5g有11大核心技術(shù)

在互聯(lián)網(wǎng)助力下，全球經(jīng)濟一體化加速，“世界正在變平”已經(jīng)成為共識。這種席卷而來的融合力也在移動通信技術(shù)領(lǐng)域逐步顯現(xiàn)。它像某種黏稠的汁液，不僅催生移動通信體系走向結(jié)構(gòu)化變革，還滲透到技術(shù)實現(xiàn)思路的方方面面。

5G不是一項技術(shù)，而是由大量技術(shù)形成的一個綜合體系，這些技術(shù)將在5G建設(shè)過程中不斷完善。在這期間，會出現(xiàn)新的技術(shù)，再繼續(xù)完善。本書不是一本技術(shù)專著，對于技術(shù)的探討是淺顯的，對于專業(yè)讀者來說，可以跳過此節(jié)，有關(guān)技術(shù)的描述只是給普通讀者做一個基本介紹。

G高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時延等六大基本特點保障了用戶在5G時代的基礎(chǔ)體驗，而核心技術(shù)則為實現(xiàn)六大特點提供保障，它們是為新移動通信時代保駕護航的有效手段。

概括而言，5G核心技術(shù)圍繞三大目標展開，在繼承過往技術(shù)積淀的基礎(chǔ)上，朝著更智能多變的方向持續(xù)演進。這三大目標分別為：

第一，激活網(wǎng)絡(luò)資源存量。

第二，挖掘網(wǎng)絡(luò)資源增量（新頻率資源）。

第三，靈活組合，實現(xiàn)多樣化網(wǎng)絡(luò)資源配置（引入新體系結(jié)構(gòu)）。

1.超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

未來5G會朝著高速度、泛在網(wǎng)等方向發(fā)展。萬物互聯(lián)的愿景是在1平方公里的面積內(nèi)有100萬個設(shè)備，所以在未來的5G網(wǎng)絡(luò)中，減小小區(qū)半徑，增加低功率節(jié)點數(shù)量，是保證未來5G網(wǎng)絡(luò)支持1 000倍流量增長的核心技術(shù)之一，這就意味著網(wǎng)絡(luò)特別密集。同時為了符合泛在網(wǎng)的要求，未來肯定會有大量的基站存在。2G時代只有幾萬個基站，3G時代有幾十萬個基站，4G時代有500多萬個基站，5G時代1 000萬~2 000萬個基站都是有可能的。

為什么會有這么多基站呢？過去的通信方式都是采用低頻段的頻譜，這些頻譜有比較強的穿透能力，頻率越低，穿透能力越強。

5G為了把帶寬做得很寬，繞射能力就很差了。5G采用的是28GHz~32GHz的頻率，也就是毫米波，這種波基本沒有穿透能力，雷達采用的就是毫米波，因為沒辦法穿透飛機，所以會被反射回來。

如果通信采用毫米波的頻率，意味著沒辦法穿透障礙，所以就需要用到很多微基站，做到密集部署。密集部署的網(wǎng)絡(luò)拉近了終端與節(jié)點間的距離，使得網(wǎng)絡(luò)的功率和頻譜效率大幅度提高，同時也擴大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，擴展了系統(tǒng)容量，并且增強了業(yè)務(wù)在不同接入技術(shù)和各覆蓋層次間的靈活性。

上面說的就是超密集。那什么叫異構(gòu)呢？

所謂異構(gòu)，就是不同結(jié)構(gòu)的意思。雖然超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在5G中有很大的發(fā)展前景，但是隨著節(jié)點數(shù)量的大規(guī)模增加以及節(jié)點間距離的減少，網(wǎng)絡(luò)部署會變得越來越密集，網(wǎng)絡(luò)拓撲變得更加復(fù)雜，從而容易出現(xiàn)與現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)不兼容的問題。在5G通信網(wǎng)絡(luò)中，干擾是一個必須解決的問題。

5G網(wǎng)絡(luò)需要采用一系列措施來保障系統(tǒng)性能，主要有不同業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)、各種節(jié)點間的協(xié)調(diào)方案、網(wǎng)絡(luò)的選擇，以及節(jié)能配置方法等。這種將多種網(wǎng)絡(luò)組織起來形成一個體系的方式，就叫超密集異構(gòu)。

超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是移動通信發(fā)展到融合階段的必然產(chǎn)物。隨著未來移動通信應(yīng)用場景的不斷豐富，對網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)囊髸S時間和地點呈現(xiàn)出非均勻特性。過去以宏蜂窩為主、以區(qū)域覆蓋為目的的移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)很難滿足呈指數(shù)級增長的細分需求。

超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以創(chuàng)新的姿態(tài)出現(xiàn)，直面這一難題。它超越了運營商及技術(shù)系統(tǒng)的范疇，將不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)同整合到一起，為5G時代網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的大容量、多樣性和靈活性提供了有力保障。

雖然超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在5G時代發(fā)展前景廣闊，但也帶來了一些全新的問題。

首先是兼容問題。節(jié)點間的距離減少，超密集網(wǎng)絡(luò)部署將使網(wǎng)絡(luò)拓撲變得更加復(fù)雜，與現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)不兼容的概率也隨之攀升。

其次是干擾問題。在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)中，主要干擾有同頻干擾、共享頻譜資源干擾、不同覆蓋層次間的干擾等。如何解決這些干擾帶來的性能損傷，實現(xiàn)多種無線接入技術(shù)、多覆蓋層次間的共存，是一個需要深入研究的重要問題。另外，現(xiàn)有通信系統(tǒng)的干擾協(xié)調(diào)算法只能解決單個干擾源問題。而在5G網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點的傳輸損耗一般差別不大。多個干擾源強度相近，將進一步惡化網(wǎng)絡(luò)性能，使現(xiàn)有的協(xié)調(diào)算法難以應(yīng)對。

最后是網(wǎng)絡(luò)切換問題。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，很多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點依賴用戶部署，而用戶部署的節(jié)點具有隨機開啟和關(guān)閉的特點，網(wǎng)絡(luò)拓撲和干擾也隨之持續(xù)動態(tài)地發(fā)生變化。我們需要新的切換算法和網(wǎng)絡(luò)動態(tài)部署技術(shù)來滿足用戶的移動性需求。

2.自組織網(wǎng)絡(luò)

在傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)中，主要依靠人工方式完成網(wǎng)絡(luò)部署及運維，既耗費大量人力資源，又增加運行成本，而且網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也不理想。在5G時代，原有的移動通信網(wǎng)絡(luò)會面臨很多新的挑戰(zhàn)，比如說怎么進行網(wǎng)絡(luò)部署、運營及維護，這主要是由于網(wǎng)絡(luò)存在各種無線接入技術(shù)，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋能力各不相同，它們之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜。

簡單舉個例子。如果在一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中要分出一部分網(wǎng)絡(luò)給智能交通使用，而智能交通業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)有比較高的要求，所以自組織網(wǎng)絡(luò)（self-organizing network，SON）的含義就是網(wǎng)絡(luò)在定義的過程中要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)進行組織，即對于各種不同要求的網(wǎng)絡(luò)可以通過一個自組織的體系進行構(gòu)建，在大的網(wǎng)絡(luò)體系下為某些用戶提供特殊的服務(wù)。因此，自組織網(wǎng)絡(luò)的智能化將成為5G網(wǎng)絡(luò)必不可少的一項關(guān)鍵技術(shù)。

自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決的關(guān)鍵問題主要有：（1）網(wǎng)絡(luò)部署階段的自規(guī)劃和自配置；（2）網(wǎng)絡(luò)維護階段的自優(yōu)化和自愈合。自規(guī)劃的目的是動態(tài)進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃并執(zhí)行，同時滿足系統(tǒng)的容量擴展、業(yè)務(wù)監(jiān)測或優(yōu)化結(jié)果等方面的需求。自配置即新增網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的配置可實現(xiàn)即插即用，具有低成本、安裝簡易等優(yōu)點。自優(yōu)化的目的是減少業(yè)務(wù)工作量，達到提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及性能的效果。至于自愈合，顧名思義，指的是構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以自動發(fā)現(xiàn)問題、找到問題，同時可以排除故障，大大減少維護成本并避免對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶體驗的影響。

3.內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

在5G時代，隨著音頻、視頻、圖像等業(yè)務(wù)急劇增長，加上用戶規(guī)模繼續(xù)擴大，強大的市場需求自然會帶來網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長，而這種情況會影響用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。

如果最近有一部特別火的電視劇，大家一起去訪問某一個服務(wù)器，就可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞。5G時代，如何進行高效的內(nèi)容分發(fā)，尤其是針對大流量的業(yè)務(wù)內(nèi)容，怎么做才能降低用戶獲取信息的時延，成為網(wǎng)絡(luò)運營商和內(nèi)容提供商必須解決的一大難題。

通過增加帶寬并不能徹底解決高效的內(nèi)容分發(fā)，因為它還受到傳輸中路由阻塞和延遲、網(wǎng)站服務(wù)器的處理能力等多重因素的影響和制約，這些因素與用戶服務(wù)器之間的距離關(guān)系密切。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（content distribution network，CDN）對未來5G網(wǎng)絡(luò)的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用。

所謂內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，就是指在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中添加新的層次，即智能虛擬網(wǎng)絡(luò)。采用大數(shù)據(jù)分析的方式，CDN系統(tǒng)綜合考慮各節(jié)點連接狀態(tài)、負載情況以及用戶距離等信息，通過將相關(guān)內(nèi)容分發(fā)至靠近用戶的CDN代理服務(wù)器上，實現(xiàn)用戶就近獲取所需的信息。如果附近的很

多用戶喜歡看《都挺好》，那就將這部劇儲存在這里的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，使得網(wǎng)絡(luò)擁堵狀況得以緩解，降低響應(yīng)時間，提高響應(yīng)速度。

在5G時代，隨著智能移動終端數(shù)量的快速增長，用戶對移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求量以及服務(wù)質(zhì)量的要求也在不斷提升，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以滿足這些需求，因此，它將成為5G必備的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.D2D通信

D2D通信即設(shè)備到設(shè)備通信（device-to-device communication，D2D），是一種基于蜂窩系統(tǒng)的近距離數(shù)據(jù)直接傳輸技術(shù)。目前，標準化組織3GPP已經(jīng)把D2D技術(shù)列入新一代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展框架中，成為第五代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。

思科公司預(yù)測，2019年全球移動數(shù)據(jù)流量將是2014的10倍，接入IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量將達到百億。隨著數(shù)據(jù)流量的飛速增長、接入網(wǎng)絡(luò)的終端數(shù)量迅速上升，通信網(wǎng)絡(luò)的體系和架構(gòu)都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)密集化和差異化帶來的問題，不能指望任何網(wǎng)絡(luò)或通信系統(tǒng)的中心設(shè)備能夠大范圍、高效率地指揮、調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)中各終端節(jié)點的行為，在無需中心設(shè)備干預(yù)的情況下，建立大批量的“本地”連接對未來網(wǎng)絡(luò)來說是勢在必行的。

D2D會話的數(shù)據(jù)直接在終端之間進行傳輸，不需要通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，而相關(guān)的控制信令，如會話的建立、維持、無線資源分配以及計費、鑒權(quán)、識別、移動性管理等仍由蜂窩網(wǎng)絡(luò)負責(zé)。

在5G時代，引入D2D通信會給我們帶來巨大的好處，不過也會面臨一些挑戰(zhàn)。當(dāng)終端用戶間的距離不足以維持近距離通信，或者D2D通信條件滿足時，如何進

行D2D通信模式和蜂窩通信模式的最優(yōu)選擇以及通信模式的切換都需要思考解決。此外，D2D通信中的資源分配優(yōu)化算法也值得深入研究。

5.M2M通信

M2M通信即機器與機器之間的通信（machine to machine，M2M）。美國咨詢機構(gòu)FORRESTER預(yù)測估計，到2020年，全球物與物之間的通信將是人與人之間通信的30倍^[12]。M2M的定義主要有廣義和狹義兩種。廣義的M2M主要是指機器與機器之間、人與機器之間以及移動網(wǎng)絡(luò)與機器之間的通信，它涵蓋了所有實現(xiàn)人、機器、系統(tǒng)之間通信的技術(shù)；從狹義上說，M2M僅僅指機器與機器之間的通信。

目前，日常生活中最常見的仍然是人與設(shè)備之間的通信，比如上網(wǎng)就是人與機器之間的通信。到了5G時代，機器與機器之間的通信可能將扮演重要的角色。

舉一個家庭管理的例子。智能家庭管理系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測家庭的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比以后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在家庭中的環(huán)境質(zhì)量是有問題的，然后控制系統(tǒng)就給空氣凈化器、新風(fēng)系統(tǒng)等發(fā)送一個指令，讓它們進行工作。屆時，很少需要或者不再需要人和機器之間進行溝通。

M2M的發(fā)展現(xiàn)在也面臨著一些技術(shù)難點。海量的機器交流會引起網(wǎng)絡(luò)過載，不僅會影響移動用戶的通信服務(wù)質(zhì)量，還會造成用戶難以接入網(wǎng)絡(luò)等問題。此外，在M2M通信中，充斥著大量小信息量的數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸效率下降，在無法充電的條件下，未來5G網(wǎng)絡(luò)面臨著延長M2M終端的續(xù)航時間的難題。

6.信息中心網(wǎng)絡(luò)

信息中心網(wǎng)絡(luò)（information-centric network，ICN）的意思就是網(wǎng)絡(luò)以信息為中心的發(fā)展趨勢。ICN的思想

最早是1979年由Nelson提出來的，作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，ICN的目標是取代現(xiàn)有的IP。

與以主機地址為中心的傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)相比，ICN采用的是以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)通信模型，忽略IP地址的作用，甚至只是將其作為一種傳輸標識。信息一般包括實時媒體流、網(wǎng)頁服務(wù)、多媒體通信等，而信息中心網(wǎng)絡(luò)就是這些片段信息的總集合。

信息中心網(wǎng)絡(luò)具體實現(xiàn)的方式是：

第一步，我向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布一個視頻內(nèi)容，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點收到我發(fā)布內(nèi)容的相關(guān)請求時，知道如何響應(yīng)。

第二步，我的一個朋友知道了這個視頻，他第一個向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送內(nèi)容請求時，節(jié)點將請求轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)容發(fā)布方，也就是我這里，我就會將相應(yīng)內(nèi)容發(fā)送給訂閱方，在這個過程中，帶有緩存的節(jié)點會將經(jīng)過的內(nèi)容緩存下來。

第三步，如果其他訂閱方對相同內(nèi)容發(fā)送請求時，鄰近帶有緩存的節(jié)點會直接將相應(yīng)內(nèi)容響應(yīng)給訂閱方。

7.移動云計算

5G時代，全球?qū)霈F(xiàn)高達500億個連接的萬物互聯(lián)服務(wù)，因為需求越來越多樣化，人們對智能終端的計算能力及服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，尤其是計算方面的需求，將達到常人難以想象的地步。

移動云計算是指是在移動互聯(lián)網(wǎng)中引入云計算。過去，移動設(shè)備需要處理很多復(fù)雜的計算，也需要做很多的數(shù)據(jù)儲存，移動云計算則將這些內(nèi)容轉(zhuǎn)移到云端，可以很大程度上降低設(shè)備的能耗，也可以彌補移動設(shè)備上儲存資源不足的問題。此外，將數(shù)據(jù)儲存在云端也就是一系列的分布式計算機中，也降低了數(shù)據(jù)和應(yīng)用丟失的概率。

未來，移動云將會作為一個服務(wù)平臺，支持智能交通、移動醫(yī)療等各種各樣的應(yīng)用場景。

8.軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)下，無線網(wǎng)絡(luò)面臨的一個重要挑戰(zhàn)就是其中存在大量的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如LTE、WiMax、UMTS、WLAN等，這種現(xiàn)象還會持續(xù)相當(dāng)長的一段時間。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)面臨的主要挑戰(zhàn)是難以互通，資源優(yōu)化困難，無線資源浪費等。

簡單來說，軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)就是用一個通用的模式來定義和控制無線網(wǎng)絡(luò)，讓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)變得更加簡單。

軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)是怎么實現(xiàn)的呢？

首先，控制平面獲取并預(yù)測整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的信息，例如用戶屬性、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)需求以及實時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。在得到這些數(shù)據(jù)以后，控制平面再根據(jù)這些信息來優(yōu)化和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)上的資源分配等問題，這個過程簡化了網(wǎng)絡(luò)管理，加快了業(yè)務(wù)創(chuàng)新的步伐。

軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)能指導(dǎo)終端用戶接入更好的網(wǎng)絡(luò)或由多個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同時為用戶提供服務(wù)，不僅簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還為設(shè)備提供了可編程性，使得異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互通更加容易。

9.情境感知技術(shù)

情境感知技術(shù)是一種嶄新的計算形式。簡單來說，情境感知技術(shù)是一個采用了傳感器等相關(guān)技術(shù)的信息管理系統(tǒng)，使得終端設(shè)備具備感知當(dāng)前情境的能力，并分析位置、用戶行為等情境信息，主動為用戶提供合適的服務(wù)。它具有適應(yīng)性、及時性、預(yù)測性等特點。

情境感知技術(shù)將讓移動互聯(lián)網(wǎng)變得更加主動與智能，它可以及時推送用戶最想知道的信息，而不是被動地由用戶發(fā)起信息請求。情境感知技術(shù)可以在符合管理要求的框架之內(nèi)智能地響應(yīng)用戶的相關(guān)需求，即“網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)業(yè)務(wù)”。

10.邊緣計算

邊緣計算就是將帶有緩存、計算處理能力的節(jié)點部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，與移動設(shè)備、傳感器和用戶緊密相連，減少核心網(wǎng)絡(luò)負載，降低數(shù)據(jù)傳輸時延。

以無人駕駛為例。過去如果有一輛無人駕駛的汽車行駛在路面上，突然發(fā)現(xiàn)車前出現(xiàn)了一只貓，這時需要把這個信號通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站，然后再通過交換機送到中央控制中心，經(jīng)過中心的計算得出剎車的結(jié)論，再返還基站，基站最后再將這個信號給到汽車，這么長的傳輸鏈條就很難達到5G時代時延只有1毫秒的愿景。采用邊緣計算的方式以后，基站就可以將剎車信號直接給到汽車，從而減少時延。

11.網(wǎng)絡(luò)切片

在5G時代，不同的應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)功能、系統(tǒng)性能、安全、用戶體驗等都有著差異化的需求，比如智能交通和觀看視頻對網(wǎng)絡(luò)性能的要求肯定是不一樣的。如果只使用同一個網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，這個網(wǎng)絡(luò)一定會非常復(fù)雜，并且很難達到某些極限場景的功能要求，同時網(wǎng)絡(luò)的運維也會變得相當(dāng)復(fù)雜，運維成本十分高昂。

針對不同業(yè)務(wù)場景對網(wǎng)絡(luò)功能需求的不同，如果為這些特定的場景部署專有網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)只包含這個應(yīng)用場景所需要的功能，那么服務(wù)的效率將大大提高，應(yīng)用場景所需要的網(wǎng)絡(luò)性能也能夠得到保障，網(wǎng)絡(luò)的運維將變得簡單。這個專有的網(wǎng)絡(luò)即一個5G切片實例。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多元化是5G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是實現(xiàn)這一多元化架構(gòu)不可或缺的方法。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將是未來運營商與OTT公司后向合作的重要手段，是運營商為了實現(xiàn)新的盈利模式不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。