2.3 5G
5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统。5G将满足人们超高流量密度，超高连接数密度，超高移动性的需求，能够为用户提供高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验。5G将与其他无线移动通信技术密切结合，构成新一代无所不在的移动信息网络，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。然而，并不是所有的应用都需要相同的网络性能，因此5G将放弃完全统一的网络设计，使用嵌入式和可扩展式的设计方案，通过多种商业模式和合作模式为用户提供更加广泛的应用。利用虚拟化的可编程网络，运营商可以为网络设计模块化的功能，从而实现网络的按需部署。5G网络是一种多形态网络，它由新的增强型无线接入技术、可灵活部署的网络功能以及端到端的网络编排等功能来共同驱动。5G移动通信网络的组成结构如图2-3-1所示。
图2-3-1 5G移动通信网络的组成结构
5G的大带宽和低时延，对RAN（无线接入网）体系架构进行了改进。4G网络是BBU、RRU两级结构，一个基站对应一个机房，5G演进为CU、DU和AAU三级结构，把BBU拆成CU和DU，CU放在云端，DU可以部署在远端，实现了中心化管控，核心网下移及云化成为5G发展趋势，对应的承载网也分为三级。如图2-3-2所示。
图2-3-2 RAN部署架构
考虑到以上技术和发展趋势，5G系统应该根据以下原则进行设计：
（1）频谱优势。利用更高的频段和未授权频段，整合剩余的低频段。由于不同频谱的特性不同，需使用多频谱优化，同时也引出了分离的概念。例如，控制平面和用户平面的路径分离和上下行链路的分离。这都意味着系统需要支持同时将用户连接至多个接入点。
（2）经济的密集化部署。为了实现密集化部署，需引入一些新的部署模式，如：第三方/用户部署以及多运营商/共享部署等部署方式。系统可以处理无计划的部署、无秩序部署并在这些部署下获得最佳性能。网络可以自优化负荷均衡以及干扰。
（3）协调和去干扰。使用MIMO和CoMP技术来改善系统中的SIR，同时提高QoS和整体频谱利用率。引入非正交多路复用技术，利用先进的接收机来减小干扰。
（4）支持动态的无线拓扑。设备应通过拓扑结构进行连接，从而最小化耗电量和信令流量，网络不应限制设备的可见性和可达性。如果智能手机断电，可穿戴设备可以直接连接至网络。在某些情况下，可利用D2D通信以减轻网络业务负荷。因此，无线拓扑应根据环境和上下文动态变化。
（5）创建公共的可组合核心网。系统设计将抛弃掉之前4G网络完全统一设计的理念。网络中网元的某些功能将被剥离出来，控制面/用户面功能能够通过开放的接口完全分离以支持功能的灵活利用率及可扩展性。
（6）灵活的功能。利有相同的基础设施创建网络切片以支持多种用户场景。也就是说，可利用NFV和SDN，实现网络/设备功能和RAT配置的定制化。为了增强网络的鲁棒性，状态信息应从功能和节点中分离出来，这样才能更加容易地重定位并还原上下文。
（7）支持新价值的创建。大数据分析和上下文感知是优化网络利用率的基础，同时也能为终端用户提供增值业务。在设计网络时，应注意重要数据的采集、存储和处理。此外，需充分利用网络的多种性能以促进XaaS（一切皆服务）的实现。
（8）安全和隐私。安全性是5G网络必须考虑的问题，而且必须成为系统设计的重要部分。特别是用户位置和身份等信息必须受到严格的保护。
（9）简化的操作和管理。扩展的网络性能和灵活的功能分配并不意味着需要增加操作和管理的复杂度。繁杂的操作和管理可尽量自动化完成。明确定义的开放性接口可以解决多厂商之间的互操作性和互通问题。此外，网络还将嵌入监控功能而不需要运营商使用专门的监控工具。
5G系统由3层组成：
（1）基础设施资源层。它是固定与移动融合网络的物理资源，由接入节点、云节点（用于处理或存储资源）、5G设备、网络节点和相关链路组成。通过虚拟化原则，这些资源对于5G系统的更高层次和网络编排实体而言是可见的。
（2）业务实现层。在融合网络中所有的功能应以模块化的形式进行构建并录入资源库中。由软件模块实现的功能以及网络特定部分的配置参数可从资源库下载至所需的位置。这些功能将根据要求，通过相关的API由网络编排实体进行调用。
（3）业务应用层。该层部署了利用5G网络实现的具体应用和业务。
这3层通过网络编排实体相互关联，因此，在架构中起到至关重要的作用。网络编排实体能够管理虚拟化的端到端网络以及传统的OSS和SON。该实体作为接入点可将用户实例和业务模式转化成实际的业务和网络切片，并为给定的应用场景定义相应的网络切片，关联相关的模块化网络功能，分配性能配置参数并将其映射至基础设施资源层。与此同时，网络编排实体还能管理这些功能的扩展和地理分布。在确定的商业模式中，第三方（如：MVNO、垂直行业）还能利用该实体的某些性能，通过API和XaaS创建和管理自己的网络切片。
网络切片，也叫作“5G切片”，支持具体的通信业务，能通过具体的方法来操作业务的控制平面和用户平面。通常，5G切片由大量的5G网络功能和具体的RAT集组成。网络功能和RAT集如何组合由具体的使用场景或商业模式而定。因此，5G切片可以跨越所有的网络域，它包括运行在云节点上的软件模块，支持功能位置灵活化的传输网络配置，专用的无线配置或是具体的RAT，以及5G设备的配置。但并非所有的切片都包括相同的功能，一些现在看来必不可少的移动网络功能可能不会出现在这些切片中。
5G切片的目的是为用户实例提供必要的业务处理功能，而省去其他不必要的功能。切片背后的灵活性是扩展现有业务和创建新业务的关键。允许第三方实体通过适当的API来控制切片的某些方面，以提供定制化业务。
例如，智能手机应用的5G切片可通过设置成熟的分布式功能来实现。对于5G切片所支持的汽车使用场景而言，安全性、可靠性和时延是非常关键的。所有的关键功能可在云边缘节点中实例化，包括对时延要求严格的垂直化应用。为了在云节点中加载垂直化应用，系统必须定义开放的接口。为了支持大量的机械类设备（如传感器），5G切片还将配置一些基本的控制平面功能，而省去移动性功能，针对这类设备的接入还可以适当地配置一些基于竞争的资源。
不考虑网络所支持的切片，5G网络还应该包括相应的功能以确保在任何环境下对网络端到端业务的控制和安全性操作。
5G系统与之前网络“一刀切”的方式不同，5G网络可以通过将5G网络功能与适当5G RAT相结合的方式，为具体的应用量身定制最佳的网络。
虽然使用NFV的通用可编程硬件可以实现所有的网络处理功能，但在这种方式下，用户平面功能需使用专用的硬件才可以在降低成本的同时达到一定的性能目标。最近在虚拟化技术方面的研究，控制平面功能的实现则可以不使用专门的硬件。
5G网络的独特之处在于它能够定制网络功能以及这些功能在网络中实现的位置。因此，希望控制和用户平面在逻辑上是分离的，物理上也希望尽可能地分离。这样可以实现独立的扩容和位置的灵活性，使得以设备为中心的方式更易实现。在这种以设备为中心的方式下，控制平面可由宏小区处理，用户平面由微小区处理。将某些功能放置在最接近无线接口的位置能降低时延，还能通过直接在微基站中放置必要的功能实现本地数据分流机制。因此，专用核心网络的概念将过时，5G网络的功能将不再与硬件绑定，而是在最适合的位置灵活地实例化。
如果要在5G网络中完成优化工作，上下文感知功能就必不可少了。网络需要检测业务行为，而不管设备处于什么状态。因此，网络应能灵活地使用最佳的功能并将这些功能置于最佳的位置。例如，高速行驶的火车上使用视频流业务的体验类似于静止用户的体验。上下文感知是端到端管理和网络编排实体不可分割的一部分，还应与跨越整网的测量功能和数据采集功能配合使用。大数据统计分析则是提高控制精确度必不可少的组成部分。
上述系统架构和原则引出了5G系统的关键组件及术语，详情如下：
5G RAT簇（5GRF）：作为5G系统的一部分，5G RAT簇由一个或多个标准化的5G RAT组成，共同支持NGMN 5G需求，为用户提供更加完善的网络覆盖。
5G RAT（5GR）：5G RAT是5G RAT簇之间的无线接口。
5G网络功能（5GF）：5G网络功能主要支持5G网络内用户之间的通信。它是一种典型的虚拟化功能，但一些功能仍需5G基础设施通过专门的硬件实现。5G网络功能由具体的RAT功能和与访问无关的功能组成，包含支持固定接入的功能、必选功能和可选功能。必选功能是所有用户实例所需要的公共功能，如鉴权和身份管理等。可选功能并不适用于所有的应用场景，如：移动性，可根据业务类型和应用场景有所不同。
5G基础设施（5GI）：5G基础设施是基于5G网络的硬件和软件，包括传输网络、运算资源、存储单元、RF单元和电缆。5GR和5GF可通过5GI实现。
5G端到端管理和网络编排实体（5GMOE）：5G端到端管理和网络编排实体创建并管理着5G切片。它将用户实例和商业模式翻译成具体的业务和5G切片，确定相关的5GF、5GR和性能配置，并将其映射至5GI。它还管理着5GF的容量、地理分布、OSS和SON。
5G网络（5GN）：5G网络由5GF、5GR、相关5GI（包括中继设备）和支持与5G设备进行通信的5GMOE组成。
5G设备：5G设备是用于连接至5G网络以获得通信业务的所有设备。
5G系统：由5G网络和5G设备组成的通信系统。
5G分片（5GSL）：5G分片由1组5GF以及在5G系统中建立起来的相关设备功能组成，以支持特定的通信业务和用户类型。
5G之前几代的蜂窝移动通信技术主要有：GRPS、3G、4G。
● GPRS
通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS），使用带移动性管理的分组交换模式以及无线接入技术（图2-3-3）。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位来计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56kbps甚至114kbps。但GPRS技术不太适合智能家居使用，主要应用在电信网络。
图2-3-3 通用分组无线服务技术
● 3G
第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术（图2-3-4）。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。
目前3G存在四种标准：CDMA2000（美国版），WCDMA（欧洲版），TD-SCDMA（中国版），WiMAX。国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件《2000年国际移动通讯计划》。2007年，WiMAX也被接受为3G标准之一。
图2-3-4 第三代移动通信技术
CDMA是Code Division Multiple Access（码分多址）的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，而这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大大改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。而CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。
● 4G
4G技术又称IMT-Advanced技术。准4G标准，是业内对TD技术向4G的最新进展的TD-LTE-Advanced称谓。对于4G中使用的核心技术，业界并没有太大的分歧。总结起来，有正交频分复用（OFDM）技术、软件无线电、智能天线技术、多输入多输出（MIMO）技术和基于IP的核心网五种。由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率，因此4G通信给人印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。此外，4G还有网络频谱宽、通信灵活、智能性能高、兼容性好、费用便宜等优点。