5G关键技术

5G关键技术	大规模MIMO技术
毫米波技术
C-RAN
NFV
SDN
网络切片
MEC
回传
前传

1.无线接入网

为优化网络性能中的容量与频谱效率，在减少传输延迟的同时提高能效水平，并通过实现5G关键绩效指标（KPI）的要求来确定5G无线接入网的关键技术体系。其中主要的技术包括大规模多输入多输出技术（Massive MIMO）、毫米波通信技术和C-band射频接入网络（C-RAN）等。

(1)Massive MIMO

5G的一项核心技术就是大规模天线系统（Large scale MIMO），也被称作MassiveMIMO（Massive MIMO），如图1-1-3所示。目前该技术已取得显著进展，在低频领域已推出了适用于5G网络的商用设备。

可以从以下两个方面理解Massive MIMO:
① 天线的数量方面,传统的TDD网络仅使用2-8个天线,而Massive MIMO系统则采用了64/128/256个天线,显著提升了系统的容量和性能。
② 信号传播维度方面,传统MIMO技术(如基于8个天线的二维MIMO)仅能在水平方向上实现信号传播,垂直方向固定不变;而Massive MIMO系统则突破了这一限制,实现了三维空间内的自由传播,形成了类似于球状辐射的多径传播特性（如图1-1-4所示）。

Massive MIMO技术具有以下显著优势：
①通过提供丰富的空间自由度，并支持空分多址技术（SDMA），实现了更高的系统容量；
②基站在同一时间频资源下可服务于数十个移动终端；
③通过增加更多可能的到达路径，并提升了信号可靠性；
④在保证服务质量的同时显著提升了小区峰值吞吐量；
⑤有效降低了系统运行成本并显著提高了平均吞吐量；
⑥通过优化网络结构降低了对周边基站的干扰程度；
⑦在保证边缘用户质量的前提下显著提升了小区边缘用户的平均吞吐量。

(2)毫米波

毫米波属于频率范围为30至300 GHz的电磁波，在微波和红外线频段之间形成独特的存在特性。在5G技术领域中被限定为24至100 GHz的操作频段（如图1-1-5所示）。基于其极高的频率特性，在数据传输速度上表现出显著优势的同时这一宽泛的频段范围也提供了更大的选择空间给运营商。

然而毫米波并非完美无缺，在某些方面存在局限性。（数学公式...）具体而言，在极短的波长范围（通常在1到10毫米之间），这使得其能够穿透各种障碍物（如空气、雾气、云层以及较厚实的物质）的能力较弱，并导致信号强度减弱。（英文原文保持不变）另一方面，在某些方面具有优势，在接收与发送装置能够设计得非常紧凑的情况下（特别是在手机等受限空间中），小型化设计则进一步简化了在有限空间内布置多个小型化天线组的可能性

(3)C-RAN

C-RAN（集中式无线接入网）通过将无线接入的网络功能转化为虚拟化的功能，并布置在标准云环境中，致力于增强设计灵活性并提升计算可扩展性的同时还能有效降低成本。其本质在于通过减少基站机房的数量来降低能耗，并采用协作化与虚拟化技术实现资源共享与动态调度机制从而提升了频谱效率最终实现了低成本高带宽以及高灵活度的运营目标。
在C-RAN架构下BBU（基带单元）的功能实现了虚拟化配置且采用了集中式且池状式的布局方式而RRUs（射频拉远单元）则采用了分布式部署策略每个RRU通过前传网络连接到BBU集群从而实现资源共享与信号灵活分配如图1-1-6所示展示了这一系统的整体架构。

C-RV具有显著提升计算效率与能效的能力，并且能够支持CoMP（多点协作）传输以及动态小区死置等问题的解决；相比之下,C-RAN体系面临着前传网络设计与部署所面临的较高技术挑战

2.核心网

核心网的关键技术支持领域主要包括以下关键技术点：网络功能虚拟化（NPV）、软件定义网络（SDN）、动态服务切分以及多接入边缘计算（MEC）。

(1)NFV

NFV是采用IT虚拟化技术将网络功能软件化并在通用硬件平台上运行从而取代传统的专用网络硬件设施如图1-1-7所示 NFV则通过将网络功能部署到虚拟机上实现对通用硬件或透明容器的支持这不仅提升了配置的灵活性可扩展性和移动性同时也降低了项目的资本支出（CAPEX）和运营成本（OPEX）。

NFV虚拟化的主要设备包括交换设备（如Open vSwitch等）、路由器设备以及各类核心网络设备如高可用性定位寄存器（HLR）、移动通信系统支持节点（SGSN）、核心网功能支持节点（GGSN）、承载网功能支持节点（CCSN）、无线网络控制单元（RNC）、服务网关（SCW）、分组数据网络分组处理网关（PGW）、接入网关（RCW）、宽带远程接入服务器（BRAS）、运营商级地址转换器（CGNAT）以及深度包检测路由器（DPI）。这些设备不仅具备独立功能能力，在软件定义网络框架下也能够协同工作以提升整体性能。NFV体系架构不依赖于软件定义网络架构，在实际应用中既可以独立部署使用，并发式部署各类功能模块；同时还可以通过与软件定义网络协同工作来实现更加灵活的资源调度和业务管理策略。

(2)SDN

软件定义网络（SDN）是一种新型的网络创新架构，在这一领域中Emulex提出了其中一种具体方案作为其技术实现之一。这种方案作为网络虚拟化技术的重要组成部分，在其核心技术OpenFlow的作用下实现了对网络资源的有效划分与优化配置。该技术通过对传统物理层与数据链路层进行分离管理，在提升系统性能的同时实现了对资源分配过程的高度动态调节能力

在SDN架构下，控制平面通过发送控制指令至转发接口对各网络设备进行集中管理，并通过这些指令完成对各节点之间的协调与统一操作。这些用于协调各设备之间协作关系的控制信息仅限于控制器与设备之间的传输通道，并不涉及终端间通信产生的数据流量相关内容。当相关设备接收到来自控制器发出的具体操作指令后会生成相应的转发表，并依据此策略对数据流量进行处理以达到优化效果的目的

(3)网络切片

网络切片是一种全程化的虚拟化子网络架构，在其设计中包含了核心网络（包含控制平面与用户平面）以及无线接入层、承载层与传输层四个主要组成部分，在实际运行中需要各组成部分之间紧密配合才能达到预期性能目标；此外在实际应用中不同切片之间既可以共享资源又可保持独立性以满足特定业务需求（如图1-1-9所示）。

采用SDN/NFV技术开展网络切片方案，在通用硬件平台上实现多功能组网架构。各独立网络切片借助虚拟化技术共享同一物理基础设施资源，并在此基础上形成协同协作关系；通过灵活配置各子系统参数设置和运行模式选择等手段优化整体性能表现；各独立网络切片借助虚拟化技术共享同一物理基础设施资源，并在此基础上形成协同协作关系；通过灵活配置各子系统参数设置和运行模式选择等手段优化整体性能表现；各独立网络切片借助虚拟化技术共享同一物理基础设施资源，并在此基础上形成协同协作关系；通过灵活配置各子系统参数设置和运行模式选择等手段优化整体性能表现

(4)MEC

MBC主要作为网络边缘的云基IT计算及存储平台。通过将数据存储和计算资源部署于更靠近用户的位置,从而实现了低延迟传输,为提供高质量的实时应用奠定了基础,如图1-1-10所示。

MIEC可通过借助开放生态系统导入新应用的方式, 以便于运营商能够提供史丰晶的增值服务, 如数据分析. 定位服务. 增强现实（AR）技术和数据缓存等.

3.回传和前传技术

(1)回传

回传(backhaul网络)指的是从无线接入网延伸至核心网的关键组成部分，在移动通信系统中占据重要地位。光纤作为 backhaul 网络的最佳选择之一，在大规模部署中展现出显著优势；然而，在光纤大规模建设受限或高昂成本的情况下，则可采用无线 backhaul 方案的具体实例之一——如点对点微波通信与毫米波频段的 backhaul 系统；此外，在R16标准中还计划引入一种新型的 backhaul 技术——即IAB（5G NR集成型无线接入与回传）。

(2)前传

前传系统（fronthaul）是指布线单元（BBU）与射频单元（AAU/RRU）之间的连接结构，在C-RAN架构中被特别强调。影响该系统承载能力的主要参数包括无线传输速率与MIMO天线的数量关系。在4G网络环境下，默认采用基于CPRI的通信协议进行数据传输；然而，在面对5G网络对无线传输速率的需求显著提升以及MIMO天线数量大幅增加这一新挑战时，默认方案已显现出不足。为此，相关标准化组织正积极推进新型前传技术的研发与标准制定工作；其中包括通过将部分处理功能从布线单元（BBU）下放至射频单元（AAU/RRU），从而有效降低传输时延并提升系统整体承载能力。