5G的基本特點與關鍵技術

項立剛

第五代移動通信技術（5G）是目前移動通信技術發展的最高峰，也是人類希望不僅改變生活，更要改變社會的重要力量。

5G是在4G基礎上，對于移動通信提出更高的要求，它不僅在速度而且還在功耗、時延等多個方面有了全新的提升。由此業務也會有巨大提升，互聯網的發展也將從移動互聯網進入智能互聯網時代。

5G的三大場景

國際標準化組織3GPP定義了5G的三大場景。其中，eMBB指3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業務，mMTC指大規模物聯網業務，URLLC指如無人駕駛、工業自動化等需要低時延、高可靠連接的業務。

通過3GPP的三大場景定義我們可以看出，對于5G，世界通信業的普遍看法是它不僅應具備高速度，還應滿足低時延這樣更高的要求，盡管高速度依然是它的一個組成部分。從1G到4G，移動通信的核心是人與人之間的通信，個人的通信是移動通信的核心業務。但是5G的通信不僅僅是人的通信，而且是物聯網、工業自動化、無人駕駛等業務被引入，通信從人與人之間通信，開始轉向人與物的通信，直至機器與機器之間的通信。

5G的三大場景顯然對通信提出了更高的要求，不僅要解決一直需要解決的速度問題，把更高的速率提供給用戶；而且對功耗、時延等提出了更高的要求，一些方面已經完全超出了我們對傳統通信的理解，把更多的應用能力整合到5G中。這就對通信技術提出了更高要求。在這三大場景下，5G具有6大基本特點。

5G的六大基本特點

高速度

相對于4G，5G要解決的第一個問題就是高速度。網絡速度提升，用戶體驗與感受才會有較大提高，網絡才能面對VR/超高清業務時不受限制，對網絡速度要求很高的業務才能被廣泛推廣和使用。因此，5G第一個特點就定義了速度的提升。

其實和每一代通信技術一樣，確切說5G的速度到底是多少是很難的，一方面峰值速度和用戶的實際體驗速度不一樣，不同的技術不同的時期速率也會不同。對于5G的基站峰值要求不低于20Gb/s，當然這個速度是峰值速度，不是每一個用戶的體驗。隨著新技術使用，這個速度還有提升的空間。

這樣一個速度，意味著用戶可以每秒鐘下載一部高清電影，也可能支持VR視頻。這樣的高速度給未來對速度有很高要求的業務提供了機會和可能。

泛在網

隨著業務的發展，網絡業務需要無所不包，廣泛存在。只有這樣才能支持更加豐富的業務，才能在復雜的場景上使用。泛在網有兩個層面的含義。一是廣泛覆蓋，一是縱深覆蓋。

廣泛是指我們社會生活的各個地方，需要廣覆蓋，以前高山峽谷就不一定需要網絡覆蓋，因為生活的人很少，但是如果能覆蓋5G，可以大量部署傳感器，進行環境、空氣質量甚至地貌變化、地震的監測，這就非常有價值。5G可以為更多這類應用提供網絡。

縱深是指我們生活中，雖然已經有網絡部署，但是需要進入更高品質的深度覆蓋。我們今天家中已經有了4G網絡，但是家中的衛生間可能網絡質量不是太好，地下停車庫基本沒信號，現在是可以接受的狀態。5G的到來，可把以前網絡品質不好的衛生間、地下停車庫等都用很好的5G網絡廣泛覆蓋。

一定程度上，泛在網比高速度還重要，只是建一個少數地方覆蓋、速度很高的網絡，并不能保證5G的服務與體驗，而泛在網才是5G體驗的一個根本保證。在3GPP的三大場景沒有講泛在網，但是泛在的要求是隱含在所有場景中的。

低功耗

5G要支持大規模物聯網應用，就必須要有功耗的要求。這些年，可穿戴產品有一定發展，但是遇到很多瓶頸，最大的瓶頸是體驗較差。以智能手表為例，每天充電，甚至不到一天就需要充電。所有物聯網產品都需要通信與能源，雖然今天通信可以通過多種手段實現，但是能源的供應只能靠電池。通信過程若消耗大量的能量，就很難讓物聯網產品被用戶廣泛接受。

如果能把功耗降下來，讓大部分物聯網產品一周充一次電，甚或一個月充一次電，就能大大改善用戶體驗，促進物聯網產品的快速普及。eMTC基于LTE協議演進而來，為了更加適合物與物之間的通信，也為了更低的成本，對LTE協議進行了裁剪和優化。eMTC基于蜂窩網絡進行部署，其用戶設備通過支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可以直接接入現有的LTE網絡。eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率。而NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。

NB-IoT其實基于GSM網絡和UMTS網絡就可以進行部署，它不需要和5G的核心技術那樣需重新建設網絡，但是，雖然它部署在GSM和UMTS的網絡上，還是一個重新建設的網絡，而它的能力是大大降低功耗，也是為了滿足5G對于低功耗物聯網應用場景的需要，和eMTC一樣，是5G網絡體系的一個組成部分。

低時延

5G的一個新場景是無人駕駛、工業自動化的高可靠連接。人與人之間進行信息交流，140毫秒的時延是可以接受的，但是如果這個時延用于無人駕駛、工業自動化就無法接受。5G對于時延的最低要求是1毫秒，甚至更低。這就對網絡提出嚴酷的要求。而5G是這些新領域應用的必然要求。

無人駕駛汽車，需要中央控制中心和汽車進行互聯，車與車之間也應進行互聯，在高速度行動中，一個制動，需要瞬間把信息送到車上做出反應，100毫秒左右的時間，車就會沖出幾十米，這就需要在最短的時延中，把信息送到車上，進行制動與車控反應。

無人駕駛飛機更是如此。如數百架無人駕駛編隊飛行，極小的偏差就會導致碰撞和事故，這就需要在極小的時延中，把信息傳遞給飛行中的無人駕駛飛機。工業自動化過程中，一個機械臂的操作，如果要做到極精細化，保證工作的高品質與精準性，也是需要極小的時延，最及時地做出反應。這些特征，在傳統的人與人通信，甚至人與機器通信時，要求都不那么高，因為人的反應是較慢的，也不需要機器那么高的效率與精細化。而無論是無人駕駛飛機、無人駕駛汽車還是工業自動化，都是高速度運行，還需要在高速中保證及時信息傳遞和及時反應，這就對時延提出了極高要求。

要滿足低時延的要求，需要在5G網絡建構中找到各種辦法，減少時延。邊緣計算這樣的技術也會被采用到5G的網絡架構中。

萬物互聯

傳統通信中，終端是非常有限的，固定電話時代，電話是以人群為定義的。而手機時代，終端數量有了巨大爆發，手機是按個人應用來定義的。到了5G時代，終端不是按人來定義，因為每人可能擁有數個，每個家庭可能擁有數個終端。

2018年，中國移動終端用戶已經達到14億，這其中以手機為主。而通信業對5G的愿景是每一平方公里，可以支撐100萬個移動終端。未來接入到網絡中的終端，不僅是我們今天的手機，還會有更多千奇百怪的產品?？梢哉f，我們生活中每一個產品都有可能通過5G接入網絡。我們的眼鏡、手機、衣服、腰帶、鞋子都有可能接入網絡，成為智能產品。家中的門窗、門鎖、空氣凈化器、新風機、加濕器、空調、冰箱、洗衣機都可能進入智能時代，也通過5G接入網絡，我們的家庭成為智慧家庭。

而社會生活中大量以前不可能聯網的設備也會進行聯網工作，更加智能。汽車、井蓋、電線桿、垃圾桶這些公共設施，以前管理起來非常難，也很難做到智能化。而5G可以讓這些設備都成為智能設備。

重構安全

安全問題似乎并不是3GPP討論的基本問題，但是它也應該成為5G的一個基本特點。

傳統的互聯網要解決的是信息速度、無障礙的傳輸，自由、開放、共享是互聯網的基本精神，但是在5G基礎上建立的是智能互聯網。智能互聯網不僅是要實現信息傳輸，還要建立起一個社會和生活的新機制與新體系。智能互聯網的基本精神是安全、管理、高效、方便。安全是5G之后的智能互聯網第一位的要求。假設5G建設起來卻無法重新構建安全體系，那么會產生巨大的破壞力。

如果我們的無人駕駛系統很容易攻破，就會像電影上展現的那樣，道路上汽車被黑客控制，智能健康系統被攻破，大量用戶的健康信息被泄露，智慧家庭被攻破，家中安全根本無保障。這種情況不應該出現，出了問題也不是修修補補可以解決的。

在5G的網絡構建中，在底層就應該解決安全問題，從網絡建設之初，就應該加入安全機制，信息應該加密，網絡并不應該是開放的，對于特殊的服務需要建立起專門的安全機制。網絡不是完全中立、公平的。舉一個簡單的例子：網絡保證上，普通用戶上網，可能只有一套系統保證其網絡暢通，用戶可能會面臨擁堵。但是智能交通體系，需要多套系統保證其安全運行，保證其網絡品質，在網絡出現擁堵時，必須保證智能交通體系的網絡暢通。而這個體系也不是一般終端可以接入實現管理與控制的。

5G的關鍵技術

5G作為新一代的移動通信技術，它的網絡結構、網絡能力和要求都與過去有很大不同，有大量技術被整合在其中。其核心技術簡述如下：

基于OFDM優化 的波形和多址接入

5G采用基于OFDM化的波形和多址接入技術，因為OFDM技術被當今的 4G LTE 和 Wi-Fi 系統廣泛采用，因其可擴展至大帶寬應用，而具有高頻譜效率和較低的數據復雜性，能夠很好地滿足 5G 要求。OFDM 技術家族可實現多種增強功能，例如通過加窗或濾波增強頻率本地化、在不同用戶與服務間提高多路傳輸效率，以及創建單載波OFDM波形，實現高能效上行鏈路傳輸。

實現可擴展的OFDM 間隔參數配置

通過OFDM子載波之間的15kHz間隔（固定的OFDM參數配置），LTE最高可支持20 MHz的載波帶寬。為了支持更豐富的頻譜類型/帶（為了連接盡可能豐富的設備，5G將利用所有能利用的頻譜，如毫米微波、非授權頻段）和部署方式。5G NR將引入可擴展的OFDM間隔參數配置。這一點至關重要，因為當FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）為更大帶寬擴展尺寸時，必須保證不會增加處理的復雜性。而為了支持多種部署模式的不同信道寬度， 5G NR必須適應同一部署下不同的參數配置，在統一的框架下提高多路傳輸效率。另外，5G NR也能跨參數實現載波聚合，比如聚合毫米波和6GHz以下頻段的載波。

OFDM加窗提高 多路傳輸效率

5G將被應用于大規模物聯網，這意味著會有數十億設備在相互連接，5G勢必要提高多路傳輸的效率，以應對大規模物聯網的挑戰。為了相鄰頻帶不相互干擾，頻帶內和頻帶外信號輻射必須盡可能小。OFDM能實現波形后處理（post-processing），如時域加窗或頻域濾波，來提升頻率局域化。

靈活的框架設計

設計5G NR的同時，采用靈活的5G網絡架構，進一步提高5G服務多路傳輸的效率。這種靈活性既體現在頻域，更體現在時域上，5G NR的框架能充分滿足5G的不同服務和應用場景。這包括可擴展的時間間隔（STTI，Scalable Transmission Time Interval ），自包含集成子幀（Self-contained integrated subframe）。

先進的新型無線技術

5G演進的同時，LTE本身也還在不斷進化（比如最近實現的千兆級4G+），5G不可避免地要利用目前用在4G LTE上的先進技術，如載波聚合、MIMO、非共享頻譜等。這包括眾多成熟的通信技術：

大規模MIMO：從2×2提高到了目前4×4 MIMO。更多的天線也意味著占用更多的空間，要在空間有限的設備中容納進更多天線顯然不現實，只能在基站端疊加更多MIMO。從目前的理論來看，5G NR 可以在基站端使用最多256根天線，而通過天線的二維排布，可以實現3D波束成型，從而提高信道容量和覆蓋。

毫米波：全新5G技術正首次將頻率大于24GHz以上頻段（通常稱為毫米波）應用于移動寬帶通信。大量可用的高頻段頻譜可提供極致數據傳輸速度和容量，這將重塑移動體驗。但毫米波的利用并非易事，使用毫米波頻段傳輸更容易造成路徑受阻與損耗（信號衍射能力有限）。通常情況下，毫米波頻段傳輸的信號甚至無法穿透墻體，此外，它還面臨著波形和能量消耗等問題。

頻譜共享：用共享頻譜和非授權頻譜，可將5G擴展到多個維度，實現更大容量、使用更多頻譜、支持新的部署場景。這不僅將使擁有授權頻譜的移動運營商受益，而且會為沒有授權頻譜的廠商創造機會，如有線運營商、企業和物聯網垂直行業，使他們能夠充分利用5G NR技術。5G NR原生地支持所有頻譜類型，并通過前向兼容靈活地利用全新的頻譜共享模式。

先進的信道編碼設計：目前LTE網絡的編碼還不足以應對未來的數據傳輸需求，因此迫切需要一種更高效的信道編碼設計，以提高數據傳輸速率，并利用更大的編碼信息塊契合移動寬帶流量配置，同時，還要繼續提高現有信道編碼技術（如LTE Turbo）的性能極限。 LDPC的傳輸效率遠超LTE Turbo，且易平行化的解碼設計，能以低復雜度和低時延，擴展達到更高的傳輸速率。

超密集異構網絡

5G網絡是一個超復雜的網絡，在2G時代，幾萬個基站就可以做全國的網絡覆蓋，但是到了4G中國的網絡超過500萬個。而5G需要做到每平方公里支持100萬個設備，這個網絡必須非常密集，需要大量的小基站來進行支撐。同樣一個網絡中，不同的終端需要不同的速率、功耗，也會使用不同的頻率，對于QoS的要求也不同。這樣的情況下，網絡很容易造成相互之間的干擾。5G網絡需要采用一系列措施來保障系統性能：不同業務在網絡中的實現、各種節點間的協調方案、網絡的選擇以及節能配置方法等。

在超密集網絡中，密集地部署使得小區邊界數量劇增，小區形狀也不規則，用戶可能會頻繁復雜地切換。為了滿足移動性需求，這就需要新的切換算法。

總之，一個復雜的、密集的、異構的、大容量的、多用戶的網絡，需要平衡、保持穩定、減少干擾，這需要不斷完善算法來解決這些問題。

網絡的自組織

自組織的網絡是5G的重要技術，這就是網絡部署階段的自規劃和自配置；網絡維護階段的自優化和自愈合。自配置即新增網絡節點的配置可實現即插即用，具有低成本、安裝簡易等優點。自規劃的目的是動態進行網絡規劃并執行，同時滿足系統的容量擴展、業務監測或優化結果等方面的需求。自愈合指系統能自動檢測問題、定位問題和排除故障，大大減少維護成本并避免對網絡質量和用戶體驗的影響。

SON技術應用于移動通信網絡時，其優勢體現在網絡效率和維護方面，同時減少了運營商的支出和運營成本投入。由于現有的 SON 技術都是從各自網絡的角度出發， 自部署、自配置、自優化和自愈合等操作具有獨立性和封閉性，在多網絡之間缺乏協作。

網絡切片

就是把運營商的物理網絡切分成多個虛擬網絡，每個網絡適應不同的服務需求，這可以通過時延、帶寬、安全性、可靠性來劃分不同的網絡，以適應不同的場景。通過網絡切片技術在一個獨立的物理網絡上切分出多個邏輯網絡，從而避免了為每一個服務建設一個專用的物理網絡，這樣可以大大節省部署的成本。

在同一個5G網絡上，通過技術電信運營商會把網絡切片為智能交通、無人機、智慧醫療、智能家居以及工業控制等多個不同的網絡，將其開放給不同的運營者，這樣一個切片的網絡在帶寬、可靠性能力上也有不同的保證，計費體系、管理體系也不同。在切片的網絡中，各個業務提供商，不是如4G一樣，都使用一樣的網絡、一樣的服務。很多能力變得不可控。5G切片網絡，可以向用戶提供不一樣的網絡、不同的管理、不同的服務、不同的計費，讓業務提供者更好地使用5G網絡。

內容分發網絡

在5G網絡中，會存在大量復雜業務，尤其是一些音頻、視頻業務大量出現，某些業務會出現瞬時爆炸性的增長，這會影響用戶的體驗與感受。這就需要對網絡進行改造，讓網絡適應內容爆發性增長的需要。

內容分發網絡是在傳統網絡中添加新的層次，即智能虛擬網絡。CDN 系統綜合考慮各節點連接狀態、負載情況以及用戶距離等信息，通過將相關內容分發至靠近用戶的CDN代理服務器上、實現用戶就近獲取所需的信息，使得網絡擁塞狀況得以緩解，縮短響應時間，提高響應速度。

源服務器只需要將內容發給各個代理服務器，便于用戶從就近的帶寬充足的代理服務器上獲取內容，降低網絡時延并提高用戶體驗。CDN技術的優勢正是為用戶快速地提供信息服務，同時有助于解決網絡擁塞問題。CDN技術成為5G必備的關鍵技術之一 。

設備到設備通信

這是一種基于蜂窩系統的近距離數據直接傳輸技術。設備到設備通信（D2D）會話的數據直接在終端之間進行傳輸，不需要通過基站轉發，而相關的控制信令，如會話的建立、維持、無線資源分配以及計費、 鑒權、識別、移動性管理等仍由蜂窩網絡負責。蜂窩網絡引入D2D通信，可以減輕基站負擔，降低端到端的傳輸時延，提升頻譜效率，降低終端發射功率。當無線通信基礎設施損壞，或者在無線網絡的覆蓋盲區，終端可借助D2D實現端到端通信甚至接入蜂窩網絡。在 5G 網絡中，既可以在授權頻段部署D2D通信，也可在非授權頻段部署。

邊緣計算

在靠近物或數據源頭的一側，采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務。其應用程序在邊緣側發起，產生更快的網絡服務響應，滿足行業在實時業務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。5G要實現低時延，如果數據都是要到云端和服務器中進行計算機和存儲，再把指令發給終端，就無法實現低時延。邊緣計算是要在基站上即建立計算和存儲能力，在最短時間完成計算，發出指令。

軟件定義網絡和網絡虛擬化

SDN架構的核心特點是開放性、靈活性和可編程性。它主要分為三層：基礎設施層位于網絡最底層，包括大量基礎網絡設備，該層根據控制層下發的規則處理和轉發數據；中間層為控制層，該層主要負責對數據轉發面的資源進行編排，控制網絡拓撲、收集全局狀態信息等；最上層為應用層，該層包括大量的應用服務，通過開放的北向API對網絡資源進行調用。NFV作為一種新型的網絡架構與構建技術， 其倡導的控制與數據分離、軟件化、虛擬化思想，為突破現有網絡的困境帶來了希望。

5G是一個復雜的體系，在5G基礎上建立的網絡，不僅要提升網絡速度，同時還提出了更多的要求。未來5G網絡中的終端也不僅是手機，而是有汽車、無人駕駛飛機、家電、公共服務設備等多種設備。4G改變生活，5G改變社會。5G將會是社會進步、產業推動、經濟發展的重要推進器。