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射頻原理

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解讀:20大5G關鍵技術

5G網絡技術主要分為三類:核心網、回傳和前傳網絡、無線接入網。

核心網

核心網關鍵技術主要包括:網絡功能虛擬化(NFV)、軟件定義網絡(SDN)、網絡切片和多接入邊緣計算(MEC)。

1 網絡功能虛擬化(NFV)

NFV,就是通過IT虛擬化技術將網絡功能軟件化,并運行于通用硬件設備之上,以替代傳統專用網絡硬件設備。NFV將網絡功能以虛擬機的形式運行于通用硬件設備或白盒之上,以實現配置靈活性、可擴展性和移動性,并以此希望降低網絡CAPEX和OPEX。

NFV要虛擬化的網絡設備主要包括:交換機(比如Open vSwitch)、路由器、HLR(歸屬位置寄存器)、SGSN、GGSN、CGSN、RNC(無線網絡控制器)、SGW(服務網關)、PGW(分組數據網絡網關)、RGW(接入網關)、BRAS(寬帶遠程接入服務器)、CGNAT(運營商級網絡地址轉換器)、DPI(深度包檢測)、PE路由器、MME(移動管理實體)等。

NFV獨立于SDN,可單獨使用或與SDN結合使用。

2 軟件定義網絡(SDN)

軟件定義網絡(SDN),是一種將網絡基礎設施層(也成為數據面)與控制層(也稱為控制面)分離的網絡設計方案。網絡基礎設施層與控制層通過標準接口連接,比如OpenFLow(首個用于互連數據和控制面的開放協議)。

SDN將網絡控制面解耦至通用硬件設備上,并通過軟件化集中控制網絡資源。控制層通常由SDN控制器實現,基礎設施層通常被認為是交換機,SDN通過南向API(比如OpenFLow)連接SDN控制器和交換機,通過北向API連接SDN控制器和應用程序。

SDN可實現集中管理,提升了設計靈活性,還可引入開源工具,具備降低CAPEX和OPEX以及激發創新的優勢。

3 網絡切片(Network Slicing)

5G網絡將面向不同的應用場景,比如,超高清視頻、VR、大規模物聯網、車聯網等,不同的場景對網絡的移動性、安全性、時延、可靠性,甚至是計費方式的要求是不一樣的,因此,需要將一張物理網絡分成多個虛擬網絡,每個虛擬網絡面向不同的應用場景需求。虛擬網絡間是邏輯獨立的,互不影響。

只有實現NFV/SDN之后,才能實現網絡切片,不同的切片依靠NFV和SDN通過共享的物理/虛擬資源池來創建。網絡切片還包含MEC資源和功能。

4 多接入邊緣計算(MEC)

多接入邊緣計算(MEC),就是位于網絡邊緣的、基于云的IT計算和存儲環境。它使數據存儲和計算能力部署于更靠近用戶的邊緣,從而降低了網絡時延,可更好的提供低時延、高寬帶應用。

MEC可通過開放生態系統引入新應用,從而幫助運營商提供更豐富的增值服務,比如數據分析、定位服務、AR和數據緩存等。

前傳和回傳

5 前傳和回傳技術

回傳(Backhaul)指無線接入網連接到核心網的部分,光纖是回傳網絡的理想選擇,但在光纖難以部署或部署成本過高的環境下,無線回傳是替代方案,比如點對點微波、毫米波回傳等,此外,無線mesh網絡也是5G回傳的一個選項,在R16里,5G無線本身將被設計為無線回傳技術,即IAB(5G NR集成無線接入和回傳)。

前傳(Fronthaul)指BBU池連接拉遠RRU部分,如C-RAN章節所述。前傳鏈路容量主要取決于無線空口速率和MIMO天線數量,4G前傳鏈路采用CPRI(通用公共無線接口)協議,但由于5G無線速率大幅提升、MIMO天線數量成倍增加,CPRI無法滿足5G時代的前傳容量和時延需求,為此,標準組織正在積極研究和制定新的前傳技術,包括將一些處理能力從BBU下沉到RRU單元,以減小時延和前傳容量等。

無線接入網

為了提升容量、頻譜效率,降低時延,提升能效,以滿足5G關鍵KPI,5G無線接入網包含的關鍵技術包括:C-RAN、SDR(軟件定義無線電)、CR(認知無線電)、Small Cells、自組織網絡、D2D通信、Massive MIMO、毫米波、高級調制和接入技術、帶內全雙工、載波聚合、低時延和低功耗技術等。

6 云無線接入網(C-RAN)

云無線接入網(C-RAN),將無線接入的網絡功能軟件化為虛擬化功能,并部署于標準的云環境中。C-RAN概念由集中式RAN發展而來,目標是為了提升設計靈活性和計算可擴展性,提升能效和減少集成成本。在C-RAN構架下,BBU功能是虛擬化的,且集中化、池化部署,RRU與天線分布式部署,RRU通過前傳網絡連接BBU池, BBU池可共享資源、靈活分配處理來自各個RRU的信號。

C-RAN的優勢是,可以提升計算效率和能效,易于實現CoMP(協同多點傳輸)、多RAT、動態小區配置等更先進的聯合優化方案,但C-RAN的挑戰是前傳網絡設計和部署的復雜性。

7 軟件定義無線電(SDR)

軟件定義無線電(SDR),可實現部分或全部物理層功能在軟件中定義。需要注意軟件定義無線電和軟件控制無線電的區別,后者僅指物理層功能由軟件控制。

在SDR中可實現調制、解調、濾波、信道增益和頻率選擇等一些傳統的物理層功能,這些軟件計算可在通用芯片、GPU、DSP、FPGA和其他專用處理芯片上完成。

8 認知無線電(CR)

認知無線電(CR),通過了解無線內部和外部環境狀態實時做出行為決策。SDR被認為是CR的使能技術,但CR包括和可使能多種技術應用,比如動態頻譜接入、自組織網絡、認知無線電抗干擾系統、認知網關、認知路由、實時頻譜管理、協作MIMO等。

9 Small Cells

Small Cells,就是小基站(小小區),相較于傳統宏基站,Small Cells的發射功率更低,覆蓋范圍更小,通常覆蓋10米到幾百米的范圍,通常Small Cells根據覆蓋范圍的大小依次分為微蜂窩、Picocell和家庭Femtocell。

Small Cells的使命是不斷補充宏站的覆蓋盲點和容量,以更低成本的方式提高網絡服務質量。考慮5G無線頻段越來越高,未來還將部署5G毫米波頻段,無線信號頻段更高,覆蓋范圍越小,加之未來多場景下的用戶流量需求不斷攀升,后5G時代必將部署大量Small Cells,這些Small Cells將與宏站組成超級密集的混合異構(HetNet)網絡,這將為網絡管理、頻率干擾等帶來空前的復雜性挑戰。

10 自組織網絡(SON)

自組織網絡(SON),指可自動協調相鄰小區、自動配置和自優化的網絡,以減少網絡干擾,提升網絡運行效率。

SON并不是新鮮概念,早在3G時代就提出,但進入5G時代,SON將是一項至關重要的技術。如上所述,5G時代網絡致密化給網絡干擾和管理提出了空前的復雜性挑戰,更需要SON來最小化網絡干擾和管理,但即便是SON恐怕也難以應付超級密集的5G網絡,因此,還需要上文提到的CR(認知無線電)技術來幫忙。

11 設備到設備通信(D2D)

設備到設備通信(D2D),指數據傳輸不通過基站,而是允許一個移動終端設備與另一個移動終端設備直接通信。D2D源于4G時代,被稱為LTE Proximity Services (ProSe)技術,是一種基于3GPP通信系統的近距離通信技術,主要包括兩大功能:

Direct discovery,直連發現功能,終端發現周圍有可以直連的終端;

Direct communication,直連通信,與周圍的終端進行數據交互。

在4G時代D2D通信主要僅應用于公共安全領域,進入5G時代,由于車聯網、自動駕駛、可穿戴設備等物聯網應用將大量興起,D2D通信的應用范圍必將大大擴展,但會面臨安全性和資源分配公平性挑戰。

13 Massive MIMO

要提升無線網速,主要的辦法之一是采用多天線技術,即在基站和終端側采用多個天線,組成MIMO系統。MIMO系統被描述為M×N,其中M是發射天線的數量,N是接收天線的數量(比如4×2 MIMO)。

如果MIMO系統僅用于增加一個用戶的速率,即占用相同時頻資源的多個并行的數據流發給同一個用戶,稱之為單用戶MIMO(SU-MIMO);如果MIMO系統用于多個用戶,多個終端同時使用相同的時頻資源進行傳輸,稱之為多用戶MIMO(MU-MIMO),MU-MIMO可大幅提升頻譜效率。

多天線還應用于波束賦形技術,即通過調整每個天線的幅度和相位,賦予天線輻射圖特定的形狀和方向,使無線信號能量集中于更窄的波束上,并實現方向可控,從而增強覆蓋范圍和減少干擾。

Massive MIMO就是采用更大規模數量的天線,目前5G主要采用的64x64 MIMO。Massive MIMO可提升大幅無線容量和覆蓋范圍,但面臨信道估計準確性(尤其是高速移動場景)、多終端同步、功耗和信號處理的計算復雜性等挑戰。

14 毫米波(mmWave)

毫米波(mmWave),指RF頻率在30GHz和300GHz之間的無線電波,波長范圍從1mm到10mm。5G與2/3/4G最大的區別之一是引入了毫米波。毫米波的缺點是傳播損耗大,穿透能力弱,毫米波的優點是帶寬大、速率高,Massive MIMO天線體積小,因此適合Small Cells、室內、固定無線和回傳等場景部署。

15 波形和多址接入技術

4G時代采用OFDM技術,OFDM具有減少小區間干擾、抗多徑干擾、可降低發射機和接收機的實現復雜度,以及與多天線MIMO技術兼容等優點。但到了5G時代,由于定義了增強型移動寬帶(eMBB)、大規模機器類型通信(mMTC)和超可靠低延遲通信(uRLLC)三大應用場景,這些場景不但要考慮抗多徑干擾、與MIMO的兼容性等問題,還對頻譜效率、系統吞吐量、延遲、可靠性、可同時接入的終端數量、信令開銷、實現復雜度等提出了新的要求。為此,5G R15使用了CP-OFDM波形并能適配靈活可變的參數集,以靈活支持不同的子載波間隔,復用不同等級和時延的5G業務。對于5G mMTC場景,由于正交多址(OMA)可能無法滿足其所需的連接密度,非正交多址(NOMA)方案成為廣泛討論的對象。

16 帶內全雙工(IBFD)

帶內全雙工(IBFD),可能是5G時代最希望得到突破的技術之一。不管是FDD還是TDD都不是全雙工,因為都不能實現在同一頻率信道下同時進行發射和接收信號,而帶內全雙工則可以在相同的頻段中實現同時發送和接收,這與半雙工方案相比可以將傳輸速率提高兩倍。

不過,帶內全雙工會帶來強大的自干擾,要實現這一技術關鍵是要消除自干擾,但值得一提的是,自干擾消除技術在不斷進步,最新的一些研究和實驗結果已讓業界看到了希望,但最大的挑戰是實現復雜度和成本太高。

17 載波聚合和雙連接技術

載波聚合(CA),通過組合多個獨立的載波信道來提升帶寬,來實現提升數據速率和容量。載波聚合分為帶內連續、帶內非連續和帶間不連續三種組合方式,實現復雜度依次增加。

載波聚合已在4G LTE中采用,并且將成為5G的關鍵技術之一。5G物理層可支持聚合多達16個載波,以實現更高速傳輸。

雙連接(DC),就是手機在連接態下可同時使用至少兩個不同基站的無線資源(分為主站和從站)。雙連接引入了”分流承載“的概念,即在PDCP層將數據分流到兩個基站,主站用戶面的PDCP層負責PDU編號、主從站之間的數據分流和聚合等功能。

雙連接不同于載波聚合,主要表現在數據分流和聚合所在的層不一樣。

未來,4G與5G將長期共存,4G無線接入網與5G NR的雙連接(EN-DC)、5G NR與4G無線接入網的雙連接(NE-DC)、5G核心網下的4G無線接入網與5G NR的雙連接(NGEN-DC)、5G NR與5G NR的雙連接等不同的雙連接形式將在5G網絡演進中長期存在。

18 低時延技術

為了滿足5G URLLC場景,比如自動駕駛、遠程控制等應用,低時延是5G關鍵技術之一。為了降低網絡數據包傳輸時延,5G主要從無線空口和有線回傳兩方面來實現。在無線空口側,5G主要通過縮短TTI時長、增強調度算法等來減低空口時延;在有線回傳方面,通過MEC部署,使數據和計算更接近用戶側,從而減少網絡回傳帶來的物理時延。

19 低功耗廣域網絡技術(LPWA)

mMTC是5G的一大場景,5G的目標是萬物互聯,考慮未來物聯網設備數量指數級增長,LPWA(低功耗廣域網絡)技術在5G時代至關重要。

一些LPWA(低功耗廣域網絡)技術正在廣泛部署,比如LTE-M(也稱為CAT-M1)、NB-IoT(CAT-NB1)、Lora、Sigfox等,功耗低、覆蓋廣、成本低和連接數量大,是這些技術共有的特點,但這些技術特點之間本身是相互矛盾的:一方面,我們通過降低功耗的辦法,比如讓物聯網終端發送完數據后就進入休眠狀態,比如縮小覆蓋范圍,來延長電池壽命(通常幾年到10年);另一方面,我們又不得不增加每bit的傳輸功率和降低數據速率來增強覆蓋范圍,因此,根據不同的應用場景權衡利弊,在這些矛盾中尋求最佳的平衡點,是LPWA技術的長期課題。

在4G時代已定義了NB-IoT和LTE-M兩大蜂窩物聯網技術,NB-IoT和LTE-M將繼續從4G R13、R14一路演進到5G R15、R16、R17,它們屬于未來5G mMTC場景,是5G萬物互聯的重要組成部分。

20 衛星通信

衛星通信接入已被納入5G標準。與2/3/4G網絡相比,5G是“網絡的網絡”,衛星通信將整合到5G構架中,以實現由衛星、地面無線和其他電信基礎設施組成天地一體的無縫互聯網絡,未來5G流量將根據帶寬、時延、網絡環境和應用需求等在無縫互聯的網絡中動態流動。

這些技術,再不了解,你就OUT了!


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