第二节　5G关键技术

科技的进步引领产业的变革。移动通信技术由4G向5G的转变，不仅使人们生活面貌发生变化，也正在创造一场产业革命。相较于4G，5G呈现出三大特点。

第一，联网设备总数增大。从理论上看，在联网设备的数量方面，5G网络约为4G网络的100倍，实现了联网设备数量的几何倍数增长。

第二，传输速率提升。从理论上看，5G网络不仅在传输速率方面实现了相对于4G网络的10倍提升，而且解决了丢包率高、信息失真等问题。

第三，功耗降低。大规模物联网的应用提高了设备功耗，降低了用户体验。而5G有效地降低了功耗，并在普及物联网的同时保证了用户体验和降低了成本。

5G网络的这些优势离不开5G关键技术在背后的支撑。

一、网络切片

网络切片把用户的个性化业务需求变成了现实。在虚拟化技术的支持下，网络切片把物理网络“切割”为数个专用虚拟网络，后者定制剪裁网络功能，编排管理相应的网络资源，灵活使用不同的网络应用场景，最终实现满足用户个性化业务需求的目的。网络切片使5G网络实现了对传统网络的突破，通过灵活组合网络资源，能够实现按需定制差异化服务。可以说，网络切片连接了业务场景、网络功能和基础设施平台，提供了不同业务场景所匹配的网络功能。

一个网络切片要经历创建、管理和撤销三个阶段，网络切片创建过程如图1-5所示。

网络切片创建、管理和撤销的完整步骤如下。

第一步，业务需求方向网络运营商提出场景需求。

第二步，网络运营商收到场景需求，从模板库中调用网络切片模板后，导入服务引擎，并解析模板。

第三步，服务引擎向资源平面发出网络资源申请，申请通过后，在申请到的资源上完成虚拟网络功能，以及接口的实例化与服务编排，将切片转入运行状态。

第四步，业务下线，撤销和回收资源。

研究网络切片的主要是3GPP和ETSI（欧洲电信标准组织）NFV（网络功能虚拟化）产业组，这两家机构有各自的研究重点。3GPP致力于网络切片对网络功能的影响，而ETSI NFV产业组的研究工作则主要集中在虚拟网络资源生命周期管理方面。当前，通用硬件性能和虚拟化平台稳定性制约着网络切片技术的发展。

二、5G网络架构的关键技术

5G完成了技术方面的新突破，在超密集部署、虚拟化，以及控制与转发分离的SDN（软件定义网络）架构、内容分发网络、绿色通信等更灵活、更智能的网络架构和组网技术的支持下，其业务支撑能力得到了进一步提升。

网络虚拟化技术带来了三个优势：一是最大限度地优化网络资源配置；二是开发最佳网络管理系统；三是为运营商降低运营成本。在网络虚拟化技术的支持下，硬件平台统一，系统的管理、维护、扩容和升级更加便利。在这样的条件下，运营商不仅可以更好地兼容多种标准，而且可以解决网络中不同地区、不同业务“潮汐效应”带来的问题。因此，5G网络的使用效率更高。目前的网络虚拟化技术主要采取网络覆盖虚拟化、数据中心服务器虚拟化两条路线［4］。

●　网络覆盖虚拟化：此时RRU（远端射频单元）不再固定地属于哪个BBU（室内基带处理单元），用户也不再关心使用的是哪种接入技术（2G、3G、LTE、Wi-Fi等），即小区虚拟化。

●　数据中心服务器虚拟化：后台服务器组成专用虚拟物联网、虚拟OTT（互联网公司越过运营商，发展基于开放互联网的各种视频及数据服务业务）网、虚拟运营商等。

当前技术条件下，提供的虚拟化主流解决方案有三个：第一个方案是SDN；第二个方案是NFV；第三个方案是云计算。

SDN细分为三层：转发层、控制层和应用层。控制层与转发层相互分离，但可以编程，如图1-6所示。

转发层涵盖所有的网络设备。SDN网络架构与传统网络架构的区别在于，网络交换设备的网络控制功能被转交给了控制层。SDN控制器（图1-6中的SDN控制软件）的南向接口把网络基础设施与控制层连接起来。

控制层的多个控制器负责实现整个网络的所有控制功能。

网络管理和应用开发人员使用应用层的应用编程接口（API）完成路由管理、接入控制、带宽分配等，避免了手工操作导致的配置错误。

虽然处于试运行阶段的SDN网络架构协议还没有进一步放开，但是运营商已经在核心技术实验应用中实现了初步商业化。

NFV改变了网元功能形态。这样原本封闭设备中的网络功能就被统一承载在虚拟化平台之上，使冲破电信设备的“黑盒子”模式成为可能［4］。虚拟化的网络资源即插即用，根据需求在移动网络的任何一个位置部署或者卸载。这种方式所带来的更高的网络灵活性和可扩展性能够满足移动网络不同区域、不同时间、不同场景的差异性需求。工业化标准的服务器、存储和交换设备替代了专用硬件设备，降低了成本。组网运维成本随着设备成本的降低而变得更低。因此，低成本和高网络灵活性构成了NFV的两大核心优势。

NFV和SDN高度互补，彼此独立。它们的结合可以获得更好的效果，为未来网络创新提供巨大推动力。此外，它们也都充分利用了标准化硬件设备。

云计算技术已经在互联网领域使用成熟。欧美国家在云计算的发展模式中选取了按需计费。云计算不仅提升了资源传输效率，而且优化了资源配置。这是因为云计算通过虚拟化的资源配置实现了远程访问的个性化定制。由于互联网技术的发展，5G网络架构提供了一个更加开放且兼容互联网发展的平台，克服了传统网络架构的一个弊端——运营商平台彼此独立，实现了平台之间的资源共享，提升了资源传输与整合的效率，解决了资源配置浪费的问题，降低了成本。

SDN、NFV和云计算堪比5G网络架构的点、线、面。SDN快速整合信息，NFV实现管控分离，云计算优化整合资源，按需调配网络资源。点、线、面的协调配合能够有效提升网络传输质量，妥善应对客户需求多样化背景下网络架构面临的挑战。

内容分发网络旨在解决互联网访问质量问题。内容分发网络解决了互联网拥挤、用户访问网站响应速度慢等问题。问题的解决得益于缓存服务器。首先，缓存服务器的部署要选择用户访问相对集中的地区或网络。其次，汇总网络流量和各节点的连接、负载状况，以及缓存服务器到用户的距离和响应时间等，并进行分析。最后，根据分析结果，在就近原则的指导下把用户需求重新导向服务节点，取得所需的内容。在物联网飞速发展和高清视频普及的背景下，移动数据业务需求持续增长，内容分发网络必将是5G网络的首选。

绿色通信的目的是高效利用频谱资源、降低功率、减少污染物、节约能源。频谱资源本就紧张、稀缺，而频段划分又带来了极大的浪费。因此，动态检测闲置频谱资源，进行灵活使用，不断研究抗干扰技术，能够实现频谱资源利用率的提升。此外，基站耗电量在蜂窝网络设备中占的比例较大，因此降低基站的能耗对移动网络节能具有重大意义。由于移动网络的“潮汐效应”，如果为满足最大负荷而设置相同的功率，就会造成严重的资源浪费。在这样的情况下，根据用户终端和网络上报的参数配置，动态调整发射功率和迁移用户，能够最大限度地降低能耗。

三、超密集组网

超密集组网是一种通过增加更密集的无线网络基础设施（如基站等）来进行无线网络组网的方式［4］。大容量场景对峰值速率、流量密度和用户体验速率提出了很高的要求。这必然使高频段5G网络的基站间距进一步缩小。各种频谱资源的利用、灵活多样的无线接入技术和多种类型的基站将构成宏微异构的超密集组网架构。大容量场景是超密集组网的典型应用场景，如办公区、住宅密集区、商业中心、校园、体育馆、交通枢纽等。基站的超密集组网带来了许多问题：系统成本与能耗有所增加；系统干扰增大；移动信令负荷加剧等。组网基站类型的差异为超密集组网部署提供了一种分类方法，这种分类方法就是把超密集组网分为宏基站+微基站组网模式和微基站+微基站组网模式。

四、大规模MIMO技术

大规模MIMO技术是5G移动通信网络的一项重要技术，能够有效提高频谱效率。大规模MIMO技术也被称为大型天线，这是因为它在4G技术的基础上增加了8根天线。增加的这8根天线能够使用成百上千根服务天线，实现基站的多个用户在同一时间进行即时通信。在这8根天线的支持下，信号能量传输和接收被整合在较小的空间中，在调度大量用户终端的情形下，就能提高吞吐量和能源效率。大规模MIMO技术在实践中表现出了部件成本低、功耗低的特点。这进一步降低了延迟，解决了许多问题，获得了广泛应用。但是大规模MIMO技术存在如何深度融合大量低成本低精度部件、如何合理调配终端内新加入的资源、如何开发额外天线和提供服务、如何降低内部功耗等现实问题。这些现实问题制约着大规模MIMO技术的发展。

五、新型信道编码调制技术

信道编码调制技术对于数字通信系统而言是一项必不可少的技术。5G的三大应用场景对移动网络性能参数优化提出了不同的需求。

eMBB对峰值速率、灵活性、编/解码复杂度、时延和HARQ（混合自动重传请求）等功能有较高的要求。

URLLC不仅要求高可靠、低时延传输，还要求误块率达到10-6～10-5数量级。

mMTC要求用户终端电池支持15年寿命。

然而，依靠传统的编码方案并不能满足三大应用场景提出的新需求。在这种情况下，LDPC编码方案被确定为eMBB场景下数据信道的编码方案。LDPC编码步骤如下。

第一步，为来自MAC层的传输块（Transport Block，TB）添加循环冗余校验比特（TB-CRC），该步骤在物理层完成。

第二步，进行码块分段，如果出现被分割为多个编码块（Code Block，CB）的情况，那么每个CB都要添加基于CB的循环冗余校验比特（CB-CRC）。

第三步，进行码块LDPC编码，并且要根据冗余版本信息进行速率匹配。

第四步，进行码块内比特交织与码块级联操作［4］。

LDPC编码流程如图1-7所示。

Polar编码方案被确定为eMBB场景下控制信道和物理广播信道的编码方案。该编码方案由土耳其毕尔肯大学教授Erdal Arikan于2008年提出。理论上，该方案是可以达到香农极限的，其优势在于编码的编译性能更强，码率配置更灵活，但是译码复杂，对信道环境敏感。Polar编码流程如图1-8所示。

六、新型多址接入技术

新型多址接入技术允许通过在功率和码域中复用用户来使频谱超载，导致非正交接入，同时服务的用户的数量不再被正交资源的数量限定［4］。新型多址接入技术存在三个候选方案，这三个方案分别是非正交多址、稀疏码多址和交织分多址。

非正交多址的基本原理在于，在功率域实现多个用户在相同资源上的复用，SIC（串行干扰消除）接收机负责在接收端剥离出多路复用的用户。

稀疏码多址就是非正交码和功率域复用方案。在该方案下，下行或上行链路中的数据流或用户被复用在相同的时间/频率资源上［4］。

交织分多址的目的是，实现异步通信中码分多址系统性能的提高。交织分多址是依据交织器区分用户的多址技术，具有较强的抗多址干扰的能力，并且可以复用时域、频域和码域的资源，频谱利用率较高，在5G系统设计中具有重要作用。

七、同时同频全双工技术

4G的双工技术，也被称为半双工，因为4G的双工分为时分双工和频分双工，在时域或频域分别划定特定的时隙或频段，以实现上/下行通信。它也有一个不足——资源利用率不高。5G采用的同时同频全双工技术在理论上能够把时域或频域的利用率提高1倍。同时同频全双工技术的核心是干扰的一致，也就是说，接收端要采取合理措施抑制自己发射的同时同频信号的自干扰。目前，这个问题的解决方法有三种：第一种是空间域自干扰抑制方法；第二种是射频域自干扰抑制方法；第三种是数字域自干扰抑制方法。

空间域自干扰抑制方法有很多，主要包括定向天线法、交叉极化法、天线隔离法、天线凋零法。

射频域自干扰抑制方法要求先重建自干扰信号的反相信号，然后在接收通道中将反相信号与接收到的混合信号叠加，最后抑制自干扰信号。

数字域自干扰抑制方法借助发送端基带数字信号，过滤消除接收端基带数字信号中的自干扰。这三种方法通常结合使用，因为单独使用任意一种干扰抑制方法，抑制效果均不佳。

八、毫米波通信

毫米波是电磁波的一种，波长为1～10mm。得益于它特殊的波长范围——微波与远红外波相重叠的波长范围，所以兼有二者的特点。毫米波通信指使用毫米波作为载体进行通信。从分类方面来看，毫米波通信可以划分为毫米波波导通信和毫米波无线电通信。

毫米波通信具有多重优势。

（1）带宽极宽、通信容量大。毫米波通信的4个“大气窗口”，即衰减最小的38GHz、94GHz、140GHz和230GHz 4个频段，有效带宽分别达到了16GHz、23GHz、26GHz和70GHz。因此，毫米波通信的可用带宽要优于微波通信。在频率复用技术的支持下，毫米波通信的容量将进一步扩大。因此，毫米波通信十分适合高速宽带视频信息传输等综合业务。

（2）安全性强。毫米波的特点决定毫米波通信是一种安全的通信方式。毫米波在大气中衰减大，使点对点通信距离短。但好处就是，增加了窃听和干扰的难度，增强了安全性。

（3）传输质量高。毫米波通信频段高，几乎没有什么干扰源，电磁频谱十分纯净。因此，毫米波通信的信道可靠性极高，使误码率持续保持在10-12～10-10范围内，传输质量基本达到了光缆的水平。

（4）保证全天候通信。与大气激光通信、红外线通信相比，毫米波通信在传输容量、质量和安全性方面没有表现出明显的差距。此外，毫米波的穿透力更加强大，能够保证降雨、沙尘和烟雾等不利条件下的持续可靠通信，赋予毫米波通信优异的全天候通信能力。

九、D2D通信

D2D通信通常是指两个地理位置相对较近的终端，在没有接入点或基站的情况下，借助蜂窝网络资源，建立直接链路，进行数据传输的技术［4］。实质上，D2D通信是一种设备间通信，主要用来提高用户使用质量和用户体验。

发展到今天，D2D通信已经从最初的通过基站协调来建立通信，发展为不必经过基站就可以建立通信。目前有关机构正在研究以D2D设备作为中继，使不在基站覆盖范围内的设备也能够接入蜂窝网络。每条D2D通信链路所占用的资源都等同于一条蜂窝通信链路所占用的资源。将D2D通信应用在移动通信中后，资源利用率和网络容量将得到提高。D2D通信在蜂窝网络中的应用模型如图1-9所示，BS代表小区中心基站，UEi代表小区内用户。其中，用户UE1与基站通信，而另外两个相邻的用户UE2和UE3在基站的协调下，建立了通信，这就是一条D2D通信链路。

在实际应用中，基站无法掌握小区内用户之间通信链路的信道信息，因此没有根据用户之间的信道信息直接进行资源调度的可能性。在没有资源调度的条件下，D2D通信用户可能被分配到的信道资源是不确定的，极可能被分配到与正在通信的蜂窝用户相互正交的信道，也有可能被分配到与正在通信的蜂窝用户相同的信道。这两种信道资源并非完全相同，区别在于后者会对蜂窝链路中的接收端造成干扰，而前者则不会。因此，在通信负载较小的网络中，D2D通信能被分配到多余的正交资源，所提供的网络总体性能也更好。通信业务对频率带宽提出的要求越来越高，给本就有限的蜂窝网络资源带来越来越大的压力。D2D通信在蜂窝网络中的应用，能够实现非正交资源共享，提高网络的资源利用率，从而解决蜂窝网络资源紧张的问题。

D2D通信可以按照不同的方式进行分类。按照蜂窝网络覆盖范围大小划分：无蜂窝网络覆盖、部分蜂窝网络覆盖、完全蜂窝网络覆盖。按照接收端和发送端位置关系划分：发送端和接收端均处于室内；发送端和接收端均处于室外；发送端处于室内（外），接收端处于室外（内）。

3GPP提出了一种中继模式的D2D通信。这种中继模式的目的是，改善小区边缘用户的通信质量，扩大网络的覆盖范围。具体方法是，中继模式的D2D通信借助单跳或者多跳的方式，连接无网络覆盖或者处在小区边缘的用户与信号质量好的用户，这样小区外用户就被纳入了网络，边缘用户的信号也得到了加强。