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5G技术发展及对基础设施的影响
5G技术发展及对基础设施的影响
一、5G技术演进
15G的关键能力和关键技术
(1)5G的关键能力
回顾移动通信的发展历程,每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键
技术来定义,其中,1G采用频分多址(FDMA),只能提供模拟语音业务;2G主要采用
时分多址(TDMA),可提供数字语音和低速数据业务;3G以码分多址(CDMA)为技术
特征,用户峰值速率达到2Mbps至数10Mbps,可以支持多媒体数据业务;4G以正交频
分多址(OFDMA)技术为核心,用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps,能够支持各种
移动宽带数据业务。
5G需要具备比4G更高的性能,支持0.1~1Gbps的用户体验速率,每平方公里一百
万的连接数密度,毫秒级的端到端时延,每平方公里数10Tbps的流量密度,每小时500Km
以上的移动性和数10Gbps的峰值速率。
其中,用户体验速率、连接数密度和时延为5G最
基本的三个性能指标。
同时,5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率,相比4G,频谱
效率提升5~15倍,能效和成本效率提升百倍以上。
性能需求和效率需求共同定义了5G的关键能力,犹如一株绽放的鲜花。
红花绿叶,相
辅相成,花瓣代表了5G的六大性能指标,体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能
力,其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值;绿叶代表了三个效率指标,是实现5G可持续
发展的基本保障。
(2)5G的关键技术
面对多样化场景的极端差异化性能需求,5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形
成针对所有场景的解决方案,5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。
在无线技术领域,大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术已成为
业界关注的焦点;在网络技术领域,基于软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)
的新型网络架构已取得广泛共识。
此外,基于滤波的正交频分复用(F-OFDM)、滤波器组多载波(FBMC)、全双工、灵
活双工、终端直通(D2D)、多元低密度奇偶检验(Q-aryLDPC)码、网络编码、极化码
等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。
25G的应用场景
面向2020年及未来,5G将解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战,不同
应用场景面临的性能挑战有所不同,用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可能
成为不同场景的挑战性指标。
国际电信联盟ITU召开的ITU-RWP5D第22次会议上确定了未来的5G具有以下
三大主要的应用场景:
1)增强型移动宽带;2)超高可靠与低延迟的通信;3)大规模机器
类通信。
具体包括:
Gbps移动宽带数据接入、智慧家庭、智能建筑、语音通话、智慧城市、
三维立体视频、超高清晰度视频、云工作、云娱乐、增强现实、行业自动化、紧急任务应用、
自动驾驶汽车等。
IMT-2020(5G)从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发,将5G
主要应用场景纳出为:
连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个主要
技术场景,与ITU的三大应用场景基本一致。
(1)应用场景
连续广域覆盖场景,是移动通信最基本的覆盖方式,以保证用户的移动性和业务连续性
为目标,为用户提供无缝的高速业务体验。
该场景的主要挑战在于随时随地(包括小区边缘、
高速移动等恶劣环境)为用户提供100Mbps以上的用户体验速率。
热点高容量场景,主要面向局部热点区域,为用户提供极高的数据传输速率,满足网络
极高的流量密度需求。
1Gbps用户体验速率、数10Gbps峰值速率和数10Tbps/km2的流
量密度需求是该场景面临的主要挑战。
低功耗大连接场景,主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数
据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。
这类终端分布范围广、
数量众多,不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力,满足100万/km2连接数密度指标要
求,而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。
低时延高可靠场景,主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求,这类应用
对时延和可靠性具有极高的指标要求,需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的
业务可靠性保证。
连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求,也是
传统的4G主要技术场景。
低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务,是5G
新拓展的场景,重点解决传统移动通信无法很好支持地物联网及垂直行业应用。
(2)5G技术场景和关键技术的关系
连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接等四个5G典型技术场景具
有不同的挑战性指标需求,在考虑不同技术共存可能性的前提下,需要合理选择关键技术的
组合来满足这些需求。
在连续广域覆盖场景,受限于站址和频谱资源,为了满足100Mbps用户体验速率需求,
除了需要尽可能多的低频段资源外,还要大幅提升系统频谱效率。
大规模天线阵列是其中最
主要的关键技术之一,新型多址技术可与大规模天线阵列相结合,进一步提升系统频谱效率
和多用户接入能力。
在网络架构方面,综合多种无线接入能力以及集中的网络资源协同与
QoS控制技术,为用户提供稳定的体验速率保证。
在热点高容量场景,极高的用户体验速率和极高的流量密度是该场景面临的主要挑战,
超密集组网能够更有效地复用频率资源,极大提升单位面积内的频率复用效率;全频谱接入
能够充分利用低频和高频的频率资源,实现更高的传输速率;大规模天线、新型多址等技术
与前两种技术相结合,可实现频谱效率的进一步提升。
在低功耗大连接场景,海量的设备连接、超低的终端功耗与成本是该场景面临的主要挑
战。
新型多址技术通过多用户信息的叠加传输可成倍提升系统的设备连接能力,还可通过免
调度传输有效降低信令开销和终端功耗;F-OFDM和FBMC等新型多载波技术在灵活使用
碎片频谱、支持窄带和小数据包、降低功耗与成本方面具有显著优势;此外,终端直接通信
(D2D)可避免基站与终端间的长距离传输,可实现功耗的有效降低。
在低时延高可靠场景,应尽可能降低空口传输时延、网络转发时延及重传概率,以满足
极高的时延和可靠性要求。
为此,需采用更短的帧结构和更优化的信令流程,引入支持免调
度的新型多址和D2D等技术以减少信令交互和数据中转,并运用更先进的调制编码和重传
机制以提升传输可靠性。
此外,在网络架构方面,控制云通过优化数据传输路径,控制业务
数据靠近转发云和接入云边缘,可有效降低网络传输时延。
35G的网络架构
EPC中有四大组件:
MME:
移动管理实体,负责网络连通性的管理,主要包括用户终端的认证和授权、会
话建立以及移动性管理;
HSS:
归属用户服务器,作为用户数据集为MME提供用户相关的数据,以此来协助
MME的管理工作;
SGW:
服务网关,负责数据包路由和转发,将接收到的用户数据转发给指定的PGW,
并将返回的数据交付给eNB;
PGW:
PDN网关,负责为接入的用户分配IP地址以及进行用户平面QoS的管理,并
且是PND网络的进入点。
从图中的虚线和实线标记可以看出,MME仅承担控制面功能,但是SGW和PGW既
承担大部分用户平面功能,又承担一部分控制平面功能,这就使得用户平面和控制平面严重
耦合,从而限制了EPC的开放性和灵活性。
另一方面,在这种架构下,很多网络元素必须
运行于配备专用硬件的多个刀片式服务器上,这对于运营商来说是极大的开销。
为此,5G网络架构中引入了SDN(软件定义网络)和NFV(网络功能虚拟化)这两
种技术来解决EPC存在的耦合问题。
(1)SDN
SDN(SoftwareDefinedNetwork),软件定义网络。
是Emulex网络一种新型网
络创新架构,是网络虚拟化的一种实现方式,负责分离控制面和数据面,将网络控制面整合
于一体。
这样,网络控制面对网络数据面就有一个宏观的全面的视野。
路由协议交换、路由表生
成等路由功能均在统一的控制面完成。
实现控制平面与数据平面分离的协议叫OpenFlow,
OpenFlow是SDN一个网络协议。
首先需要通过OpenFlow将网络拓扑镜像到控制面,控制面初始化网络拓扑,初始化
完成后,控制面会实时更新网络拓扑,会向每个转发节点发送转发表,每个节点根据转发表
在网络内传送用户数据。
SDN技术是针对EPC控制平面与用户平面耦合问题提出的解决方案,将用户平面和控
制平面解耦可以使得部署用户平面功能变得更灵活,可以将用户平面功能部署在离用户无线
接入网更近的地方,从而提高用户服务质量体验,比如降低时延。
(2)NFV
NFV(NetworkFunctionVirtualization),网络功能虚拟化。
通过使用通用性硬件以
及虚拟化技术,来承载很多功能的软件处理。
从而降低网络昂贵的设备成本。
可以通过软硬
件解耦及功能抽象,使网络设备功能不再依赖于专用硬件,资源可以充分灵活共享,实现新
业务的快速开发和部署,并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。
NFV技术颠覆了传统电信封闭专用平台的思想,同时引入灵活的弹性资源管理理念,
因此,ETSINFV提出了突破传统网元功能限制、全新通用的NFV架构下图所示。
NFV技术主要由3个部分构成:
VNF(虚拟网络层,VirtualizedNetworkFunction)、
NFVI(网络功能虚拟化基础设施NFVI,NFVInfrastructure)和MANO(NFV管理与编排,
ManagementandOrchestration)。
VNF,是共享同一物理OTS服务器的VNF集。
对应的就是各个网元功能的软件实现,
比如EPC网元、IMS网元等的逻辑实现。
NFVI,可以将它理解为基础设施层,从云计算的角度看,就是一个资源池。
NFVI需要
将物理计算/存储/交换资源,通过虚拟化转换为虚拟的计算/存储/交换资源池。
NFVI映射
到物理基础设施,就是多个地理上分散的数据中心,通过高速通信网连接起来。
NFVMANO,基于不同的服务等级协议(ServiceLevelAgreements,SLAs),NFV
MANO运营支撑层负责"公平"的分配物理资源,同时还负责冗余管理、错误管理和弹性调
整等,相当于目前的OSS/BSS系统。
NFV技术是针对EPC软件与硬件严重耦合问题提出的解决方案,这使得运营商可以在
那些通用的的服务器、交换机和存储设备上部署网络功能,极大地降低时间和成本。
4从4G到5G整体网络架构演变
(1)5G网络空口至少支持20Gbps速率,用户10秒钟就能够下载一部UHD(超高
清,分辨率4倍于全高清,9倍于高清)电影。
(2)核心网功能分离,核心网用户面部分功能下沉至CO(中心主机房,相当于4G
网络的eNodeB),从原来的集中式的核心网演变成分布式核心网,这样,核心网功能在地
理位置上更靠近终端,减小时延。
(3)分布式应用服务器(AS),AS部分功能下沉至CO(中心主机房,相当于4G网
络的eNodeB),并在CO部署MEC(MobileEdgeComputing,移动网络边界计算平台)。
MEC有点类似于CDN(内容分发网络)的缓存服务器功能,但不仅于此。
它将应用、处理
和存储推向移动边界,使得海量数据可以得到实时、快速处理,以减少时延、减轻网络负担。
(4)重新定义BBU和RRU功能,将PHY、MAC,或者RLC层从BBU分离下沉到
RRU,以减小前传容量,降低前传成本。
(5)通过NFV技术,就是将网络中的专用电信设备的软硬件功能(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)转移到虚拟机(VMs,Virtual
Machines)上,在通用的商用服务器上通过软件来实现网元功能。
(6)5G网络通过SDN连接边缘云和核心云里的VMs(虚拟机),SDN控制器执行
映射,建立核心云与边缘云之间的连接。
网络切片也由SDN集中控制。
SDN,NFV和云技术使网络从底层物理基础设施分开,变成更抽象灵活的以软件为中
心的构架,可以通过编程,来提供业务连接。
(7)网络切片。
得益于NFV/SDN技术,5G网络将面向不同的应用场景,比如,超
高清视频、虚拟现实、大规模物联网、车联网等等,不同的场景对网络的移动性、安全性、
时延、可靠性,甚至是计费方式的要求是不一样的,因此,需要将物理网络切割成多个虚拟
网络,每个虚拟网络面向不同的应用场景需求。
虚拟网络间是逻辑独立的,互不影响。
55G网络架构设计
(1)5G系统设计
5G网络逻辑视图由3个功能平面构成:
接入平面,控制平面和转发平面。
接入平面,引入多站点协作、多连接机制和多制式融合技术,构建更灵活的接入网拓扑。
控制平面,基于可重构的集中的网络控制功能,提供按需的接入、移动性和会话管理,
支持精细化资源管控和全面能力开放。
转发平面,具备分布式的数据转发和处理功能,提供更动态的锚点设置,以及更丰富的
业务链处理能力。
在整体逻辑架构基础上,5G网络采用模块化功能设计模式,并通过"功能组件"的组合,
构建满足不同应用场景需求的专用逻辑网络。
5G网络以控制功能为核心,以网络接入和转
发功能为基础资源,向上提供管理编排和网络开放的服务,形成了管理编排层、网络控制层、
网络资源层的三层网络功能视图,
(2)5G组网设计
SDN/NFV技术融合将提升5G进一步组大网的能力:
SDN技术实现虚拟机间的逻辑
连接,构建承载信令和数据流的通路,最终实现接入网和核心网功能单元动态连接,配置端
到端的业务链,实现灵活组网。
NFV技术则实现底层物理资源到虚拟化资源的映射,构造
虚拟机(VM),加载网络逻辑功能(VNF);虚拟化系统实现对虚拟化基础设施平台的统一
管理和资源的动态重配置。
一般来说,5G组网功能元素可分为四个层次:
中心级:
以控制、管理和调度职能为核心,例如虚拟化功能编排、广域数据中心互连和
BOSS系统等,可按需部署于全国节点,实现网络总体的监控和维护。
汇聚级:
主要包括控制面网络功能,例如移动性管理、会话管理、用户数据和策略等。
可按需部署于省分一级网络。
区域级:
主要功能包括数据面网关功能,重点承载业务数据流,可部署于地市一级。
移
动边缘计算功能、业务链功能和部分控制面网络功能也可以下沉到这一级。
接入级:
包含无线接入网的CU和DU功能,CU可部署在回传网络的接入层或者汇聚
层;DU部署在用户近端。
CU和DU间通过增强的低时延传输网络实现多点协作化功能,
支持分离或一体化站点的灵活组网。
借助于模块化的功能设计和高效的NFV/SDN平台。
在5G组网实现中,上述组网功能
元素部署位置无需与实际地理位置严格绑定,而是可以根据每个运营商的网络规划、业务需
求、流量优化、用户体验和传输成本等因素综合考虑,对不同层级的功能加以灵活整合,实
现多数据中心和跨地理区域的功能部署。
(3)5G网络代表性服务能力
与4G时期相比,5G网络服务具备更贴近用户需求、定制化能力进一步提升、网络与
业务深度融合以及服务更友好等特征,其中代表性的网络服务能力包括:
网络切片、移动边
缘计算。
1)网络切片
网络切片是网络功能虚拟化(NFV)应用于5G阶段的关键特征。
一个网络切片将构成
一个端到端的逻辑网络,按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。
网络切片架
构主要包括切片管理和切片选择两项功能。
切片管理功能,有机串联商务运营、虚拟化资源平台和网管系统,为不同切片需求方(如
垂直行业用户、虚拟运营商和企业用户等)提供安全隔离、高度自控的专用逻辑网络。
包括
三个阶段:
商务设计阶段、实例编排阶段、运行管理阶段。
切片选择功能,实现用户终端与网络切片间的接入映射。
切片选择功能综合业务签约和
功能特性等多种因素,为用户终端提供合适的切片接入选择。
用户终端可以分别接入不同切
片,也可以同时接入多个切片。
用户同时接入多切片的场景形成两种切片架构变体:
独立架
构体、共享架构体。
2)移动边缘计算
移动边缘计算(MEC,MobileEdgeComputing)改变4G系统中网络与业务分离的
状态,将业务平台下沉到网络边缘,为移动用户就近提供业务计算和数据缓存能力,实现网
络从接入管道向信息化服务使能平台的关键跨越,是5G的代表性能力。
MEC核心功能主
要包括:
应用和内容进管道、动态业务链功能、控制平面辅助功能。
移动边缘计算功能部署方式非常灵活,即可以选择集中部署,与用户面设备耦合,提供
增强型网关功能,也可以分布式的部署在不同位置,通过集中调度实现服务能力。
二、5G对通信基础设施影响
2018年上半年3GPP正式发布首版5GNR标准,包括支持完全可实施的5GNR非独立部
署(NSA)规范。
该标准发布意味着移动通信技术向5G迈进重要的一步,具有里程碑意义。
NSA非独立部署,即利用现有的LTE无线接入网和核心网新增5G新无线,采用与LTE
双连接的部署方式。
铁塔公司,作为通信基础设施建设的排头兵,这次5GNR标准的发布,也意味着将提前
做好准备,正式迈进5G时代。
1宏站
预计5GNSA标准涵盖的5G频段包括低于1GHz、2.5GHz和3.5GHz频段,以及28GHz
和39GHz毫米波频段,早期的5G部署可能最先采用3.5GHz频段+MassiveMIMO技术。
众所周知,3.5GHz频段更高,覆盖范围更小。
不过,5G基站采用MassiveMIMO技术,
具有波束赋形增益,且将增大基站功率(120W)和手机的发射功率(26dBm),可以改善3.5GHz
的覆盖范围。
尽管如此,但由于受限于上行覆盖,比如在上行覆盖上,3.5G64T64R相比LTE1.8G2T2R
仍有12dB的差距。
按较为乐观的初步估算,相对于LTE1.8G,5GNR3.5GHz单站覆盖半径仅为LTE1.8G
基站的三分之二,而覆盖面积不到LTE1.8G基站的一半。
也就是说,在早期部署5GNR3.5GHz时,要达到与4G相当的覆盖规模,需要的5G基
站数量至少是4G的1.5-2倍。
值得一提的是,目前3GPP正在讨论上下行解耦技术,即利用低频段(比如1.8GHz)作
为3.5GHz上行,补齐上行覆盖的短板,达到与LTE1.8G基本一致的覆盖。
▲上下行解耦
如果此方案纳入标准,将极大的节省基站、铁塔、土建和租赁成本。
MassiveMIMO是指在基站部署相当数量的天线单元(64,128,256根天线或更多),
这些天线单元集成在一定尺寸的天线面板里,由于相邻天线单元间距为半个波长,频率越低
(波长越大),天线单元数目越多,天线面板的面积越大。
因此,低频段MassiveMIMO天线相对较大,铁塔需考虑铁塔天面空间的影响。
另外,铁塔还需考虑天线多频、有源一体化和RRU集成趋势的影响。
从传统天线和RRU分开,到集成天线RRU,节省了成本和租赁空间,未来5G天线同样
是一体化的有源天线趋势,天线重量将增加。
前两天看到有国外铁塔公司向他们的运营商喊
话:
我们铁塔上的设备重量相当于挂了一辆小汽车啦。
2室分
5G频段更高,宏站覆盖信号穿墙损耗更大,室内覆盖问题凸显,同时随着流量需求的
不断上升,网络越来越密集,室分系统的数量必然会大幅增加。
同时,现网的室分器件并不支持5GNR新频段,无法利旧原有设备,需要新建部署。
因此,估计5G时代的新建室分需求会上升。
值得一提的是,向数字化室分演进成为5G时代的一大趋势。
传统室分的信源信号经过馈线、无源器件等传输到天线,全链路为无源网络。
5G频率
更高,馈线的传输损耗更大,较难满足性能需求。
同时,面向MIMO多通道演进,对于传统
无源室分,意味着物理上要新增多路射频馈线通道,面临工程复杂、新建扩容困难等问题。
数字化室分代替了传统室分的射频馈线传输模拟信号,而采用光纤或网线传输数字信
号,对高频段数字信号不敏感无衰减,能够在原有传输线缆上完成MIMO扩容,同时具备可
管可控、业务多元化、以及面向未来运维智能化等优势。
因此,5G时代,室分是铁塔公司的机遇,数字化室分是一大趋势。
(3)重新定义“地段”优势面向多元化转型布局
5G是一个融合的世界,运营商要融合创新和商业模式转型,面向5G和万物互联时代,
铁塔公司也要走上多元化发展的道路。
在房地产行业有句老话,叫“地段,地段,还是地段”。
地段,也是铁塔公司的最大优
势。
我们说5G无线接入网=C-RAN无线构架+光纤+SmallCells。
这是微站时代,意味着铁
塔公司不但要发挥宏站时代的“地段”优势,还要扩展和重新定义微站时代的“地段”优
势。
以铁塔模式的发源地美国为例,CrownCastle,这家全美最大的铁塔公司,面向5G时
代,正在致力于光纤、SmallCells、物联网和边缘计算部署,向业务多样化转型。
CrownCastle最近表示,他们正在研究如何重新整合微站、光纤和边缘数据中心等新
型资产,以把“地段”优势发挥到最大潜力。
而这些“地段”面向的未来客户,不仅是运营
商,还包括云服务提供商、CDN服务商、物联网垂直领域等。
中国铁塔,也在重新定义“地段”优势,向业务多元化拓展。
我们看到中国铁塔的一些新业务宣传,包括通信专网,森林防火、海事、环保监控,卫
星信号增强,“一杆多用”智慧杆等等。
面向后4G和5G时代,基站密度加大,数量成倍增长,传统建设模式必须转变,需充分
共享路灯杆、监控杆、电力杆等社会资源,为此,中国铁塔还提出了变“社会塔”为“通信
塔”,变“通信塔”为“社会塔”的转变,以推动开放合作、共享共赢,迈向5G时代。
据悉,中国铁塔正以“稳固市场占有率,聚焦市场化转型”为调整方向进行组织构架调
整,新成立业务拓展部,该业务拓展部重点聚焦通信行业客户之外的社会业务拓展,以开拓
新市场和新机遇。
三、5G基础设施建设的建议
4G改变生活,5G改变社会。
5G
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