让5G提早发挥作用 5G技术4G化
4G的普及與應用為移動互聯網的發展打開了大門，伴隨著消費電子產品的進步與發展，移動通信技術正時刻改變著人們的生活，同時也刺激著移動通信需求的進一步發展。5G作為面向2020年及以后的移動通信系統，其應用將深入社會各個領域，作為基礎設施為未來社會提供全方位的服務，促進各行各業的轉型與升級。
5G將提供光纖般的無線接入速度，“零時延”的使用體驗，使信息突破時空限制，可即時予以呈現;5G將提供千億設備的連接能力、極佳的交互體驗，實現人與萬物的智能互聯;5G將提供超高流量密度、超高移動性的連接支持，讓用戶隨時隨地獲得一致的性能體驗;同時，超過百倍的能效提升和極低的比特成本，也將保證產業可持續發展。超高速率、超低時延、超高移動性、超強連接能力、超高流量密度，加上能效和成本超百倍改善，5G最終將實現“信息隨心至，萬物觸手及”的愿景。
為了實現5G發展的愿景，滿足未來業務發展的需要，5G應該具備的關鍵技術能力包括支持0.1~1Gbit/s的用戶體驗速率和高達10Gbit/s以上的峰值速率，支持每平方千米百萬量級的連接數密度，支持毫秒級的端到端時延，支持每平方千米數十Tbit/s的流量密度，支持500km/h以上的移動速率。
此外，為了保持移動通信產業的可持續發展，5G還需要進一步提升網絡建設、部署、運營方面的效率和便捷程度，如相比4G，頻譜效率提升5~15倍，能源效率提升百倍，成本效率提升百倍以上。
5G技術如雨后春筍
為了實現5G的發展目標，ITU、3GPP、NGMN等組織啟動了面向5G的研究和標準化工作。3GPP在2015年啟動了有關5G的相關討論，分別從網絡架構和無線接入網的角度開始了5G的研究和標準化。5G新技術主要有以下幾個方面的特征。
面向服務的云化網絡使能端到端網絡切片
5G網絡架構最大的特征就是基于SDN/NFV技術，通過面向服務的云化網絡，實現端到端的網絡切片，從而實現業務的靈活和快速部署，基于SDN/NFV的網絡切片如圖1所示。而無線網絡為了滿足低時延、高速率、高效率等眾多需求，除基站的架構需要引入CU/DU分離之外，還需要引入許多新的技術和設計。
圖1 基于SDN/NFV的網絡切片
3D-MIMO
如圖2所示，3D-MIMO一般采用大規模的二維天線陣列，不僅天線端口數較多，而且可以在水平和垂直維度靈活調整波束方向，形成更窄、更精確的指向性波束，從而極大地提升終端接收信號能量，增強小區覆蓋。傳統的2D-MIMO天線端口數較少，導致波束較寬，并且只能在水平維度調整波束方向，無法將垂直維度的能量集中于終端，且僅能在水平維度區分用戶也導致其同時同頻可服務的用戶數受限。3D-MIMO可充分利用垂直和水平維度的天線自由度，同時同頻服務更多的用戶，極大地提升系統容量，還可通過多個小區垂直維波束方向的協調，起到降低小區間干擾的目的。
圖2 3D-MIMO的技術原理
3D-MIMO無論是在提升接收和發送的效率、多用戶MIMO的配對用戶數，還是在降低小區間的干擾方面，相對于傳統天線都有更好的性能，是5G提升頻譜效率的最核心技術。
非正交多址
面對5G提出的更高頻譜效率、更大容量、更多連接以及更低時延的總體需求，5G多址的資源利用效率必須更高。因此，在近兩年的國內外5G研究中，資源非獨占的用戶多址接入方式廣受關注。在這種多址接入方式下，沒有哪一個資源維度下用戶是具有獨占性的，因此在接收端必須進行多個用戶信號的聯合檢測。得益于芯片工藝和數據處理能力的提升，接收端的多用戶聯合檢測已成為可實施的方案。
5G新型多址的設計將從物理層最基本的調制、映射等模塊出發，引入功率域和碼率的混合非正交編碼疊加，同時在接收端引入多用戶聯合檢測來實現非正交數據層的譯碼。
發送端在單用戶信道編碼之后，進入核心的碼本映射模塊，包括調制映射、碼域擴展和功率優化，這3個部分也可聯合設計，以獲得額外編碼增益。在接收端經過多用戶聯合檢測后的軟信息可輸入單用戶糾錯編碼的譯碼模塊進行譯碼，也可以將信道譯碼的結果返回代入多用戶聯合檢測器進行大迭代譯碼，進一步提升性能。在這個通用結構圖中，上下行多接入的區別在于多用戶信號疊加的位置不同，下行多用戶信號在經過信道前，在發送端疊加，而上行多用戶信號則在經過無線信道后，在接收端疊加。
對比4G OFDMA正交多址的物理層過程，5G新型非正交多址物理層過程引入新模塊變化的動機主要有如下幾個方面：通過新的(多維)調制映射設計，獲得編碼增益和成型增益，提升接入頻譜效率;通過(稀疏)碼域擴展，獲得分集增益，增強傳輸頑健性，也白化小區內或小區間數據流間的干擾;通過非正交層間的功率優化，最大化多用戶疊加的容量區。
自包含幀結構
5G系統為了進一步降低發送的時延，對時隙的結構和收發的反饋進行了新的設計。對于TDD系統，通過引入更多的上下行轉換點，縮短發送和反饋之間的響應時間，這種幀結構的設計也叫自包含的幀結構;對于FDD系統，則可以通過更短的調度和傳輸周期，縮短傳輸時延，5G定義的子幀格式如圖3所示。
圖3 5G定義的子幀格式
更快速的狀態轉換
5G為了實現更低的控制面時延，如10ms，在4G已有的連接態和空閑態中引入了一個新的中間狀態，叫去激活態，如圖4所示。該狀態保留核心網的連接狀態，而刪除無線側的連接狀態，當需要時，可以快速建立無線側的連接，從而大幅降低從原空閑態到連接態的轉換時延。
圖4 新的去激活狀態
用戶為中心的網絡
5G網絡需要針對用戶的行為、偏好和終端、網絡的狀態和能力，提供最佳的用戶體驗，實現以用戶為中心的網絡部署，5G網絡架構的主要設計理念如圖5所示。
圖5 5G無線網絡架構
用戶與業務內容的智能感知
以智能無線管道為目標，通過引入更精細化的業務與用戶區分機制，根據業務場景、用戶能力、用戶偏好及網絡能力等，自適應配置空口技術、系統參數等，實現端到端的精細而多樣化的網絡連接、業務和內容區分與處理。5G網絡架構將能支持基于對業務與用戶的預測、分析、響應和處理能力，實現自適應的空口接入與管理、端到端的精細而多樣化的業務和內容區分與處理，提供更精準、更完備的用戶個性化、定制化的資源配置和網絡服務，以滿足多樣化的用戶及業務需求，并確保一致的、高質量的用戶體驗。
業務下沉與業務數據本地化處理
在邏輯功能上，基于核心網與無線網的功能重構，促使核心網專注于用戶簽約與策略管理以及集中控制。而其用戶面與業務承載功能繼續下沉，業務承載的管理與業務數據的路由和分發可部署在更靠近用戶的接入網，從而構建更加優化的業務通道，使得業務的路由通道更加簡化，避免業務瓶頸，降低集中傳輸負荷。同時，基于對數據和業務內容的精細化感知，接入網不僅可以在本地生成、映射、緩存、分發數據，還可實現業務的本地就近智能分發和推送。
支持多網融合與多連接傳輸
在可預見的時間內，4G/5G/Wi-Fi等多種網絡將長期共存，因此，5G網絡架構必須支持多種網絡的深度融合，實現對于多種無線技術/資源的統一和協調管理，并基于承載與信令分離，信令與制式解耦，實現與接入方式無關的統一控制，使得無線資源的利用達到最大化。同時，未來的終端也將普遍具備多制式、多無線的同時連接和傳輸能力。在多維度業務接納與控制的基礎上，5G網絡將基于時延容忍度、丟包敏感度以及不同的APP、業務提供商，支持精確的網絡選擇與無線傳輸路徑與方式，實現最佳資源匹配。
5G技術4G用
4G在全球市場已經廣為普及，在深刻地改變著人們生活的同時，也在不斷創造新的需求，推動著4G技術的演進和發展。而5G大規模商用將在2020年以后，在此之前的市場需求只能由4G及其演進技術來滿足。目前，3GPP已經在考慮將面向5G應用的技術提前引入到4G系統，在不影響后向兼容的條件下，對4G系統的技術能力、服務效率進行提升和增強，使其盡可能地滿足5G網絡的要求，并且在現有4G網絡上早日應用。
3D-MIMO
LTE詳細定義了各種基于線陣的MIMO和智能天線的模式，在4G網絡中得到了大規模應用，特別是在TD-LTE網絡中，8天線得到了很好的普及和驗證。隨著5G技術的研究，3D-MIMO技術成為業界的熱點，為此3GPP也進行了相關的研究和標準化(FD-MIMO)工作。特別對于TD-LTE系統來說，利用信道的互易性，可以基于實現而不對標準有任何改動，就可以把3D-MIMO技術引入到TD-LTE網絡當中，既能兼容已有的終端，又能大幅提升現有網絡的容量。TD-LTE產品研發進展領先的企業，如中興、華為都已經發布了支持128天線、64個獨立射頻通道的2.6GHz的3D-MIMO商用產品，并開始在中國移動的4G網絡中部署?，F網測試表明，3D-MIMO技術可大幅度提升網絡容量，網絡負荷越高，容量增益越大。
時延縮短
3GPP已經在LTE R14中考慮了進一步降低傳輸時延的技術方案，允許將LTE的傳輸間隔(TTI)由原有的1ms進一步縮短，比如FDD可以支持2個OFDM符號長度的TTI，而TDD可以支持0.5ms的TTI傳輸，優化后的傳輸時延可分別降低到1ms和4ms(TDD的配置2)以內。但是，對于4G系統而言，如果網絡的結構不隨之調整，這樣的時延降低對整個端到端網絡的時延來說，減少量是微乎其微的，難以真正地滿足低時延業務的要求，LTE演進中的時延降低情況如圖6所示。
圖6 LTE演進中的時延降低
基于上下文感知的業務分發和MEC
在4G網絡的實際業務拓展過程中，為滿足企業級用戶的應用需求，以及垂直行業的應用需求，4G網絡需要進行一些針對位置和特定環境的業務部署優化，以提升網絡的效率和用戶體驗，也即需要引入MEC技術。但是對于現有的4G網絡來說，無線側對業務是無感知的，也就是說無線網對業務的感知是通過核心網來被動感知的，業務的發送不能真正做到無線側的智能化?？梢栽诰W絡中靠近無線側的地方增加DPI的功能，對業務的內容等進行解析，使MEC能更好地適配業務的傳輸。但是這種方式的處理效率較低，3GPP開始考慮基于用戶上下文的業務發送優化，即終端可以主動上報用戶業務的相關信息，基站可以據此進行傳輸優化，大大提升傳輸的可靠性。目前針對視頻業務的優化已進行詳細的標準制定，有望在4G演進中走向應用。
輕連接(light connection)
在時延降低方面，3GPP也已經在進行輕連接的標準化，通過引入連接態和空閑態之外的非激活態，可以進一步提升終端的節能效果，同時降低終端接入的時延。
至于其它5G技術的4G用，如非正交多址等，3GPP已討論過功率域的非正交多址接入(NOMA)，而碼域的非正交技術也可能得到應用。
為了滿足5G的需求，3GPP從網絡架構、無線幀的設計、3D-MIMO、非正交多址、協議狀態轉換等方面對5G系統進行了全新的設計，在傳輸效率、時延等方面都有大幅的性能提升?？紤]到5G的商用要到2020年，真正形成實際網絡能力還需時日，將這些5G技術提早應用到現有的4G網絡，并提早發揮作用，是5G技術4G化的最大吸引力。目前移動通信行業的專家們正致力于此，3D-MIMO、MEC技術等已在4G網絡中開始應用，對現有核心網的SDN/NFV改造也已經開始試點，基于上下文感知的業務分發和輕連接正在3GPP標準化。相信這些技術終將會在4G網絡的演進中得到驗證和應用，為4G的發展做出應用的貢獻。
本文作者：佚名 ? ? ? ? ?
來源：51CTO
總結
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