1ms的時延，10Gbps速率…5G通訊技術解讀

摘要：5G通訊的關鍵技術有哪些呢？5G對於移動網際網路場景和物聯網場景又帶來了哪些新的技術和變革？

本文分享自華為雲社群《》，作者：Super.雯 。

5G作為目前最新一代的蜂窩通訊技術，一直受到很多關注，除了現在市面上推出了他們的5G手機終端以外，應用場景也從移動網際網路業務擴充套件到物聯網場景。那麼5G通訊的關鍵技術有哪些呢？5G對於移動網際網路場景和物聯網場景又帶來了哪些新的技術和變革？

5G標準演進與產業發展

過去十年間，運營商和供應商紛紛釋出了數字化和智慧化轉型戰略，隨之5G的快速部署，社會在向全連線、全感知、全智慧的社會邁出了更堅實的一步。站在今天展望未來，2025年將是一個十分重要的時間點，根據Vision25報告，到2025年：

• 智慧家庭領域：全球14%的家庭將擁有家用智慧機器人；
• AR/VR視覺領域：全球的VR/AR使用者數將達37億，採用VR/AR技術的企業將增長到10%；
• 智慧製造領域：每萬名製造業員工將與103個機器人共同工作；
• AI領域：97%的大企業將採用AI，人機協創無所不在，創造更多價值。

這些變化的背後，是5G的快速部署，2025年，全球將部署650萬基站，服務於28億使用者。如果將這幾個不同行業要達成的目標用三個詞來進行概括，其實就是萬物感知、萬物互聯和萬物智慧。

社會想要達到這些目標的很重要的一個因素將會是5G的快速部署，加快5G的部署可以幫助快速實現這些行業目標的落地。

圖-標準演進

5G標準的制定可以追溯到17年的R15，關於5G的主要標準都是在R15制定的，包括無線的技術框架，物理層的編碼，多天線系統和網路上下行的架構等。到了R16就相當於是對5G的標準又一次完善和增強，所以說R16是5G的完整版本。

但是5G標準是從Release15開始的，在這裡可以把5G技術的演進分成兩個部分來看，第一個部分它是由LTE演進過來的，從一開始的LTE-Advanced再到LTE-AdvancedPro也就是業內所說的4.5G，之後再到5G。另一個部分所包含的就是5G的新技術。所以總結來講，5G的標準是從R15開始的，並且5G新技術標準包括兩個部分，有LTE演進的部分中就包括LTEAdvancedpro演進和EPC演進。另一部分5G新技術當中就包含了5G新空口和5G新一代核心網。

5G的另一個優點就在於它把全球的標準都統一了，在3G時代，國內比較常見的有三個標準。國內三大運營商之間的標準各不相同，中國電信用得是CDMA2000，中國聯通是WCDMA還有中國移動是TD-SCDMA。這樣有一個什麼問題呢？就是當使用者在買手機的時候要注意自己的SIM卡是哪家公司的，因為不同運營商之間的網路是不相容的。

所以這一點對於使用者來講是比較麻煩的一件事。當然，使用者在買手機的時候會看到全網通和不是全網通的版本，不是全網通的手機就屬於某個運營商的定製機，這一類手機會比非定製機要便宜，但是它不支援其他的運營商網路。

到了4G時代也一樣，它同樣也有兩種標準，一種是TD-LTE另一種是FDD-LTE。為了解決這樣一種多標準的亂象，5G就規定了，之後全球就只有一種標準，這樣的話，全世界的使用者在進行行動通訊的時候會更加方便。

圖-國家策略

站在國家的層面來看，5G技術到底有多重要呢？從圖中可以看到，其實有非常多的國家都意識到了5G能為國家帶來的好處。許多國家都把5G和AI作為國家數字化發展的核心戰略。

根據統計，刺激GDP增長最有效的途徑是增加在ICT技術上的投資，並且華為研究表明，20%的ICT投資將會給國家帶來1%的GDP增長。從投資效率比來看，投資ICT技術的效率和效益是非常高的。所以有非常多的國家都意識到了5G和AI的重要性並將其作為國家發展的重要戰略。由此可以看到，建設5G已經不僅僅是運營商的工作，它更是國家建設的必要工作。

從5G的網路部署情況上來看，在2018年上半年，全世界還只有5張5G的網路，但是到了2018下半年就已經有30張了。所以5G網路部署的速度情況是非常快的。到2019年年底，國內已經有13萬座5G基站了，很多城市比如北、上、廣等已實現了5G的連片覆蓋。所以國家乃至世界，對於5G的發展都是十分重視的。

在有了5G網路之後，就也得有與之相配套的產品用於5G網路之上。在18年2月份的時候，華為就向全世界釋出了首款5G商用晶片巴龍5G01以及基於該晶片的商用終端華為5GCPE。這款終端的實測下行速率可以達到2Gbps。到了之後，華為也釋出了搭載這款晶片的5G摺疊屏手機MateX。再到之後，華為將5G模組整合到了片上系統，也推出了麒麟980、麒麟990等晶片，也有最新的5G手機HuaweiMate40等

5G關鍵技術介紹

5G的關鍵效能指標就是在上文中提到過的5G三大場景所需要具備的能力：1毫秒的時延，10Gbps的速率，每平方公里一百萬的連線，還有就是切片的網路架構，關於網路切片的詳細內容會在本小節後續進行介紹。

新架構

5G的關鍵技術可以分為三大關鍵革新來進行介紹，它們分別是新架構，新空口，全頻譜。接下來本文會對上述三個技術革新逐個進行分析。首先是5G的新架構，5G的這張網路，是一張網路，承載了千百行業。在5G網路當中，實際的應用場景是複雜多變的，某些應用場景對於網路的需求是多種多樣的，這就要求運營商對時延、頻寬等等需求進行組合來形成多個具備不同能力的切片。所以如果要做切片，這就要求網路是一個靈活的網路。

1. 網路切片

首先在5G核心網當中使用到了NFV（NetworkFunctionVirtualization）的技術，NFV即網路功能虛擬化,透過使用x86等通用性硬體以及虛擬化技術，來承載很多功能的軟體處理。從而降低網路昂貴的裝置成本。可以透過軟硬體解耦及功能抽象，使網路裝置功能不再依賴於專用硬體，資源可以充分靈活共享，實現新業務的快速開發和部署，並基於實際業務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。

通俗一點講就是網路裝置功能不再受到硬體的限制了，像在以前，記憶體是記憶體，CPU是CPU，買了這些硬體之後使用者的使用上限就只有這麼多，但是通常會多買非常多的資源來保證資源的充足。那麼這種結構，就很容易造成資源的浪費，因為平常使用過程當中並不會需要這麼多的資源。虛擬化的架構就擺脫了這些硬體的束縛，它可以把同一個硬體劃分給很多不同的使用者去使用，它是一個彈性的架構，你用多少就佔用多少，其他的部分可以讓別人來使用。

這樣一個網路，可以根據分片的需求來處理不同的業務。SDN（SoftwareDefinedNetwork）也是一樣，指的是用軟體來對網路進行定義，以此來做到一個更加智慧、彈性的網路。其核心技術OpenFlow透過將網路裝置的控制面與資料面分離開來，從而實現了網路流量的靈活控制，使網路作為管道變得更加智慧，為核心網路及應用的創新提供了良好的平臺。

由此可以看出，網路切片技術在5G網路當中的使用。它是透過切片技術在一個通用硬體基礎上虛擬出多個端到端的網路，每個網路具有不同網路功能，適配不同型別服務需求。

2. NSA&SA組網方式

圖-組網方式

5G的組網方式可以被分為非獨立組網NSA和獨立組網SA兩種方式。從圖中可以看到，NSA的架構主要是由4G核心網EPC，4G基站eNodeB，5G基站gNodeB這幾個部分組成。在這種架構下，4G和5G的基站都是由4G的核心網來控制的。但是SA組網方式就不一樣了，它主要是由4G基站eNodeB、5G基站gNodeB、4G核心網EPC和5G核心網NGC這四個部分組成。

對於讀者來講可能這兩種組網方式之間的區別可能不是特別好理解，但是可以用一個簡單的例子來給讀者們說明。比方說你是一個飯店老闆，你現在有一家飯店門面叫門面4，你請了個主廚叫大廚4。隨著生意越來越好，飯店裡人滿為患，你就打算擴張自己的生意，但是因為擴張需要大量的資金，而且不能盲目投資。所以你選了兩種方案，方案A是另外再買一個店面叫門面5並且再配一個主廚叫大廚5，這種方案最簡單，最直接，但是花的錢也是最多的。還有一種方案，方案B是再買一個店面叫門面5，但是不再請一個廚師，由大廚4來負責照看兩個店面。這種方式，雖然省錢，但是很麻煩，而且有可能大廚4會忙不過來。

在以上兩種方案中，方案A和獨立組網SA是一樣的，兩個門面就相當於是4G和5G兩種基站，裡面的大廚就相當於是核心網。那麼方案B呢，就和非獨立組網NSA一樣。這兩種組網方式根本上的差異，和飯店的這個例子其實是一樣的，歸根結底還是錢的原因。

只要有足夠的錢，想要擁有純正、完美的5G網路，那很簡單，只要所有裝置同時新建，採用獨立組網的方式，和4G完全分離開。但是並不是所有的運營商都是土豪，為了方便使用者逐步享受5G，3GPP就提出了非獨立組網這種方式，相當於是給運營商提供了兩種不同檔次的套餐。

3. 5G核心網NGC

5G核心網有四大技術特徵：

首先，控制承載分離，這樣有一個什麼好處呢？在這裡需要知道控制面和使用者面之間的區別，控制面是負責傳輸控制信令的，而使用者面所傳輸的就是使用者實際使用的資料。當控制面和使用者面分開後，這樣當運營商在進行軟體管理、升級的時候，哪邊出問題就處理哪邊，這樣子就簡單，方便了很多。

第二個，移動邊緣計算，移動邊緣計算就是一個執行在行動網路邊緣的，執行特定任務的雲伺服器。它的主要作用就是將核心網的一部分業務交給這個位於行動網路邊緣的雲伺服器機房來做。這樣子做，可以有效降低來回網路傳輸的時間，這樣子可以有效降低時延也可以節省頻寬的使用。

第三個，網路功能重構，這一點是非常好理解的，由於這個網路都放在雲端來進行計算了，而且網路的架構和各部分的功能都進行了重新規劃，所以它的特徵就是功能重構。

第四個，網路切片，這個在上文中也講到過，切片網路是一個端到端的網路，它是一個非常彈性的網路。它會根據具體的需求來進行一個端到端的劃分。

新空口

新空口的這一部分涉及到的都是物理層的知識，在此課程當中不會做過多的講解，所以如果讀者們想要詳細去了解這一部分的知識的話，可以繼續去學習5G方面的課程。在物聯網的課程當中，讀者們只需要瞭解5G使用的新空口技術有全雙工、MassiveMIMO、Polar編碼、F-OFDM和SCMA就可以了。其中在MassiveMIMO當中會使用多天線來作為接收端和傳送端，並在時域和頻域外，在空間中也採用了複用技術，以此來提高吞吐率。

全頻譜

在上文中講到，3G的頻段是1800M，4G是2600M。5G直接跳到了C頻段也就是3.4-3.6GHz。4G所使用的頻段雖然也不低，2600M就是2.6G。但是，它透過基站的訊號放大還是可以達到兩公里左右的覆蓋範圍。但是5G就不行，除了C頻段，頻段再往上還有毫米波，也就是6GHz以上的這一部分，所以說5G最大的問題是什麼？一個是它的能耗比較大，另一個就是它的覆蓋範圍和穿透力都太弱了。

所以對於5G來講，C頻段這一部分相對於毫米波，它的頻率還是比較低的，所以會被用在基站的全面覆蓋上，也就是運營商在建造的5G基站室外所使用的頻段就處於這一部分當中。之後其餘部分的頻段會被用在容量和自回傳上。關於容量，比方說像交通樞紐、體育場這些室內面積比較大、人口密度大並且阻擋物少的地方，有的時候人比較多的情況下，普通C頻段的基站由於覆蓋面積有限，每個基站可承載的使用者數量也是有限的，所以就很容易會出現速率降低的情況，這說明基站的使用者數量過多，只能犧牲速率來保證每個使用者都能接入網路。在這個時候就需要使用6GHz以上的頻段的小基站來進行擴容，因為高頻訊號雖然穿透性不好，但是相對的反射性就比較好，所以比較適合用在這些場景之下。

關於自回傳，在現如今家裡的網路，比方說光纖入戶，它用的還是有線的方式將光纖線接到小區裡面。在之後，運營商就會用無線的方式，比方說上文中提到過的CPE，來進行無線的回傳。一方面它可以作為基站來為終端提供服務，另一方面，它可以替代光纖來做到無線的自回傳，也就是下一小節要講到的FWA，fixedwirelessaccess。所以說5G的部署方式是高低頻混合組網的方式，它聚合了所有的頻段和頻譜，並將不同的頻段頻譜用在了不同的方向上，以此來使5G達到更好效果。

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