下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
本节集中介绍5G可能会采用的8大核心关键技术，包括无线接入网（RAN）和网络架构（Network Architecture）两方面都会涉及的新技术。
以往移动通信的传统工作频段主要集中在3GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，而在高频段（如毫米波、厘米波频段-mmWave）可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现极高速短距离通信，能支持5G大容量和高速率等方面的需求。
高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，业界对此高度关注。下面是高频段毫米波移动通信的主要优点：
● 足够量的可用带宽；
● 小型化的天线和设备；
● 较高的天线增益；
● 绕射能力好；
● 适合部署大规模天线阵列（Massive MIMO）。
但高频段毫米波移动通信也存在传输距离短、穿透能力差、容易受气候环境影响等缺点。射频器件、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。
目前，各大研究机构和公司正在积极开展高频段需求研究以及潜在候选频段的遴选工作。高频段资源虽然目前较为丰富，但是仍需要进行科学规划、统筹兼顾，从而使宝贵的频谱资源得到最优配置。
多天线技术经历了从无源到有源、从二维（2D）到三维（3D）、从高阶MIMO到大规模阵列（Massive MIMO）的发展，将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术重要的研究方向之一。
由于引入了有源天线阵列和毫米波技术，基站侧同样大小的物理空间可支持的协作天线数量将达到128根甚至更多，如图1-8所示。
此外，原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO即立体多维MIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖性能。
3D-MIMO技术在原有的MIMO基础上增加了垂直维度，使得波束在空间上三维赋型，可更好地避免相互之间的干扰。配合大规模MIMO，可实现多方向波束赋型。
图1-8 Massive MIMO原理示意图
目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制等问题进行研究，未来将支持更多的用户空分多址（SDMA），显著降低发射功率，实现绿色节能，提升覆盖能力。
调制编码技术是移动通信的核心技术，是皇冠上的明珠。5G所采用的新型调制编码技术主要包括256QAM高阶调制、LDPC和Polar编解码技术。下面分别介绍。
1948年，香农Shannon在他的开创性论文“通信中的数学理论”中第一次提出了在有噪信道中实现可靠通信的方法，提出了著名的有扰信道编码定理，奠定了纠错编码的基础。
20世纪50年代初，汉明（Hamming）、斯列宾（Slepian）、普兰奇（Prange）等人在香农理论的基础上，设计出了一系列的性能优异的编译码方案，并以此为基础得出了在编码信道条件下各种信道的香农极限。香农限作为通信系统中的性能极限，具有非常重要的意义，也带动了通信领域中设计和构造逼近香农限的纠错编码的研究与应用。
简单来说，信道编码就是在K比特的数据块中插入冗余比特，形成一个更长的码块，这个码块的长度为N比特，N＞K，N-K个比特就是用于检测和纠错的冗余比特，编码率R就是K/N。一个好的信道编码，就是在一定的编码率下，能无限接近信道容量的理论极限即香农极限。
3GPP决定5G采用哪种编码方式的决定因素包括译码吞吐量、时延、纠错能力、误块率（BLER）、灵活性，还有软硬件实现的复杂性、成熟度和后向兼容性等。
LDPC码：即低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code），最早由美国麻省理工学院的Robert G.Gallager博士于1963年提出，是一类具有稀疏校验矩阵的线性分组码，不仅有逼近香农极限的良好性能，而且译码复杂度较低，结构灵活，一直是信道编码领域的研究热点。
LDPC是一种校验矩阵密度（“1”的数量）非常低的分组码，核心思想是用一个稀疏的向量空间把信息分散到整个码字中，也就是要求校验矩阵中1的个数远小于0的个数，并且码长越长，密度就越低。
普通的分组码校验矩阵密度大，采用最大似然法在译码器中解码时，错误信息会在局部的校验节点之间反复迭代并被加强，造成译码性能下降。反之，LDPC的校验矩阵非常稀疏，错误信息会在译码器的迭代中被分散到整个译码器中，正确解码的可能性会相应提高。简单来说，普通的分组码的缺点是错误集中并被扩散，而LDPC的优点是错误分散并被纠正。
但是由于LDPC解码器运算复杂，限于当时的硬件技术条件和缺乏可行有效的译码算法，在问世后的35年间，LDPC码被逐渐遗忘了。
直到20世纪80年代，Tanner用图论的方式解释了LDPC码，并改进了译码方法。1993年，Berrou等人发现了Turbo码，在此基础上，1995年左右剑桥大学卡文迪许实验室的David J.C.MacKay再次发现了LDPC这种性能优秀的信道编码，并提出了可行的译码算法，从而进一步发现了LDPC码所具有的良好性能，迅速引起强烈反响和极大关注，LDPC码也再次进入学术界的视野。
随后，学术界对LDPC码投入了大量的关注，包括对编码矩阵构造、解码算法优化等关键技术展开了研究。其中比较关键的突破包括高通公司的Thomas J.Richardson提出的Multi-Edge构造方法可以灵活地得到不同速率LDPC码，非常适合通信系统的递增冗余（IR-HARQ）技术；再加上LDPC的并行解码可以大幅度降低LDPC码的解码时间和复杂度，至此，LDPC从理论上进入通信系统的障碍被全部扫清了。
经过十几年来的研究和软硬件技术的飞速发展，LDPC码的相关技术也日趋成熟，已经开始有了商业化的应用成果，并进入了无线通信等相关领域，LDPC码被各种通信系统所采纳，目前已广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域。
● 广播系统：卫星数字广播系统（DVB-S2）系统、地面数字视频广播（DTMB）系统、中国移动多媒体广播（CMMB）系统。
● 固定接入网络：ITU-T高速家庭有线网络（G.hn）。
● 无线接入网络：IEEE的802.11n、802.11ac、802.16e（WiMAX）。
● 此外，LDPC还被应用在包括嫦娥二号在内的航天通信领域。
至此，没有正式接纳 LDPC 码的只有 3GPP 所主导的主流移动通信系统了（WiMAX并未被主流运营商大规模部署）。这个遗憾就好比乒乓球运动员马龙在里约奥运会之前，离大满贯就只差一个奥运冠军了。
LDPC在3GPP的第一次尝试出现在2006年的LTE R8讨论中。由于非技术因素，LDPC码惜败于风头正劲的Turbo码，错过了成就大满贯的机会。但是错过了第一个赛点的LDPC码并没淡出大众的视线，依然在其他通信标准领域高歌猛进。2016年，经过10年的积淀，在实际通信系统中得到了充分验证的LDPC又来到了移动通信标准的赛场上，成为5G的备选方案。这次，天时、地利、人和都站在LDPC这边。面对第二个赛点的LDPC码已经成为包括大部分中国公司在内的业界共识。经过深入的讨论，在通信界主流公司（高通、三星、诺基亚等）的推动下，2016年10月14日，在葡萄牙里斯本召开的3GPP RAN1会议上，LDPC码终于击败Turbo 2.0被3GPP接纳为5G系统eMBB场景下业务信道数据信息的长码块编码方案，在问世53年之后，LDPC码终于被主流移动通信系统接纳采用了。
Polar码：目前研究成果最多、比较成熟并逼近香农极限的纠错码是LDPC码和Turbo码。虽然两种码字的性能已十分优异，但人们一直坚持寻找性能更好，可以非常接近甚至完全达到香农极限并且有简单的编译码方法的各类编码方案。
Polar码是编码界新星，由土耳其毕尔肯大学E.Arikan教授于2007年基于信道极化理论提出，是一种全新的线性信道编码方法，该码字是迄今发现的唯一一类能够达到香农极限的编码方法，并且具有较低的编译码复杂度，当编码长度为N时，复杂度大小为O（NlogN）。Polar码自从提出以来，就吸引了众多学者的兴趣，是这几年信息编码领域研究的热点。
Polar码的理论基础就是信道极化理论。信道极化包括信道组合和信道分解两部分。当组合信道的数目趋于无穷大时，则会出现极化现象：一部分信道将趋于无噪信道，另外一部分则趋于全噪信道，这种现象就是信道极化现象。无噪信道的传输速率将会达到信道容量I（W），而全噪信道的传输速率趋于零。Polar码的编码策略正是应用了这种现象的特性，利用无噪信道传输用户有用的信息，全噪信道传输约定的信息或者不传信息。
2016年11月 19日，在美国内华达州里诺刚刚结束的 3GPP RAN1第 87次会议上，国际移动通信标准化组织3GPP确定将Polar码（极化码）作为5G eMBB（增强移动宽带）场景的控制信道即短码块编码方案。
至此，5G eMBB（增强移动宽带）场景的信道编码技术方案完全确定，其中Polar码作为控制信道即短码块的编码方案，LDPC码（低密度奇偶校验码）作为数据信道即长码块的编码方案。
LTE R12已经支持5个 20MHz载波聚合，如图1-9所示。
5G将扩展到支持多达32个载波聚合。另外，未来的5G网络将是一个融合的网络，载波聚合技术将大大扩展到支持以下各种不同类型的无线链路间的载波聚合技术，如图1-10所示。
● LTE内多达32载波的聚合。
● 系统间与3G-HSPA+无线链路的载波聚合。
● 支持FDD+TDD链路聚合，即上下行非对称的载波聚合。
● 支持LTE授权频谱辅助接入（LAA/eLAA），即支持与非授权频谱比如WiFi无线链路之间的载波聚合。
图1-9 LTE内5个载波聚合示意图
图1-10 5G支持多无线链路间的载波聚合技术
网络切片（Network Slice）技术，最简单的理解就是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络，每个虚拟网络之间，包括网络内的设备、接入、传输和核心网，都是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他虚拟网络。每个虚拟网络就像是瑞士军刀上的钳子、锯子一样，具备不同的功能、特点，面向不同的需求和服务，可以灵活配置调整，甚至可以由用户定制网络功能与服务，实现网络即服务（Network as a Service，NaaS）。
目前4G网络中主要终端设备是手机，网络中的无线接入网部分（包括数字单元（Digital Unit，DU）或基带单元（Baseband Unit，BBU）和射频单元（Radio Unit，RU））和核心网部分都采用设备商提供的专用设备。
4G网络主要服务于人，连接网络的主要设备是智能手机，不需要网络切片以面向不同的应用场景。但是5G网络需要将一个物理网络分成多个虚拟的逻辑网络，每一个为了实现网络切片，网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）是先决条件。本质上讲，所谓NFV，就是将网络中的专用设备的软硬件功能（比如核心网中的MME、S/P-GW和PCRF，无线接入网中的数字单元DU等）转移到虚拟主机（Virtual Machines，VM）上。这些虚拟主机是基于行业标准的商用服务器，低成本且安装简便。简单来说，就是用基于行业标准的服务器、存储和网络设备，来取代网络中专用的网元设备，从而实现网络设备软硬件解耦，达到快速开发和部署。
图1-11 5G网络切片技术
网络经过功能虚拟化后，无线接入网部分叫边缘云（Edge Cloud），而核心网部分叫核心云（Core Cloud）。边缘云中的VM和核心云中的VM，通过SDN（软件定义网络）互联互通，也实现网络设备软硬件解耦，也达到控制与承载彻底分离。
如图1-11所示，针对不同的应用场景，网络被“切”成4“片”。
高清视频切片（UHD Slice）：原来网络中数字单元（Digital Unit，DU）和部分核心网功能被虚拟化后，加上存储服务器，统一放入边缘云（Edge Cloud）。而部分被虚拟化的核心网功能放入核心云（Core Cloud）。
手机切片（Phone Slice）：原网络无线接入部分的数字单元（DU）被虚拟化后，放入边缘云。而原网络的核心网功能，包括IMS，被虚拟化后放入核心云。
大规模物联网切片（Massive IoT Slice）：由于大部分传感器都是静止不动的，并不需要移动性管理，在这个切片中，核心云的任务相对轻松简单。
任务关键性物联网切片（Mission Critical IoT Slice）：由于对时延要求很高，为了最小化端到端时延，原网络的核心网功能和相关服务器均下沉到边缘云。
当然，网络切片技术并不仅限于这几类切片，它是灵活的，运营商可以随心所欲地根据应用场景定制自己的虚拟网络。
传统的蜂窝通信系统的组网方式是以基站为中心实现小区覆盖，而基站及中继站无法移动，其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务的不断增多，传统的以基站为中心的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。
设备到设备直接通信（D2D）技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式，因此D2D通信具备以下优点：
● 由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；
● 通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；
● 支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。
目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、自组织网络技术，多天线技术和联合编码技术等。
当然，D2D通信技术只能作为蜂窝网络辅助通信的手段，而不能独立组网通信。
在未来的5G通信中，无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及，数据流量将出现井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得超密集异构网络（Ultra-dense Hetnet）成为实现未来5G的1000倍容量需求的主要手段之一。
未来5G网络将采用立体分层超密集异构网络（HetNet），在宏蜂窝网络层（Macro Cell）中部署大量微蜂窝小区（Micro Cell）、微微蜂窝小区（Pico Cell）、毫微微蜂窝小区（Femto Cell），覆盖范围从几百米到十几米。超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。未来，面向高频段、大带宽，将采用更加密集的网络方案，部署小小区/扇区将高达100个以上。
与此同时，愈发密集的网络部署也使得网络拓扑更加复杂，小区间干扰已经成为制约系统容量增长的主要因素，极大地降低了网络能效。干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、负载动态平衡、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前密集网络方面的研究热点。
目前，LTE接入网采用网络扁平化架构，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。未来5G可能采用云接入网架构，即所谓的Cloud-RAN（C-RAN）。
C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。
C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰、降低功耗、提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出。目前的研究内容包括 C-RAN的架构和功能，如集中控制、基带池 RRU接口定义、基于C-RAN的更紧密协作，如基站簇、虚拟小区等。
5G网络架构也将全面采用SDN和NFV技术。
云端虚拟化技术在IT业的日益成熟和成功应用以及互联网的开放思维都共同驱动各大运营商对移动通信网络架构及业务部署的重新思考。
软件定义网络（SDN）的概念是让软件来控制网络，充分开放网络能力，是一种具有控制信令与用户数据分离（C-U Split）、网络功能集中控制、开放应用程序界面API这三大特征的新型网络架构和网络技术。通过引进SDN的概念，可以将封闭垂直一体的传统电信网络架构一举转为弹性化、开放、高度整合、服务导向及确保服务质量的分层网络架构。
在引入SDN后，面临的新挑战是如何进行网络功能重构，如何设计新增接口协议，进而基于SDN实现架构的优化以及端到端信令流程的优化。另一方面，大量的复杂控制机制集中到SDN控制器上运行，也降低了SDN交换器的采购、管理与替换等成本，连带解决了被网络通信设备制造商的专用硬件设备绑定的问题。
与SDN的概念相仿，网络功能虚拟化（NFV）的目的之一也是在于实现特定的网络通信设备的软硬件功能解耦。NFV采用云端虚拟化为主的IT手段改造4G/5G核心网络，目前4G/5G核心网络上最重要的功能除了EPC之外就是IMS，其虚拟化后分别称为vEPC及vIMS，这样就可以采用市场上通用的服务器平台来替代原来昂贵的专用电信设备，单位计算性能价格比远低于电信设备，并且成本下降和更新周期的幅度数倍于专用电信设备，这样能够以更低成本、更快地引进新IT技术和新IT设备，维持硬件设备性能优于竞争对手。
透过NFV，既有专用4G核心网络的相关网络设备的功能以软件的方式虚拟化，并经由云计算（Cloud Computing）相关技术，硬件资源虚拟化为多个 VM （Virtual Machine），利用云端计算的快速部署能力，使得各个 EPC 软件网络组件（Network Entity）的容量配置调整周期从数周缩短到数分钟，大幅提升了EPC网络组件部署和更新的敏捷性，负载平衡机制提升系统服务水平，每个VM可以迁移和重生，在本地或异地相互热备份，进一步确保网络的高可靠性。并实现设备容量按需求（On Demand）动态弹性扩充，确保系统的可维护性，且大幅降低服务器硬件基础设施的部署与运维成本。如此一来，4G/5G网络运营商和设备商的重点就能转移到服务创新上，进一步为电信运营商创造更高的运营收益。
由于NFV与SDN技术双方的核心概念颇有相通之处，两者具备互补整合之高度条件，因此目前在4G核心网络实现虚拟化的工作中，经常将NFV与SDN相提并论，两者间未来可能发展出的协同运作模式也值得探讨。SDN负责Layer-3以下的网络基础设施及低层网络流量转送的处理；而NFV则负责Layer-3以上的网络上层应用服务设施的弹性灵活的资源调度，两者相辅相成，营造出未来高效优化的运营商整合服务平台。