5G网络切片的七种武器（一）
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廣為人知的，5G面向萬物互聯，定義了增強移動寬帶eMBB、超高可靠低時延uRLLC、海量機器類通信mMTC三大類應用場景，使得5G提供的能力集更能適合垂直行業的應用，為此5G在基礎通信技術、組網架構和組網技術上都進行了針對性的設計，同時引入網絡切片技術，提供了邏輯網絡級別的組網方式，滿足垂直行業對網絡定制、性能保障、安全隔離的個性化需求，正如公眾號「5G行業應用」文章《使能千行百業 網絡切片你行嗎》中所討論的，在5G的三大業務主線：消費性領域、管理性領域、生產性領域，網絡切片都能夠得到應用，幫助運營商快速拓展新的業務類型，并能助力垂直行業實現數字化轉型。
作為結合5G和垂直行業的公眾號，為了更進一步探討5G在垂直行業中的應用，我們對5G網絡切片能夠提供的能力集及其實現的方式，以及在垂直行業中如何進行定制化的設計做了一個相對比較全面的分析，提出5G網絡切片的“七種武器”，主要包括：超高帶寬、超低時延、海量連接、切片編排與自動部署、SLA性能保障、切片能力開放、切片商城。其中超高帶寬、超低時延、海量連接是5G提供的基礎能力，在網絡切片中也可以根據垂直行業的需要進行定制化的設計；切片編排與自動部署、SLA性能保障則是切片運維和運營需要的端到端核心能力，主要實現垂直行業應用的快速創新和上線，并保證SLA滿足用戶的要求；切片能力開放和切片商城則是5G網絡切片的用戶側能力，主要提供網絡切片的用戶接口，方便用戶訂購、管理網絡切片，并和垂直行業自身的系統和應用融合，打造行業的數字化應用。
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武器一：超高帶寬
移動通信技術的設計和其它應用系統并沒有不同，都是從需求出發的，5G在設計業務數據吞吐量的時候也討論了幾種應用環境，比如室內辦公室場景，需要在1000㎡的范圍內提供17Gbps的總流量，密集住宅區場景則需要2Tbps/㎞2的流量密度，更具挑戰的大型露天集會場景，需要網絡提供924Gbpss/0.44㎞2的流量密度。從業務應用的角度來看，3D/高清視頻、云游戲等應用需要單用戶帶寬在100Mbps級別，VR/AR應用則根據幀率等的不同，則可能高達2.34Gbps，而4G的帶寬能力在100Mbps~1Gbps，相對以上場景和業務的需求存在差距。
那么5G又是如何實現超過4G 10~100倍的吞吐率目標呢？整體來說主要通過以下三種途徑：更多頻譜、更高頻譜效率、更密集的組網。
更多頻譜
首先我們來看頻譜，設計一個移動通信的頻譜也是一個系統的工程，以5G為例，首先需要考慮5G生命周期中對流量的需求，一般來說，一代移動通信技術的主生命周期是10年，因此根據從過去的2010年，面向到2030年的未來十年，考慮5G的幾大應用場景，預計全球移動數據流量增長將超過2萬倍，而中國的移動數據流量增長超過全球平均水平，據IMT2020推進組的預測，增長將超過4萬倍。
根據流量的需求預測，結合市場數據，系統容量，計算、調整后得出移動通信的頻譜需求，下表是ITU計算的到2020年時全球的頻譜需求在1340~1960 MHz之間。根據頻譜需求及現有頻譜分配的現狀，給出5G的頻譜分配建議。
大幅增長的的總移動數據流量和10~100倍的單用戶峰值速率需求，使得5G的頻譜分配和使用呈現幾個特點：
大信道帶寬：單載波最大信道帶寬從4G的20MHz增長到100MHz（FR1：sub6GHz）和400MHz（FR2：mmWave）。
高低頻協同：覆蓋以sub 6GHz為主建設基礎承載網絡，包括新增分配頻譜和原有2G、3G頻譜的重耕和動態分配，全面提供各種業務能力支持。同時在熱點區域新增高頻（mmWave）資源建設補充承載網絡，提供更強的數據能力，形成高低頻協同的網絡。
多樣化頻譜授權：傳統的排他性授權方式面臨挑戰，LSA和非授權模式將成為補充。
全頻譜接入：需求場景的多樣性、頻譜資源分配的現狀、不同頻段的不同傳播特性等因素，要求5G能夠有效利用各類移動通信頻譜，實現全頻譜接入，包括高低頻段頻譜、授權與非授權頻譜、連續與非連續頻譜、對稱與非對稱頻譜，并能夠根據不同的業務分布和變化對頻譜資源進行動態調度。實現通過一張無線接入網絡，滿足不同行業需求的目標。
更高頻譜效率
然后我們來看看如何提高頻譜效率，實現的主要技術包括大規模天線Massive MIMO和新型調制編碼。
Massive MIMO從兩個維度改變了之前的天線，首先是天線數量，從傳統4G的2/4/8天線，到Massive MIMO的通道數達到64/128/256個；然后是信號覆蓋的維度，傳統的IMO實際信號在覆蓋時，只能在水平方向移動，垂直方向是不動的，信號類似一個平面發射出去，稱之為2D-MIMO。而Massive MIMO，是信號水平維度空間基礎上引入垂直維度的空域進行利用，信號的輻射狀是個電磁波束，稱為3D-MIMO。
Massive MIMO最早由美國貝爾實驗室研究人員提出，研究發現，當小區的基站天線數目趨于無窮大時，加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負面影響全都可以忽略不計，數據傳輸速率能得到極大提高。換個說法，在單天線對單天線的傳輸系統中，由于環境的復雜性，電磁波在空氣中經過多條路徑傳播后在接收點可能相位相反，互相削弱，此時信道很有可能陷于很強的衰落，影響用戶接收到的信號質量。而當基站天線數量增多時，相對于用戶的幾百根天線就擁有了幾百個信道，他們相互獨立，同時陷入衰落的概率便大大減小，這對于通信系統而言變得簡單而易于處理。Massive MIMO具有以下優點：
高復用增益和分集增益：Massive MIMO系統的空間分辨率與現有MIMO系統相比顯著提高，它能深度挖掘空間維度資源，使得基站覆蓋范圍內的多個用戶在同一時頻資源上利用大規模MIMO提供的空間自由度與基站同時進行通信，提升頻譜資源在多個用戶之間的復用能力，從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率。
高能量效率：大規模MIMO系統可形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區域內，從而使基站與UE之間的射頻傳輸鏈路上的能量效率更高，減少基站發射功率損耗，同時也減少了用戶間的系統干擾，大幅提升邊緣頻譜效率。
覆蓋增強：波束精準賦形，跟隨用戶移動，提升覆蓋能力，同時垂直維度的增加，有利于改善垂直維度的覆蓋能力。
當然，Massive MIMO也面臨天線拓撲、信道建模、FDD操作、用戶跟蹤、天線校準、調度和預編碼復雜性等挑戰，但可喜的是，經過大量的仿真與測試，Massive MIMO表現出了良好的性能，可以支撐起5G的頻譜效率增長需求。
偉大的香農公式給出了通過信道編碼技術來提升頻譜效率，實現可靠通信的途徑。然而設計一種具備良好性能和低計算復雜度的編碼技術并不簡單，可以說移動通信的每一次進步背后都有一種編碼技術的默默貢獻。Turbo碼就是這樣一種成功的信道編碼技術，通過引入迭代譯碼，解決了計算復雜性的問題，并能接近香農極限，在3G/4G中得到了應用。
也正是由于Turbo碼采用迭代解碼，必然會產生時延，而5G提出超高帶寬、超低時延的需求，Turbo碼遇到了挑戰。從需求上來看，5G的峰值速率是LTE的20倍，時延是LTE的1/10，這就要求5G編碼技術需在有限的時延內支持更快的處理速度，即譯碼器數據吞吐率比4G高得多。越高的譯碼器數據吞吐率就意味著硬件實現復雜度越高，處理功耗越大，而譯碼器是手機基帶處理的重要組成部分，占據了近72%的基帶處理硬件資源和功耗。同時，由于5G面向更多應用場景，對編碼的靈活性要求更高，需支持更廣泛的碼塊長度和更多的編碼率。因此，5G需要選擇高性能、低復雜度、低時延、靈活碼率的編碼技術。
視線還是回到大神香農，他的學生Robert Gallager在1962年提出的LDPC碼，以及 Gallager的學生土耳其畢爾肯大學的Erdal Arikan教授2007年提出的Polar碼進入了專家們的視野，兩者均是能接近香農極限的編碼技術。LDPC碼提出時，因當時的硬件不能滿足編碼的要求而被擱置，直到Turbo碼被提出，大家才發現，LDPC碼有相似的譯碼性能，在長碼時更接近香農極限，LDPC基于高效的并行譯碼構架實現，其譯碼器在硬件實現復雜度和功耗方面均優于Turbo碼。
而Polar碼雖然提出較晚，但其兼具較低的編碼和譯碼復雜度，不存在錯誤平層(Error Floor)現象，誤幀率(FER)比Turbo低得多，還支持靈活的編碼長度和編碼速率，各方面證明比Turbo碼具備更優的性能。
因此，最后3GPP在5G時代拋棄了Turbo碼，選擇了LDPC為數據信道編碼方案，Polar為廣播和控制信道編碼方案。
更密集的網絡
超密集組網（Ultra Dense Network，UDN）就是通過更加“密集化”的無線網絡部署，將站間距離縮短為幾十米甚至十幾米，使得站點密度大大增加，從而提高頻譜復用率、單位面積的網絡容量和用戶體驗速率。從極端場景需求的制定，到網絡架構設計的選擇，UDN的理念已經融入了5G的設計過程中。
超密集組網在提升容量的同時，也面臨同頻干擾、移動性管理、多層網絡協同、網絡回程等一系列影響用戶體驗或網絡部署的技術問題。目前也提出了一些解決方案，典型的包括干擾管理、小區虛擬化、接入和回程設計。
多連接也是解決5G高低頻協同組網和傳統超密集組網問題的一種思路，5G引入超密集、靈活的小基站部署，采用傳統方案的話，面臨頻繁切換，信令壓力巨大，包轉發時延大，TCP/IP性能下降，用戶體驗的惡化的問題。通過將終端同時連接到高低頻乃至不同制式的網絡；將信令與數據承載分離，以實現快速切換/無縫移動性；將覆蓋與容量分離，可結合高低各自優勢，提升覆蓋范圍和性能，從組網上實現網絡容量的提升。
網絡切片的帶寬能力定制途徑
5G通過更多頻譜、更高頻譜效率、更密集組網三個渠道提升了網絡的數據吞吐率，但并不是所有的行業需求都需要這么高的帶寬，那么作為可提供定制化能力的網絡切片有哪些途徑能夠針對性的提供滿足垂直行業需求的帶寬能力呢？
無線接入網是影響用戶速率體驗最重要的部分，很多行業也是對RAN側的資源預留和保障能力比較擔心，目前可能實現無線側帶寬定制和體驗保障的方式主要包括：
結合切片優先級的調度保障：基于調度的方式保證優先級高的切片用戶能夠得到更好的體驗，但是當網絡整體擁塞的時候，用戶體驗同樣會下降；
基于體驗保障的調度：為切片設置保障速率GBR，低于GBR時優先調度，高于GBR時則降低優先級；
資源比例保障：為切片配置一定比例的無線資源，切片用戶獨享該部分資源，并可以設置競爭其它公共的資源。該種方式可能降低RAN側吸納用戶和流量的能力，但是對切片用戶的保障更有力；
BWP：5G本身提供的技術，通過靈活、動態的配置BWP可以降低終端的成本、功耗，針對不同行業的需求，可定制BWP配置。
傳輸網絡在4G時的設計基本是按照輕載的原則進行，5G網絡切片的引入可以將傳輸網絡按照切片租戶實際的需求進行帶寬和拓撲的靈活組合，在滿足需求的情況下降低網絡切片的成本。
核心網在考慮帶寬的時候主要定制UPF的不同部署位置，根據網絡切片用戶的分布情況、流量需求、UPF能力等因素，將UPF部署到核心、匯聚或者邊緣，實現性能和整體組網成本最優。
END
|?作者：無界
「5G行業應用」特邀專欄作家，超15年TMT從業經歷，長期關注通信、信息技術和相關產業領域，對5G、人工智能、物聯網等關鍵使能技術及其對行業數字化轉型的相互作用有深入洞察。
下期預告
下期推出《5G網絡切片的七種武器（二）》，敬請期待。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的5G网络切片的七种武器（一）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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