样。
  然而,虽然5GNR将需要一段时间的发展才能支持针对5G的海量机器类型通信等所有应用,但它将给客户带来颠覆性转变。
  下一代移动通信系统不仅仅是速度的加快。5G解决了4G技术的多个技术弱点,大大改善了服务质量、时延、数据吞吐量、能源效率以及系统性能。
  二、5G产业链
  对于5G整个产业链,可以简单分为上中下游三个方面。
  上游主要是基站升级(含基站射频、基带芯片)
  中游网络建设(网络规划设计公司、网络优化/维护公司)
  下游产品应用及终端产品应用场景构成。(云计算、车联网、物联网、VR/AR)
  上中下游里面又可以包括器件原材料、基站天线、小微基站、通信、网络设备、光纤光缆、光模块、系统集成与服务商、运营商等各细分产业链。
  三、5G关键技术
  1.NR新空口技术
  NR空口协议层的总体设计基于LTE,并进行了增强和优化。用户面在PDCP层上新增SDAP层,PDCP和RLC层功能进行了相关优化以降低时延和增强可靠性。控制面RRC层新增RRC_INACTIVE态,利于终端节电,降低控制面时延。在物理层,NR优化了参考信号设计,采用了更为灵活的波形和帧结构参数,降低了空口开销,利于前向兼容及适配多种不同应用场景的需求。
  LTE业务信道采用Turbo码,控制信道采用卷积码。NR则在业务信道采用可并行解码的LDPC码、控制信道主要采用Polar码。NR采用的信道编码理论性能更优,具有更低时延和更高吞吐量等特点。
  NR取消了LTE空口中的小区级参考信号CRS,保留UE级的参考信号DMRS、CSI-RS和SRS,并针对高频场景中的相位噪声,引入参考信号PTRS。NR主要的参考信号仅在连接态或有调度时传输,降低了基站的能耗和组网干扰,其结构更适合MassiveMIMO系统多天线端口发送。
  从3GPP协议来看,NR的空口设计十分灵活,但考虑设备实现和组网复杂度,在实际部署中应根据应用场景和频率资源,从空口协议中裁剪出一个简洁可行的技术方案。
  2.大规模天线技术
  5G基站天线数及端口数将有大幅度增长,可支持配置上百根天线和数十天线端口的大规模天线阵列,并通过多用户MIMO技术,支持更多用户的空间复用传输,数倍提升5G系统频谱效率,用于在用户密集的高容量场景提升用户体验。
  大规模天线阵列还可用于毫米波频段,通过波束赋形、波束扫描、波束切换等技术补偿毫米波频段带来的额外传播损耗,使毫米波频段基站能够用于室外蜂窝移动通信。大规模天线还需要采用数模混合架构减少毫米波射频器件数量,降低大规模天线器件成本。
  3.无线频率
  按照各频段特点,sub-6GHz(6GHz以下)频谱将兼顾覆盖与容量的需求,是峰值速率和覆盖能力两方面的理想折衷。6GHz以上频谱可以提供超大带宽和更大容量、更高速率,但是连续覆盖能力不足。目前,全球已有14个国家和地区对sub-6GHz频段做了5G规划,有6个国家和地区对6G以上频段做了5G规划。
  (全球5G频谱拍卖/分配计划 GSA 2018/1)
  4. 5G服务化架构及能力开放
  5G新型核心网架构支持控制与转发分离、网络功能模块化设计、接口服务化和IT化、增强的能力开放等新特性,以满足5G网络灵活、高效、开放的发展趋势。5G核心网实现了网络功能模块化以及控制功能与转发功能的完全分离。控制面可以集中部署,对转发资源进行全局调度;用户面则可按需集中或分布式灵活部署,当用户面下沉靠近网络边缘部署时,可实现本地流量分流,支持端到端毫秒级时延。
  (5G网络服务化架构)
  5G核心网控制平面功能借鉴了IT系统中服务化架构,采用基于服务的设计方案来描述控制面网络功能及接口交互。由于服务化架构采用IT化总线,服务模块可自主注册、发布、发现,规避了传统模块间紧耦合带来的繁复互操作,提高功能的重用性,简化业务流程实现。
  5G核心网增强了能力开放服务环境,NEF是能力开放的基本网络功能。基于NFV的编排能力是5G网络的重要能力集,编排能力的开放是客户可定制网络的5G创新业务模式的重要手段。
  5.网络切片
  网络切片是5G网络的重要使能技术,网络切片是端到端的逻辑子网,涉及核心网络(控制平面和用户平面)、无线接入网、IP承载网和传送网,需要多领域的协同配合。不同的网络切片之间可共享资源也可以相互隔离。网络切片的核心网控制平面采用服务化的架构部署,用户面根据业务对转发性能的要求,综合采用软件转发加速、硬件加速等技术实现用户面部署灵活性和处理性能的平衡;在保证频谱效率、系统容量、网络质量等关键指标不受影响的情况下,无线网络切片应重点关注空口时频资源的利用效率,采用灵活的帧结构、QoS区分等多种技术结合的方式实现无线资源的智能调度,并通过灵活的无线网络参数重配置功能,实现差异化的切片功能。
  3GPP定义的网络切片管理功能包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理。其中通信业务管理功能实现业务需求到网络切片需求的映射;网络切片管理功能实现切片的编排管理,并将整个网络切片的SLA分解为不同切片子网(如核心网切片子网、无线网切片子网和承载网切片子网)的SLA;网络切片子网管理功能实现将SLA映射为网络服务实例和配置要求,并将指令下达给MANO,通过MANO进行网络资源编排,对于承载网络的资源调度将通过与承载网络管理系统的协同来实现。
  6.承载网络
  5G对承载网的需求主要包括:高速率、超低时延、高可用性、高精度同步、灵活组网、支持网络切片、智能管控与协同。
  四、5G面临的主要挑战
  1.无线设备器件的挑战
  无线设备主要包括基带数字处理单元以及ADC/DAC/变频和射频前端等模拟器件。
  5G为了追求更高的吞吐量和更低的空口用户面时延,采用更短的调度周期及更快的HARQ反馈,对5G系统和终端要求更高基带处理能力,从而对数字基带处理芯片工艺带来更大挑战。
  5G支持的频段更高、载波带宽更宽、通道数更多,对模拟器件也提出了更高的要求,主要包括ADC/DAC、功放和滤波器。ADC/DAC为支持更宽的载波带宽(如1GHz),需支持更高的采样率。功放为支持4GHz以上高频段和更高的功放效率,需采用GaN材料。基站侧通道数激增,导致滤波器数量相应增加,工程上需进一步减小滤波器体积和重量,如采用陶瓷滤波器或小型化金属腔设计等有效手段。
  (基带数字处理单元)
  总之,模拟器件的主要挑战在于产业规模不足,新型功放器件的输出功率/效率、体积、成本、功耗以及新型滤波器的滤波性能等尚不满足5G规模商业化要求,特别是射频元器件和终端集成射频前端方面,尽管已具备一定研发和生产能力,但需要在产业规模、良品率、稳定性和性价比等方面进一步提升。至于未来的毫米波段,则无论是有源器件,还是无源器件,对性能要求更高,需要业界付出更大的努力。
  2.多接入融合的挑战
  移动通信系统从第一代到第四代,经历了迅猛的发展,现实网络逐步形成了包含多种无线制式、频谱利用和覆盖范围的复杂现状,多种接入技术长期共存成为突出特征。在5G时代,同一运营商拥有多张不同制式网络的状况将长期存在,多制式网络将至少包括4G、5G以及WLAN。如何高效的运行和维护多张不同制式的网络、不断减少运维成本、实现节能减排、提高竞争力是每个运营商都要面临和解决的问题。
  面向2020年及未来,移动互联网和物联网业务将成为移动通信发展的主要驱动力。如何实现多接入网络的高效动态管理与协调,同时满足5G的技术指标及应用场景需求是5G多网络融合的主要技术挑战。
  3.网络架构的挑战
  5G多网络融合架构中将包括5G、4G和WLAN等多个无线接入网和核心网。如何进行高效的架构设计,如核心网和接入网锚点的选择,同时兼顾网络改造升级的复杂度、对现网的影响等是网络架构研究需要解决的问题。
  (网络架构)
  4.数据分流的挑战
  5G多网络融合中的数据分流机制要求用户面数据能够灵活高效的在不同接入网传输;最小化对各接入网络底层传输的影响;需要根据部署场景和性能需求进行有效的分流层级选择,如核心网、IP或PDCP分流等。
  5.连接与移动性控制的挑战
  5G中包含了更多复杂的应用场景及更加多样的接入技术,同时引入了更高的移动性性能要求。与4G相比,5G网络中的连接管理和控制需要更加简化、高效、灵活。
  6.灵活高效承载技术的挑战
  承载网络的高速率、低时延、灵活性需求和成本限制:5G网络带宽相对4G预计有数十倍以上增长,导致承载网速率需求急剧增加,25G/50G高速率将部署到网络边缘,25G/50G光模块低成本实现和WDM传输是承载网的一大挑战;
  URLLC业务提出的毫秒量级超低时延要求则需要网络架构的扁平化和MEC的引入以及站点的合理布局,微秒量级超低时延性能是承载设备的另一个挑战;5G核心网云化及部分功能下沉、网络切片等需求导致5G回传网络对连接灵活性的要求更高,如何优化路由转发和控制技术,满足5G承载网路由灵活性和运维便利性需求,是承载网的第三个挑战。
  7.终端技术的挑战
  与4G终端相比,面对多样化场景的需求,5G终端将沿着形态多样化与技术性能差异化方向发展。5G初期的终端产品形态以eMBB场景下手机为主,其余场景(如URLLC和mMTC)的终端规划将随着标准与产业的成熟而逐步明朗。5G的多频段大带宽接入以及高性能指标对终端实现提出了天线、射频等方面的新挑战。从网络性能角度,未来5G手机在sub-6GHz(6GHz以下)频段可首先采用2T4R作为收发信机基本方案。天线数量增加将引起终端空间与天线效率问题,需对天线设计进行优化。对sub-6GHz频段的射频前端器件需根据5G新需求(如高频段、大带宽、新波形、高发射功率、低功耗等)进行硬件与算法优化,进一步推动该频段射频前端产业链发展。
  给大家详细解读了5G的情况,相信大家对5G有了更深层次的理解。
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  责任编辑:


发布日期:2020/3/6
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