5G通信关键技术解读

Super.雯 发表于 2021/09/08 14:34:58 2021/09/08
【摘要】 5G对于移动互联网场景和物联网场景带来了哪些新的技术和变革? 

5G作为目前最新一代的蜂窝通信技术,一直受到很多关注,除了现在市面上推出了他们的5G手机终端以外,应用场景也从移动互联网业务扩展到物联网场景。那么5G通信的关键技术有哪些呢?5G对于移动互联网场景和物联网场景又带来了哪些新的技术和变革?

 

5G标准演进与产业发展

过去十年间,运营商和供应商纷纷发布了数字化和智能化转型战略,随之5G的快速部署,社会在向全连接、全感知、全智能的社会迈出了更坚实的一步。站在今天展望未来,2025年将是一个十分重要的时间点,根据Vision25报告,到2025年:

  • 智能家庭领域:全球14%的家庭将拥有家用智能机器人;
  • AR/VR视觉领域:全球的VR/AR用户数将达37亿,采用VR/AR技术的企业将增长到10%
  • 智能制造领域:每万名制造业员工将与103个机器人共同工作;
  • AI领域:97%的大企业将采用AI,人机协创无所不在,创造更多价值。

这些变化的背后,是5G的快速部署,2025年,全球将部署650万基站,服务于28亿用户。如果将这几个不同行业要达成的目标用三个词来进行概括,其实就是万物感知、万物互联和万物智能。

社会想要达到这些目标的很重要的一个因素将会是5G的快速部署,加快5G的部署可以帮助快速实现这些行业目标的落地。


-标准演进

5G标准的制定可以追溯到17年的R15,关于5G的主要标准都是在R15制定的,包括无线的技术框架,物理层的编码,多天线系统和网络上下行的架构等。到了R16就相当于是对5G的标准又一次完善和增强,所以说R165G的完整版本。

但是5G标准是从Release15开始的,在这里可以把5G技术的演进分成两个部分来看,第一个部分它是由LTE演进过来的,从一开始的LTE-Advanced再到LTE-AdvancedPro也就是业内所说的4.5G,之后再到5G。另一个部分所包含的就是5G的新技术。所以总结来讲,5G的标准是从R15开始的,并且5G新技术标准包括两个部分,有LTE演进的部分中就包括LTEAdvancedpro演进和EPC演进。另一部分5G新技术当中就包含了5G新空口和5G新一代核心网。

5G的另一个优点就在于它把全球的标准都统一了,在3G时代,国内比较常见的有三个标准。国内三大运营商之间的标准各不相同,中国电信用得是CDMA2000,中国联通是WCDMA还有中国移动是TD-SCDMA。这样有一个什么问题呢?就是当用户在买手机的时候要注意自己的SIM卡是哪家公司的,因为不同运营商之间的网络是不兼容的。

所以这一点对于用户来讲是比较麻烦的一件事。当然,用户在买手机的时候会看到全网通和不是全网通的版本,不是全网通的手机就属于某个运营商的定制机,这一类手机会比非定制机要便宜,但是它不支持其他的运营商网络。

到了4G时代也一样,它同样也有两种标准,一种是TD-LTE另一种是FDD-LTE。为了解决这样一种多标准的乱象,5G就规定了,之后全球就只有一种标准,这样的话,全世界的用户在进行移动通信的时候会更加方便。

 

-国家策略

站在国家的层面来看,5G技术到底有多重要呢?从图中可以看到,其实有非常多的国家都意识到了5G能为国家带来的好处。许多国家都把5G和AI作为国家数字化发展的核心战略。

根据统计,刺激GDP增长最有效的途径是增加在ICT技术上的投资,并且华为研究表明,20%的ICT投资将会给国家带来1%的GDP增长。从投资效率比来看,投资ICT技术的效率和效益是非常高的。所以有非常多的国家都意识到了5G和AI的重要性并将其作为国家发展的重要战略。由此可以看到,建设5G已经不仅仅是运营商的工作,它更是国家建设的必要工作。

从5G的网络部署情况上来看,在2018年上半年,全世界还只有5张5G的网络,但是到了2018下半年就已经有30张了。所以5G网络部署的速度情况是非常快的。到2019年年底,国内已经有13万座5G基站了,很多城市比如北、上、广等已实现了5G的连片覆盖。所以国家乃至世界,对于5G的发展都是十分重视的。

在有了5G网络之后,就也得有与之相配套的产品用于5G网络之上。在18年2月份的时候,华为就向全世界发布了首款5G商用芯片巴龙5G01以及基于该芯片的商用终端华为5GCPE。这款终端的实测下行速率可以达到2Gbps。到了之后,华为也发布了搭载这款芯片的5G折叠屏手机MateX。再到之后,华为将5G模块集成到了片上系统,也推出了麒麟980、麒麟990等芯片,也有最新的5G手机HuaweiMate40等

 

 

5G关键技术介绍

5G的关键性能指标就是在上文中提到过的5G三大场景所需要具备的能力:1毫秒的时延,10Gbps的速率,每平方公里一百万的连接,还有就是切片的网络架构,关于网络切片的详细内容会在本小节后续进行介绍。

 

新架构

5G的关键技术可以分为三大关键革新来进行介绍,它们分别是新架构,新空口,全频谱。接下来本文会对上述三个技术革新逐个进行分析。首先是5G的新架构,5G的这张网络,是一张网络,承载了千百行业。在5G网络当中,实际的应用场景是复杂多变的,某些应用场景对于网络的需求是多种多样的,这就要求运营商对时延、带宽等等需求进行组合来形成多个具备不同能力的切片。所以如果要做切片,这就要求网络是一个灵活的网络。

 

1. 网络切片

首先在5G核心网当中使用到了NFVNetworkFunctionVirtualization)的技术,NFV即网络功能虚拟化,通过使用x86等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。

通俗一点讲就是网络设备功能不再受到硬件的限制了,像在以前,内存是内存,CPUCPU,买了这些硬件之后用户的使用上限就只有这么多,但是通常会多买非常多的资源来保证资源的充足。那么这种结构,就很容易造成资源的浪费,因为平常使用过程当中并不会需要这么多的资源。虚拟化的架构就摆脱了这些硬件的束缚,它可以把同一个硬件划分给很多不同的用户去使用,它是一个弹性的架构,你用多少就占用多少,其他的部分可以让别人来使用。

这样一个网络,可以根据分片的需求来处理不同的业务。SDNSoftwareDefinedNetwork)也是一样,指的是用软件来对网络进行定义,以此来做到一个更加智能、弹性的网络。其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来,从而实现了网络流量的灵活控制,使网络作为管道变得更加智能,为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。

由此可以看出,网络切片技术在5G网络当中的使用。它是通过切片技术在一个通用硬件基础上虚拟出多个端到端的网络,每个网络具有不同网络功能,适配不同类型服务需求。

 

2. NSA&SA组网方式

-组网方式

5G的组网方式可以被分为非独立组网NSA和独立组网SA两种方式。从图中可以看到,NSA的架构主要是由4G核心网EPC,4G基站eNodeB,5G基站gNodeB这几个部分组成。在这种架构下,4G和5G的基站都是由4G的核心网来控制的。但是SA组网方式就不一样了,它主要是由4G基站eNodeB、5G基站gNodeB、4G核心网EPC和5G核心网NGC这四个部分组成。

对于读者来讲可能这两种组网方式之间的区别可能不是特别好理解,但是可以用一个简单的例子来给读者们说明。比方说你是一个饭店老板,你现在有一家饭店门面叫门面4,你请了个主厨叫大厨4。随着生意越来越好,饭店里人满为患,你就打算扩张自己的生意,但是因为扩张需要大量的资金,而且不能盲目投资。所以你选了两种方案,方案A是另外再买一个店面叫门面5并且再配一个主厨叫大厨5,这种方案最简单,最直接,但是花的钱也是最多的。还有一种方案,方案B是再买一个店面叫门面5,但是不再请一个厨师,由大厨4来负责照看两个店面。这种方式,虽然省钱,但是很麻烦,而且有可能大厨4会忙不过来。

在以上两种方案中,方案A和独立组网SA是一样的,两个门面就相当于是4G和5G两种基站,里面的大厨就相当于是核心网。那么方案B呢,就和非独立组网NSA一样。这两种组网方式根本上的差异,和饭店的这个例子其实是一样的,归根结底还是钱的原因。

只要有足够的钱,想要拥有纯正、完美的5G网络,那很简单,只要所有设备同时新建,采用独立组网的方式,和4G完全分离开。但是并不是所有的运营商都是土豪,为了方便用户逐步享受5G,3GPP就提出了非独立组网这种方式,相当于是给运营商提供了两种不同档次的套餐。

 

3. 5G核心网NGC

5G核心网有四大技术特征:

首先,控制承载分离,这样有一个什么好处呢?在这里需要知道控制面和用户面之间的区别,控制面是负责传输控制信令的,而用户面所传输的就是用户实际使用的数据。当控制面和用户面分开后,这样当运营商在进行软件管理、升级的时候,哪边出问题就处理哪边,这样子就简单,方便了很多。

第二个,移动边缘计算,移动边缘计算就是一个运行在移动网络边缘的,运行特定任务的云服务器。它的主要作用就是将核心网的一部分业务交给这个位于移动网络边缘的云服务器机房来做。这样子做,可以有效降低来回网络传输的时间,这样子可以有效降低时延也可以节省带宽的使用。

第三个,网络功能重构,这一点是非常好理解的,由于这个网络都放在云端来进行计算了,而且网络的架构和各部分的功能都进行了重新规划,所以它的特征就是功能重构。

第四个,网络切片,这个在上文中也讲到过,切片网络是一个端到端的网络,它是一个非常弹性的网络。它会根据具体的需求来进行一个端到端的划分。

 

新空口

新空口的这一部分涉及到的都是物理层的知识,在此课程当中不会做过多的讲解,所以如果读者们想要详细去了解这一部分的知识的话,可以继续去学习5G方面的课程。在物联网的课程当中,读者们只需要了解5G使用的新空口技术有全双工、MassiveMIMO、Polar编码、F-OFDM和SCMA就可以了。其中在MassiveMIMO当中会使用多天线来作为接收端和发送端,并在时域和频域外,在空间中也采用了复用技术,以此来提高吞吐率。

 

全频谱

在上文中讲到,3G的频段是1800M,4G是2600M。5G直接跳到了C频段也就是3.4-3.6GHz。4G所使用的频段虽然也不低,2600M就是2.6G。但是,它通过基站的信号放大还是可以达到两公里左右的覆盖范围。但是5G就不行,除了C频段,频段再往上还有毫米波,也就是6GHz以上的这一部分,所以说5G最大的问题是什么?一个是它的能耗比较大,另一个就是它的覆盖范围和穿透力都太弱了。

所以对于5G来讲,C频段这一部分相对于毫米波,它的频率还是比较低的,所以会被用在基站的全面覆盖上,也就是运营商在建造的5G基站室外所使用的频段就处于这一部分当中。之后其余部分的频段会被用在容量和自回传上。关于容量,比方说像交通枢纽、体育场这些室内面积比较大、人口密度大并且阻挡物少的地方,有的时候人比较多的情况下,普通C频段的基站由于覆盖面积有限,每个基站可承载的用户数量也是有限的,所以就很容易会出现速率降低的情况,这说明基站的用户数量过多,只能牺牲速率来保证每个用户都能接入网络。在这个时候就需要使用6GHz以上的频段的小基站来进行扩容,因为高频信号虽然穿透性不好,但是相对的反射性就比较好,所以比较适合用在这些场景之下。

关于自回传,在现如今家里的网络,比方说光纤入户,它用的还是有线的方式将光纤线接到小区里面。在之后,运营商就会用无线的方式,比方说上文中提到过的CPE,来进行无线的回传。一方面它可以作为基站来为终端提供服务,另一方面,它可以替代光纤来做到无线的自回传,也就是下一小节要讲到的FWA,fixedwirelessaccess。所以说5G的部署方式是高低频混合组网的方式,它聚合了所有的频段和频谱,并将不同的频段频谱用在了不同的方向上,以此来使5G达到更好效果。

 

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