5G 引發革新 | 帶你讀《5G時代的承載網》之三

第1章 5G的概念

| 1.2　什麼是 5G |

| 1.3　5G 引發革新 |

移動通信從 1G 到 4G，經曆了四代的發展，過去 40 年移動通信的發展已 經極大地改變了人們的生活，個人通信的高速技術發展為人類和社會帶來了廣 泛的便利和福利。如今，站在 5G 時代的曆史節點，讓我們來細數 5G 将為我們 帶來些什麼。

5G 隻是速率更高嗎？當然不僅僅是這樣。

5G 不再隻是手機中所用檔案格式的變化、檔案傳輸速率的提升，而是将通 信的作用從人與人之間的連接配接擴充到各行各業、萬事萬物之間的互相連接配接，形 成嶄新的數字化社會、物聯網世界新格局。

5G（第五代移動通信）是 IMT（國際移動通信）的下一階段，ITU（國際電 信聯盟）将其正式命名為 IMT-2020。目前，ITU 正在對 IMT-2020 進行初 步的規劃。此外，端到端系統的大多數其他變革（既包括核心網絡内的，又包 括無線接入網絡内的）也将會成為未來 5G 系統的一部分。在移動通信市場中， IMT-Advanced（包括 LTE-Advanced 與 WMAN-Advanced）系統之後的系 統即為“5G”。

在大力研發 5G 潛在“候選技術”的同時，全球移動通信行業對于 5G 技術 研發驅動因素的了解也逐漸達成了共識。ITU-R（國際電信聯盟無線電通信局） 确定未來的 5G 具有以下三大主要的應用場景：（1）增強型移動寬帶；（2）超 高可靠與低延遲的通信；（3）大規模機器類通信。具體包括吉比特每秒移動寬 帶資料接入、智慧家庭、智能建築、語音通話、智慧城市、三維立體視訊、超 高清晰度視訊、雲工作、雲娛樂、增強現實、行業自動化、緊急任務應用、自 動駕駛汽車等。

在日益增大的網絡容量需求、吞吐量增強需求、更多無線接入應用場景需 求（所有可聯網型裝置均以一種“無縫”的方式接入到網絡之中）之下，移動 寬帶網絡正在向 5G 演進。ITU-R 正在與包括全球移動通信行業在内的産業鍊上各利益主體進行密切協作，對下一代 IMT 系統——IMT-2020（5G）的研發 方向、時間表與成果輸出等進行定義，目的是把對于未來移動寬帶通信的願景 最終變成現實。

為最終建成一個網絡化的社會，未來的第五代移動通信網絡應該能使用位 于不同實體頻段的無線頻譜資源，以支撐各類應用場景，滿足提高業務服務質 量的需求，并采用比現有移動通信無線接入網絡實體帶寬大得多的射頻信道。

第五代移動通信網絡的無線頻譜資源需求主要來自于對于系統容量的增長 需求，以及對各類新興應用場景的支援。為支撐未來各類 5G 應用場景的 5G 技 術需求（比如，超過 10Gbit/s 的峰值資料傳輸速率、100Mbit/s 的小區邊緣數 據傳輸速率、1ms 的端到端延遲 / 時延等）有望在各個實體工作頻段上均得到 滿足。

這些 5G 應用場景包括諸如高清晰度移動視訊等的增強型移動寬帶應用（既 可運作于體育場館等使用者高度密集分布的區域，又可以進行泛在的覆寫）。而其 餘類型的 5G 應用場景則包括面向垂直行業 / 交通自動化的超高可靠通信、各 類低延遲時間敏感型通信應用、面向大規模機器類通信（MTC，Machine Type Communication，比如移動健康、車輛到車輛通信、虛拟現實、增強現實與觸 覺網際網路等）的較高速 / 高速資料服務。這些應用場景将會進一步增大未來第 五代移動通信網絡對于更多無線頻譜資源的需求。

未來，第五代移動通信無線接入網是否能很好地支撐各類應用場景，取決 于從低頻（頻點在 500MHz 左右）到高頻（頻點高于 60GHz）的各個實體工 作頻段的實體特性（無線射頻傳播特性）。低頻段具有優良的無線傳播特性、網 絡覆寫廣，既可支撐宏蜂窩建設，又可支撐小基站部署；高頻段的無線傳播特 性相對低頻段較差，但是有較多可用的且連續的無線頻譜資源（尤其是在毫米 波頻段），可提供更寬的實體信道。

全球移動通信行業中目前正在發生的面向未來第五代移動通信網絡的技術 演進，在各類可商用新型半導體晶片及天線陣列（可工作于不同的實體頻段， 比如厘米波頻段、毫米波頻段等）的驅動下，取得了較快的進展。

IMT-2000 與 IMT-Advanced 為現有已商用部署的移動寬帶通信系統提 供了标準基礎。IMT-2020（5G）是 ITU 現有國際移動通信标準族的延伸 / 擴 展。按照相關規劃，IMT-2020（5G）的标準化工作有望于 2020 年全部完成。

未來，5G 應用不單單隻限于個人的手機，它的應用将擴充到 VR/AR、智 慧城市、智慧農業、工業網際網路、車聯網、無人駕駛、智能家居、智慧醫療、 無人機、應急安全等各行業和領域。這意味着 5G 将會為人類的生活方式和社 會的發展方式帶來一次徹底的革新。

一項技術創新可以分為漸進式創新、子產品創新、架構創新和徹底創新 4 類。 從 2G 到 4G 是頻譜效率和安全性等逐漸提升的漸進式創新，也是在維持集中式 網絡構架下的子產品式創新，還有從網絡構架向扁平化和分離化演進的架構創新。 但到了 5G 時代，除了網絡能力以外，還必須面向各種新的行業服務，提供随時 需要的、高品質的連接配接服務，這也要求 5G 網絡的建設是多方位的、徹底的創新。

移動網構絡架主要包括核心網和無線接入網，到了 5G 時代，移動網絡按循 序漸進的方式引入 5G 網元裝置。

第 1 步，5G NR（新無線）先行，5G 基站（gNodeB）與 4G 基站（eNodeB） 以雙連接配接的方式共同接入 4G 核心網。

第 2 步，5G 基站獨立接入 5G 核心網（NGCN，下一代核心網）。

第 3 步，5G 基站和 4G 基站統統接入 5G 核心網，4G 核心網退出曆史舞台。 以上 5G 網絡架構演進看似整體一緻，實際上，我們把核心網和無線接入網分 開來看，其内部架構發生了颠覆性的改變。核心網的網元由 4G 時代的 MME/ S-GW 變為 5G 時代的 AMF/UPF（AMF/UPF 是由中國移動牽頭提出的 SBA 5G 核心網基礎架構）。

另外一個概念是 5G 系統服務架構，這是一個基于雲原生設計原則的架構， 不僅要對傳統 4G 核心網網元 NFV 虛拟化，網絡功能還将進一步軟體子產品化， 實作從駐留于雲到充分利用雲的跨越，以實作未來以軟體化、子產品化的方式靈 活、快速地組裝和部署業務應用。

AMF（Mobility Management Function）負責控制面的移動性和接入管理， 代替了 MME 的功能。

UPF（User Plane Function）負責使用者面，它代替了原來 4G 中執行路由 和轉發功能的 SGW 和 PGW。

無線接入網發生的主要改變是分離，首先是控制面和使用者面的分離，其次 是基站被分離為 AAU、DU 和 CU 這 3 個部分。

值得一提的 5G 無線關鍵技術有微基站（Small Cell）和 Massive MIMO。 5G 的容量是 4G 的 1000 倍，峰值速率 10 ～ 20Gbit/s，要提升容量和速率無 非就是頻譜帶寬、頻譜效率和小區數量三要素。

首先是頻譜帶寬，高頻段的頻率資源豐富，同時，目前小于 3GHz 的低頻 段基本被 2G/3G/4G 占用，是以 5G 必然要向高頻段 3.5 ～ 30GHz（甚至更高） 擴充。那麼如何解決頻段越高，穿透能力越差，覆寫範圍越小的問題就引出了 5G 的兩大關鍵技術——Massive MIMO 和微基站。

毋庸置疑，微基站已成為未來解決網絡覆寫和容量的關鍵。未來城市路燈、 廣告牌、電杆等各種街道設施都将成為微基站挂靠的地方。

Massive MIMO 就是在基站側配置遠多于現有系統的大規模天線陣列的 MU-MIMO，來同時服務多個使用者。它可以大幅提升無線頻譜效率，增強網絡 覆寫和系統容量，簡而言之，就是通過分集技術提升傳輸可靠性、空間複用提 升資料速率、波束賦形提升覆寫範圍。

MU-MIMO 将多個終端聯合起來空間間複用，同時使用多個終端的天線，這 樣一來，大量的基站天線和終端天線形成一個大規模的、虛拟的 MIMO 信道系 統。這是從整個網絡的角度更宏觀地去思考提升系統容量。

波束賦形是指大規模多天線系統可以控制每一個天線單元的發射（或接收） 信号的相位和信号幅度，産生具有指向性的波束，消除來自四面八方的幹擾， 增強波束方向的信号。它可以補償無線傳播損耗。

自從各大廠家的 Massive MIMO 在 2017 年舉行的中國國際資訊通信展覽 會（PT 展）上亮相以來，在近一年時間裡，各大廠家的 Massive MIMO 産品 均在不斷更新和進步，相信不久我們能看到更多、更新的裝置。

5G 超高速上網和萬物互聯将産生呈指數級上升的海量資料，這些資料需要 雲存儲和雲計算，并通過大資料分析和人工智能産出價值。

與此同時，為了面向未來多樣化和差異化的 5G 服務，一場基于虛拟化、雲 化的 ICT 融合技術革命正在推動着網絡重構與轉型。

為了靈活應對智慧城市、車聯網、物聯網等多樣化的服務，使能網絡切片， 核心網基于雲原生構架設計，面臨毫秒級時延、海量資料存儲與計算等挑戰， 雲化的 C-RAN 構架和實時的移動邊緣計算（MEC）應運而生。從核心網到接 入網，未來 5G 網絡将分布式部署巨量的計算和存儲于雲基礎設施之中，核心 資料中心和分布式雲資料中心構成網絡拓撲的關鍵節點。

這是一場由海量資料引發的從量變到質變的資料革命，是一場由技術創新 去推動社會進步的革命，是以，5G 需廣泛地與各行業深入合作，共同激發創新， 進而持續為社會創造價值。

| 1.4　關于 5G 的标準 |