獨家解讀：專家帶你全面了解5G

最新 07-23

隨著5G網路的日漸臨近，大家對於5G也越來越期待。在5G正式來臨之前，仔細了解5G的來龍去脈還是很有必要的。今天就帶你真正了解我們國家大力布局的5G技術以及當前的現狀。

5G標準的發展有兩種方案。一種是逐步提升技術，在當前的4GLTE技術基礎上，提升網路容量和性能，發展到5GLTE。二是設計全新的網路結構和無線技術，建立全新的移動通信網路，這就是革命性的5G新無線（NR）。

5GNR是一個新的無限介面，它將支持革命性的數據吞吐量、容量和效率提升，尤其是在6GHz以上頻率——即通常所指的mmWave。這開放了大量新頻譜，提供了新的容量。在設備上，mmWave支持將需要新的產品架構，並需要重大的技術設計和整合工作，因而將對客戶產生顛覆性影響。這一標準目前仍在制定過程中，其中非獨立版5G標準已於2017年12月完成。

5GLET是LTE Advanced Pro Release14的演進版。它是真正意義上的5G系統的一個重要組成部分，牽涉到多項LTEAdvancedPro功能，如一致的用戶體驗、無縫切換、低成本、高覆蓋以及低功率廣域(LPWA）應用對較長電池壽命的要求等。

為5GNR整合一個全新的技術和產品架構十分複雜，相比而比，在現有無線基礎設施的基礎上只需要進行軟體升級即可支持大多數情況下的5GLTE。5GNR將需要新的基礎設施和新建大量蜂窩站址。因此，大規模的5GLTE部署可能比5GNR更快速，5GNR直到2019—2020年才可能出現大規模商用部署。5GLTE產品過渡也將十分簡單直接，就像從LTE過渡到LTEAdvanced一樣。

然而，雖然5GNR將需要一段時間的發展才能支持針對5G的海量機器類型通信等所有應用，但它將給客戶帶來顛覆性轉變。

下一代移動通信系統不僅僅是速度的加快。5G解決了4G技術的多個技術弱點，大大改善了服務質量、時延、數據吞吐量、能源效率以及系統性能。

對於5G整個產業鏈，可以簡單分為上中下游三個方面。

上游主要是基站升級（含基站射頻、基帶晶元）

中游網路建設（網路規劃設計公司、網路優化/維護公司）

下游產品應用及終端產品應用場景構成。（雲計算、車聯網、物聯網、VR/AR）

上中下游裡面又可以包括器件原材料、基站天線、小微基站、通信、網路設備、光纖光纜、光模塊、系統集成與服務商、運營商等各細分產業鏈。

NR空口協議層的總體設計基於LTE，並進行了增強和優化。用戶面在PDCP層上新增SDAP層，PDCP和RLC層功能進行了相關優化以降低時延和增強可靠性。控制面RRC層新增RRC_INACTIVE態，利於終端節電，降低控制面時延。在物理層，NR優化了參考信號設計，採用了更為靈活的波形和幀結構參數，降低了空口開銷，利於前向兼容及適配多種不同應用場景的需求。

LTE業務信道採用Turbo碼，控制信道採用卷積碼。NR則在業務信道採用可並行解碼的LDPC碼、控制信道主要採用Polar碼。NR採用的信道編碼理論性能更優，具有更低時延和更高吞吐量等特點。

NR取消了LTE空口中的小區級參考信號CRS，保留UE級的參考信號DMRS、CSI-RS和SRS，並針對高頻場景中的相位雜訊，引入參考信號PTRS。NR主要的參考信號僅在連接態或有調度時傳輸，降低了基站的能耗和組網干擾，其結構更適合MassiveMIMO系統多天線埠發送。

從3GPP協議來看，NR的空口設計十分靈活，但考慮設備實現和組網複雜度，在實際部署中應根據應用場景和頻率資源，從空口協議中裁剪出一個簡潔可行的技術方案。

5G基站天線數及埠數將有大幅度增長，可支持配置上百根天線和數十天線埠的大規模天線陣列，並通過多用戶MIMO技術，支持更多用戶的空間復用傳輸，數倍提升5G系統頻譜效率，用於在用戶密集的高容量場景提升用戶體驗。

大規模天線陣列還可用於毫米波頻段，通過波束賦形、波束掃描、波束切換等技術補償毫米波頻段帶來的額外傳播損耗，使毫米波頻段基站能夠用於室外蜂窩移動通信。大規模天線還需要採用數模混合架構減少毫米波射頻器件數量，降低大規模天線器件成本。

按照各頻段特點，sub-6GHz（6GHz以下）頻譜將兼顧覆蓋與容量的需求，是峰值速率和覆蓋能力兩方面的理想折衷。6GHz以上頻譜可以提供超大帶寬和更大容量、更高速率，但是連續覆蓋能力不足。目前，全球已有14個國家和地區對sub-6GHz頻段做了5G規劃，有6個國家和地區對6G以上頻段做了5G規劃。

全球5G頻譜拍賣/分配計劃 GSA 2018/1

5G新型核心網架構支持控制與轉發分離、網路功能模塊化設計、介面服務化和IT化、增強的能力開放等新特性，以滿足5G網路靈活、高效、開放的發展趨勢。5G核心網實現了網路功能模塊化以及控制功能與轉發功能的完全分離。控制面可以集中部署，對轉發資源進行全局調度；用戶面則可按需集中或分散式靈活部署，當用戶面下沉靠近網路邊緣部署時，可實現本地流量分流，支持端到端毫秒級時延。

5G網路服務化架構

5G核心網控制平面功能借鑒了IT系統中服務化架構，採用基於服務的設計方案來描述控制面網路功能及介面交互。由於服務化架構採用IT化匯流排，服務模塊可自主註冊、發布、發現，規避了傳統模塊間緊耦合帶來的繁複互操作，提高功能的重用性，簡化業務流程實現。

5G核心網增強了能力開放服務環境，NEF是能力開放的基本網路功能。基於NFV的編排能力是5G網路的重要能力集，編排能力的開放是客戶可定製網路的5G創新業務模式的重要手段。

網路切片是5G網路的重要使能技術，網路切片是端到端的邏輯子網，涉及核心網路（控制平面和用戶平面）、無線接入網、IP承載網和傳送網，需要多領域的協同配合。不同的網路切片之間可共享資源也可以相互隔離。網路切片的核心網控制平面採用服務化的架構部署，用戶面根據業務對轉發性能的要求，綜合採用軟體轉發加速、硬體加速等技術實現用戶面部署靈活性和處理性能的平衡；在保證頻譜效率、系統容量、網路質量等關鍵指標不受影響的情況下，無線網路切片應重點關注空口時頻資源的利用效率，採用靈活的幀結構、QoS區分等多種技術結合的方式實現無線資源的智能調度，並通過靈活的無線網路參數重配置功能，實現差異化的切片功能。

3GPP定義的網路切片管理功能包括通信業務管理、網路切片管理、網路切片子網管理。其中通信業務管理功能實現業務需求到網路切片需求的映射；網路切片管理功能實現切片的編排管理，並將整個網路切片的SLA分解為不同切片子網（如核心網切片子網、無線網切片子網和承載網切片子網）的SLA；網路切片子網管理功能實現將SLA映射為網路服務實例和配置要求，並將指令下達給MANO，通過MANO進行網路資源編排，對於承載網路的資源調度將通過與承載網路管理系統的協同來實現。

5G對承載網的需求主要包括：高速率、超低時延、高可用性、高精度同步、靈活組網、支持網路切片、智能管控與協同。

無線設備主要包括基帶數字處理單元以及ADC/DAC/變頻和射頻前端等模擬器件。

5G為了追求更高的吞吐量和更低的空口用戶面時延，採用更短的調度周期及更快的HARQ反饋，對5G系統和終端要求更高基帶處理能力，從而對數字基帶處理晶元工藝帶來更大挑戰。

5G支持的頻段更高、載波帶寬更寬、通道數更多，對模擬器件也提出了更高的要求，主要包括ADC/DAC、功放和濾波器。ADC/DAC為支持更寬的載波帶寬（如1GHz），需支持更高的採樣率。功放為支持4GHz以上高頻段和更高的功放效率，需採用GaN材料。基站側通道數激增，導致濾波器數量相應增加，工程上需進一步減小濾波器體積和重量，如採用陶瓷濾波器或小型化金屬腔設計等有效手段。

基帶數字處理單元

總之，模擬器件的主要挑戰在於產業規模不足，新型功放器件的輸出功率/效率、體積、成本、功耗以及新型濾波器的濾波性能等尚不滿足5G規模商業化要求，特別是射頻元器件和終端集成射頻前端方面，儘管已具備一定研發和生產能力，但需要在產業規模、良品率、穩定性和性價比等方面進一步提升。至於未來的毫米波段，則無論是有源器件，還是無源器件，對性能要求更高，需要業界付出更大的努力。

移動通信系統從第一代到第四代，經歷了迅猛的發展，現實網路逐步形成了包含多種無線制式、頻譜利用和覆蓋範圍的複雜現狀，多種接入技術長期共存成為突出特徵。在5G時代，同一運營商擁有多張不同制式網路的狀況將長期存在，多制式網路將至少包括4G、5G以及WLAN。如何高效的運行和維護多張不同制式的網路、不斷減少運維成本、實現節能減排、提高競爭力是每個運營商都要面臨和解決的問題。

面向2020年及未來，移動互聯網和物聯網業務將成為移動通信發展的主要驅動力。如何實現多接入網路的高效動態管理與協調，同時滿足5G的技術指標及應用場景需求是5G多網路融合的主要技術挑戰。

5G多網路融合架構中將包括5G、4G和WLAN等多個無線接入網和核心網。如何進行高效的架構設計，如核心網和接入網錨點的選擇，同時兼顧網路改造升級的複雜度、對現網的影響等是網路架構研究需要解決的問題。

網路架構

5G多網路融合中的數據分流機制要求用戶面數據能夠靈活高效的在不同接入網傳輸；最小化對各接入網路底層傳輸的影響；需要根據部署場景和性能需求進行有效的分流層級選擇，如核心網、IP或PDCP分流等。

5G中包含了更多複雜的應用場景及更加多樣的接入技術，同時引入了更高的移動性性能要求。與4G相比，5G網路中的連接管理和控制需要更加簡化、高效、靈活。

承載網路的高速率、低時延、靈活性需求和成本限制：5G網路帶寬相對4G預計有數十倍以上增長，導致承載網速率需求急劇增加，25G/50G高速率將部署到網路邊緣，25G/50G光模塊低成本實現和WDM傳輸是承載網的一大挑戰；

URLLC業務提出的毫秒量級超低時延要求則需要網路架構的扁平化和MEC的引入以及站點的合理布局，微秒量級超低時延性能是承載設備的另一個挑戰；5G核心網雲化及部分功能下沉、網路切片等需求導致5G回傳網路對連接靈活性的要求更高，如何優化路由轉發和控制技術，滿足5G承載網路由靈活性和運維便利性需求，是承載網的第三個挑戰。

與4G終端相比，面對多樣化場景的需求，5G終端將沿著形態多樣化與技術性能差異化方向發展。5G初期的終端產品形態以eMBB場景下手機為主，其餘場景（如URLLC和mMTC）的終端規劃將隨著標準與產業的成熟而逐步明朗。5G的多頻段大帶寬接入以及高性能指標對終端實現提出了天線、射頻等方面的新挑戰。從網路性能角度，未來5G手機在sub-6GHz（6GHz以下）頻段可首先採用2T4R作為收發信機基本方案。天線數量增加將引起終端空間與天線效率問題，需對天線設計進行優化。對sub-6GHz頻段的射頻前端器件需根據5G新需求（如高頻段、大帶寬、新波形、高發射功率、低功耗等）進行硬體與演算法優化，進一步推動該頻段射頻前端產業鏈發展。