一、什么是5G?

世界通訊技術先后經歷了2G、3G、4G幾個重要時代：

• 第一代是模擬技術;
• 第二代是2G，實現了語音的數字化;
• 第三代是3G，以多媒體通信為特征;
• 第四代是4G，通信進入無線寬帶時代，速率大大提高。

第五代就是5G，最大特點就是實現了高頻傳播!

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4G的到來仿佛還在昨日，5G卻已近在咫尺。根據3GPP的規劃，5G的大規模測試和部署，最早將于2019年開始。也就是說，最快還有一年多的時間，我們就可以享受到5G帶來的全新體驗。然而作為全球通信標準，5G的意義當然不局限于網速更快，移動寬帶體驗更優，它的使命在于連接新行業，催生新服務，比如推進工業自動化、大規模物聯網、智能家居、自動駕駛等。這些行業和服務都對網絡提出了更高的要求，要求網絡更可靠、低時延、廣覆蓋、更安全。各行各業迥異的需求迫切呼喚一種靈活、高效、可擴展的全新網絡。5G應運而生。

5G是一個端到端的生態系統，它將打造一個全移動和全連接的社會。5G主要包括三方面：生態、客戶和商業模式。它交付始終如一的服務體驗，通過現有的和新的用例，以及可持續發展的商業模式，為客戶和合作伙伴創造價值。2/3/4G時代主要局限于接入網和隨之演進的核心網，更多聚焦于技術。5G的目標是“端到端”的系統構架。從技術上講，5G還將實現電信也從未有過的軟件和硬件分離，并引入IT數據中心所采用的云化和虛擬化的概念。

簡而言之，簡而言之，2/3/4G是技術推動單調的服務和商業模式，而5G要運用各種技術去滿足和支持持續變化的生態和商業模式。

二、5G關鍵技術

2.1 Massive MIMO、CU分離、網絡切片、多種接入

5G網絡從設計之初，就不僅僅強調網絡性能的提升和優化，還重視對多種業務場景的支持，使5G有望成為一個面向業務和用戶需求的網絡。對5G核心網絡來說，主要的特征包括網絡CU分離(控制面和用戶面分離)、網絡功能模塊化、引入網絡切片、引入邊緣計算、優化QoS機制、支持多種接入等。

1.Massive MIMO——大規模MIMO

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圖1 容量計算公式

容量=帶寬*頻譜效率*小區數量

5G的容量是4G的1000倍，峰值速率10Gbps-20Gbps，根據這個公式，要提升容量無非三種辦法：提升頻譜帶寬、提高頻譜效率和增加小區數量。

增加小區數量意味著建設更多基站，成本太高。至于頻譜帶寬，國外很多運營商的頻譜資源都是通過拍賣獲得的。

因而，運營商更喜歡通過提升頻譜效率的方式來提升容量。采用校驗糾錯、編碼方式等辦法都接近了香農極限，所以最有效的辦法就是多天線技術了。

所以，高階MIMO和Massive MIMO這種復雜的天線系統必然成為5G的首選。5G也可以讓高頻段擴大覆蓋范圍，這就是C-RAN結構+Massive MIMO。

2.CU分離——控制面和用戶面分離

在這樣的網絡構架下，控制面和用戶面分離。工作于低頻段且覆蓋范圍大的宏小區主要負責控制面，傳送控制信令;而工作于高頻段的小小區只負責用戶面，傳送用戶數據流量。

這樣的構架不但解決了高容量和全覆蓋的問題，同時，減少了切換，減少了網絡信令。C-RAN構架就是將RRU拉遠，BBU資源集中化，并對其進行軟件化、虛擬化和云化，電信中心機房向IT數據中心轉型，并引入移動邊緣計算等。

圖2 5G接入網架構

在不考慮重傳的情況下，LTE網絡內部時延是小于20ms，而要ping外部服務器，這個時延通常在40-50ms以上，光纖的傳播速度是200公里，5G在應對時延敏感用例時，要求接入網時延不超過0.5ms，這意味著5G中心機房(或數據中心)與5G小區(基站)之間的物理距離不能超過50公里。面對物理時延的挑戰，我們不得不考慮在接入網引入移動邊緣計算(MEC)、邊緣數據中心，也就是將以前核心網和應用網的一些功能下沉到接入網。

備注：光纖的傳播速度是2/3光速。2/3c=2*10^8/s=2*10^5/ms=200km/ms。

如果用四個詞來概括5G網絡的設計原則，它們是：解耦、軟件化、開源化和云化。

• 解耦：軟硬件解耦，控制面/用戶面分離。
• 軟件化：NFV、SDN、編排和網絡切片。
• 開源：軟硬件開源，前傳、API接口開放。
• 云化：從CAPEX向OPEX模式轉型，虛擬化&DevOps環境，動態&自動化運維。

3GPP定義的5G網絡邏輯功能架構如圖2所示。從圖1中可以看出，核心網的控制面功能實體包括AMF(Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能)、SMF(Session Management Function，會話管理功能)、PCF(Policy Control Function，策略控制功能)、AUSF(Authentication Server Function，鑒權服務功能)、UDM(Unified Data Management，統一數據管理)等。

圖3 5G網絡邏輯功能架構

AFM實現注冊管理、連接管理、移動性管理、用戶可及性管理、參與鑒權和授權相關的管理功能等。

SMF主要負責會話管理相關的功能，包括建立、修改、釋放等，具體功能包括會話建立過程中的IP地址分配、選擇和控制用戶面功能、配置業務路由和UP流量引導、確定SSC模式、配置UPF的QoS策略等。

PCF和4G網絡中的網元PCRF功能一致，從UDM獲得用戶簽約策略并下發到AMF、SMF等，再由AMF、SMF模塊進一步下發到終端、RAN和UPF。

AUSF實現對用戶的鑒權和認證。

UDM的主要功能是對各種用戶簽約數據的管理、用戶鑒權數據管理、用戶的標識管理等。UPF(User Plane Function，用戶平面功能)主要提供用戶平面的業務處理功能，包括業務路由、包轉發、錨定功能、QoS映射和執行、上行鏈路的標識識別并路由到數據網絡、下行包緩存和下行鏈路數據到達的通知觸發、與外部數據網絡連接等。

2017年R14階段，3GPP將再次向分離式的核心網構架演進之路出發。這一次更徹底，我們可以把它叫“全分離式”的網絡構架。

圖4 4.5G核心網架構分離

圖5 4G集中式核心網與5G分布式核心網

在“全分離式”構架下，SGW和PGW被分離為控制面和用戶面兩部分(如上圖黃色填充部分，SGW分離為SGW-C和SGW-U，PGW分離為PGW-C和PGW-U)，同樣，SGSN也被分離為控制面(SGSN-C)和用戶面(SGSN-U)

伴隨著用戶/控制面分離、核心網下沉和分布而來的是部署于接入網或接近接入網的分布式數據中心，并引入基于NFV的MEC(移動邊緣計算)。

3.網絡切片——Network slicing

網絡切片是5G核心網重要的關鍵技術之一，也是網絡即服務理念的直接體現，網絡切片本身就是產品和服務。網絡切片設計的出發點是按照業務對網絡的不同需求靈活組織網絡，形成為特定業務提供專屬服務的網絡，達到網絡與業務的高度匹配。端到端的整個網絡切片包括接入網絡和核心網絡的整個切片。通常的核心網網絡切片包括上面介紹的控制平面功能和用戶平面功能，對于不同的網絡切片可能共享某些控制面功能，但并不會共享用戶面功能。

網絡切片服務于特定的業務，不同切片之間的業務互相隔離、互不干擾，可以滿足垂直行業應用無需獨立建設專用網絡但可以獨享網絡資源的需求。在NFV/SDN的技術架構下，這些資源可以靈活調度，按需分配，網絡可以動態地擴容或縮容，在滿足需求的前提下，降低網絡建設和運營的成本。

在如今的移動網絡中，主要的設備是手機。RAN(DU和RU)和核心功能由RAN廠商提供的專用網絡設備構建。為了實現網絡切片，網絡功能虛擬化(NFV)是一個先決條件。基本上，NFV的主要思想是將網絡功能軟件(即分組核心中的MME，S/P-GW和PCRF以及RAN中的DU)全部部署在商業服務器上的虛擬機，而不是單獨部署在其專用網絡設備。這樣，RAN當作邊緣云，而核心功能當作核心云。位于邊緣和核心云中的VM之間的連接使用SDN進行配置。然后，為每個服務(即電話切片、大規模物聯網切片、任務關鍵的物聯網切片等等)創建切片。

網絡切片的主要功能是使不同切片相互隔離，確保每個切片不被其他切片中的擁塞而中斷。為了滿足業務的低時延需求同時節省不必要的網絡傳送需求，5G中引入MEC，其核心是將部分核心網功能和業務功能以及內容資源部署在靠近用戶側。

4.支持多種接入

為了實現網絡優化、資源高效利用以及在更廣的覆蓋范圍內終端可以使用5G服務，5G網絡提出對多接入技術的支持需求，包括3GPP接入和非3GPP接入，也就是說除了支持4G、5G還支持WLAN接入和衛星接入方式。相對于4G支持非3GPP接入不同，5G核心網絡中提出對非3GPP接入的注冊管理、連接管理的概念，并通過統一的5G核心網來管理3GPP接入和非3GPP接入。