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2019-07-31 00:15 出处:PConline原创 作者:卡夫卡 责任编辑:sunziyi

  [PConline 杂谈]作为新一代移动通信技术,5G为我们带来了更高的数据速率与更低的延迟,甚至比4G快了100倍。在满足移动超高清视频、AR/VR等大流量应用的同时,更将开启万物互联、深度融合的发展新阶段。如果说3G提升了速度,4G改变了生活,那么5G则是改变社会。在大规模商用到来之前,这些5G关键技术你真的了解吗?

   我们说,5G网络技术主要分为核心网、回传和前传网络、无线接入网,但除了这些,还有很多其他的关键技术是你必须要了解的,比如软件定义网络(SDN),网络功能虚拟化(NFV),网络切片(Network Slicing),云无线接入网(C-RAN),认知无线电(CR)以及Small Cells等等。因此,在今天的文章中,我们将逐一为大家介绍这些相对生僻却又十分关键的5G技术。

   在核心网中,其关键技术主要包括了软件定义网络(SDN)网络功能虚拟化(NFV)网络切片多接入边缘计算(MEC)

软件定义网络(SDN)

   软件定义网络(SDN),是我们最常听到的一个词汇,它是一种将网络基础设施层(也称为数据面)与控制层(或称为控制面)分离的网络设计方案。

   SDN将网络控制面解耦至通用硬件设备上,并通过软件化集中控制网络资源。控制层通常由SDN控制器实现,基础设施层通常被认为是交换机,SDN通过南向API(比如OpenFLow)连接SDN控制器和交换机,通过北向API连接SDN控制器和应用程序。

   因此,SDN可以实现集中管理,提升设计的灵活性,此外还能引入开源工具,具备降低CAPEX和OPEX以及激发创新的优势。

网络切片(Network Slicing)

   其实,我们之前在《5G切片到底“切”的是啥?又是如何实现的?》一文中,曾向大家介绍过5G网络切片相关知识。简单来说,5G切片就是将5G网络切出多张虚拟网络,从而支持更多业务。

   众所周知,5G网络将面向例如超高清视频、VR、大规模物联网、车联网等不同的应用场景。不同场景,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也是不一样的。因此,需要将一张物理网络分成多个虚拟网络,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。

   网络切片的优势在于,其能让网络运营商自己选择每个切片所需的特性,例如低延迟、高吞吐量、连接密度、频谱效率、流量容量和网络效率,这些有助于提高创建产品和服务方面的效率,提升客户体验。不仅如此,运营商无需考虑网络其余部分的影响就可进行切片更改和添加,既节省了时间又降低了成本支出,也就是说,网络切片可以带来更好的成本效益。

   当然,要在实现NFV与SDN之后才能实现网络切片,不同的切片依靠NFV和SDN通过共享的物理/虚拟资源池来创建。此外,网络切片还包含MEC资源和功能。

网络功能虚拟化(NFV)

   网络功能虚拟化(NFV),即通过IT虚拟化技术将网络功能软件化,并运行于通用硬件设备之上,以替代传统专用网络硬件设备,它将网络功能以虚拟机的形式运行于通用硬件设备或白盒之上,以实现配置灵活性、可扩展性和移动性,并以此希望降低网络CAPEX和OPEX。

   NFV要虚拟化的网络设备主要包括交换机(比如Open vSwitch)、路由器、HLR(归属位置寄存器)、SGSN、GGSN、CGSN、RNC(无线网络控制器)、SGW(服务网关)、PGW(分组数据网络网关)、RGW(接入网关)、BRAS(宽带远程接入服务器)、CGNAT(运营商级网络地址转换器)、DPI(深度包检测)、PE路由器、MME(移动管理实体)等等。需要说明的是,NFV独立于SDN,可单独使用或与SDN结合使用(点击查看详细)。

多接入边缘计算(MEC)

   接着,再来讲讲多接入边缘计算(MEC)。它被大众熟知的叫法是移动边缘计算,是一种网络架构,为网络运营商和服务提供商提供云计算能力以及网络边缘的IT服务环境,位于网络边缘的、基于云的IT计算和存储环境,它使数据存储和计算能力部署于更靠近用户的边缘,从而降低了网络时延,可更好的提供低时延、高宽带应用。

   MEC背后的逻辑非常简单,离源数据处理、分析和存储越远,所经历的延迟越高。MEC可通过开放生态系统引入新应用,从而帮助运营商提供更丰富的增值服务,比如数据分析、定位服务、AR和数据缓存等。MEC最明显的好处是,允许网络运营商和服务提供商减少服务中的延迟,以便提升整体客户体验,同时引入新的高带宽服务,而不会出现前面提到的延迟问题。

前传(Fronthaul)和回传技术(Backhaul)

   前传,指的是BBU池连接拉远RRU部分,其链路容量主要取决于无线空口速率和MIMO天线数量,4G前传链路采用CPRI(通用公共无线接口)协议;到了5G,由于其无线速率大幅提升、MIMO天线数量成倍增加,CPRI无法满足5G的前传容量和时延需求。为此标准组织正积极研究和制定新的前传技术,包括将一些处理能力从BBU下沉到RRU单元,以减小时延和前传容量等。

   回传,指的则是无线接入网连接到核心网的部分,光纤是回传网络的理想选择,但在光纤难以部署或部署成本过高的环境下,无线回传是替代方案,像点对点微波、毫米波回传等。此外,无线Mesh网络也是5G回传的一个选项,在R16里,5G无线本身将被设计为无线回传技术,即IAB(5G NR集成无线接入和回传)。

云无线接入网(C-RAN)

   我们说,为了提升容量、频谱效率、降低时延、提升能效,以满足5G关键KPI,5G无线接入网包含的关键技术包括了云无线接入网(C-RAN)、SDR(软件定义无线电)、CR(认知无线电)、Small Cells、自组织网络、D2D通信、Massive MIMO、毫米波、高级调制和接入技术、带内全双工、载波聚合、低时延和低功耗技术等,我们挑了几个重点为大家讲解。

   云无线接入网(C-RAN),其将无线接入的网络功能软件化为虚拟化功能并部署于标准的云环境中,C-RAN这个概念由集中式RAN发展而来,旨在提升设计灵活性和计算可扩展性,提升能效和减少集成成本。在C-RAN构架下,BBU功能是虚拟化、集中化以及池化部署,RRU与天线分布式部署,RRU通过前传网络连接BBU池,BBU池可共享资源、灵活分配处理来自各个RRU的信号。

   云无线接入网的优势在于,它能提升计算效率和能效,易于实现CoMP(协同多点传输)、多RAT、动态小区配置等更先进的联合优化方案,但C-RAN的挑战是前传网络设计和部署的复杂性。

软件定义无线电(SDR)

   再来说说软件定义无线电(SDR),其能实现部分或全部物理层功能在软件中定义。这里需要注意软件定义无线电和软件控制无线电的区别,后者仅指物理层功能由软件控制;在SDR中,我们可以实现调制、解调、滤波、信道增益和频率选择等一些传统的物理层功能,这些软件计算可在通用芯片、GPU、DSP、FPGA和其他专用处理芯片上完成。

认知无线电(CR)

   那么,认知无线电(CR)指的又是什么呢?CR可通过了解无线内部和外部环境状态实时做出行为决策。此外,SDR被认为是CR的使能技术,但CR包括和可使能多种技术应用,比如动态频谱接入、自组织网络、认知无线电抗干扰系统、认知网关、认知路由、实时频谱管理、协作MIMO等。

小基站(Small Cells)

   相较于传统宏基站,小基站(Small Cells)的发射功率更低,因此覆盖范围更小,一般情况下可覆盖10米到几百米的范围。Small Cells通常根据覆盖范围的大小依次分为微蜂窝、Picocell和家庭Femtocell。

   小基站(Small Cells)旨在不断补充宏站的覆盖盲点和容量,以更低成本的方式提高网络服务质量。考虑5G无线频段越来越高,未来还将部署5G毫米波频段,无线信号频段更高,覆盖范围越小,加之未来多场景下的用户流量需求不断攀升。到了后5G时代,大量部署小基站将是大势所趋,这些小基站将与宏站组成超级密集的混合异构网络,而这也将为网络管理、频率干扰等带来前所未有的复杂性挑战。

设备到设备通信(D2D)

   设备到设备通信(D2D),是指数据传输不通过基站,而是允许一个移动终端设备与另一个移动终端设备直接通信。D2D源于4G时代,被称为LTE Proximity Services (ProSe)技术,是一种基于3GPP通信系统的近距离通信技术,主要包括直连发现功能,即终端发现周围有可以直连的终端,和直连通信,与周围的终端进行数据交互两大功能。

   4G时代,D2D主要应用于公共安全领域,而到了5G时代,由于车联网、自动驾驶、可穿戴设备等物联网应用将大量兴起,D2D通信的应用范围也将随之扩大,当然也会面临安全和资源分配公平性挑战。

毫米波(mmWave)

   说到毫米波(mmWave)想必各位都不会陌生,经常在介绍5G技术的文章中被提及。毫米波指RF频率在30GHz和300GHz之间的无线电波,波长范围从1mm到10mm。5G与2/3/4G最大的区别之一是引入了毫米波。毫米波的缺点是传播损耗大,穿透能力弱,毫米波的优点是带宽大、速率高,Massive MIMO天线体积小,因此适合Small Cells、室内、固定无线和回传等场景部署。

低时延技术

   为了满足像如自动驾驶、远程控制等5G URLLC场景,低时延是5G关(bi)键(bei)技术之一。为了降低网络数据包传输时延,5G主要从无线空口和有线回传两方面来实现。在无线空口侧,5G主要通过缩短TTI时长、增强调度算法等来减低空口时延;在有线回传方面,通过MEC部署,使数据和计算更接近用户侧,从而减少网络回传带来的物理时延。

 
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