深度解析5G关键技术及性能要求

5G 作为一种新型移动通信网络，不仅要解决人与人通信，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清视频等更加身临其境的极致业务体验，更要解决人与物、物与物通信问题，满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。最终，5G 将渗透到经济社会的各行业各领域，成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。5G技术具有以下四大特点：

① 毫米波。

5G 为进一步提高移动通信速度，采用极高频段进行通信，电磁波的特点是频率越高，波长则越短，因此5G的波长达到毫米级。

② 微基站。

波长越短，越容易受到干扰，因此5G的覆盖范围将严重受到影响。而微基站能够做到到处安装随处可见，而且微基站能够完美融入城市景观，不会使城市环境受到影响。

③ 波束赋形。

传统基站发射信号是向四周发射的，因此会有很多信号无人使用而浪费掉。波束赋形能使电磁波指向它所提供服务的设备，而且能够根据设备的移动而转变方向，这样每束光都能照亮一个人。

④ D2D（设备到设备）。

4G手机通信，数据包要通过基站进行传播，不仅延时高，效率还低。而5G时代，手机之间直接传递数据，只需要“知会”基站一下就可以了，这样使传输效率大大提高。

其中，与5G无线网络特点密切相关的关键技术包括以下几项：

（1）超密集异构网络

5G网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及，移动数据流量将呈现爆炸式增长。在5G网络中，减小小区半径，增加低功率节点数量，是保证5G网络支持1 000倍流量增长的核心技术之一。因此，超密集异构网络成为5G网络提高数据流量的关键技术。

5G无线网络部署超过现有站点10倍以上的各种无线节点，在宏站覆盖区内，站点间距离保持10米以内，并且支持在每千米范围内为25 000个用户提供服务。同时也可能出现活跃用户数和站点数的比例达到1:1的现象，即用户与服务节点一一对应。密集部署的网络拉近了终端与节点间的距离，使得网络的功率和频谱效率大幅提高，同时也扩大了网络覆盖范围，扩展了系统容量，并且增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次间的灵活性。

（2）自组织网络

传统移动通信网络中，主要依靠人工方式完成网络部署及运维，既耗费大量人力资源又增加运行成本，而且网络优化也不理想。在5G网络中，面临网络的部署、运营及维护的挑战，这主要是由于网络存在各种无线接入技术，且网络节点覆盖能力各不相同，它们之间的关系错综复杂。因此，自组织网络（Self-Organizing Network，SON）的智能化成为5G网络必不可少的一项关键技术。自组织网络技术解决的关键问题主要有两点：

① 网络部署阶段的自规划和自配置。

自规划的目的是动态进行网络规划并执行，同时满足系统的容量扩展、业务监测或优化结果等方面的需求。自配置即新增网络节点的配置可实现即插即用，具有低成本、安装简易等优点。

② 网络维护阶段的自优化和自愈合。

自优化的目的是减少业务工作量，达到提升网络质量及性能的效果。自愈合是指系统能自动检测问题、定位问题和排除故障，大大减少维护成本并避免对网络质量和用户体验的影响。

目前，主要有集中式、分布式以及混合式三种自组织网络架构。其中，基于网管系统实现的集中式架构具有控制范围广、冲突小等优点，但也存在着运行速度慢、算法复杂度高等方面的不足；而分布式与之相反，效率和响应速度高，网络扩展性较好，对系统依赖性小，缺点是协调困难；混合式结合前两者的优点，缺点是设计复杂。

（3）内容分发网络

在5G中，面向大规模用户的音频、视频、图像等业务急剧增长，网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量。如何有效地分发大流量的业务内容，降低用户获取信息的时延，成为网络运营商和内容提供商面临的一大难题。仅仅依靠增加带宽并不能解决问题，它还受到传输中路由阻塞和延迟、网站服务器的处理能力等因素的影响，这些问题的出现与用户服务器之间的距离有密切关系。

内容分发网络（Content Distribution Network，CDN）是在传统网络中添加的新的层次，即智能虚拟网络。CDN系统综合考虑各节点连接状态、负载情况以及用户距离等信息，通过将相关内容分发至靠近用户的CDN代理服务器上，实现用户就近获取所需的信息，使得网络拥塞状况得以缓解，降低响应时间，提高响应速度。

当用户对所需内容发送请求时，如果源服务器之前接收到相同内容的请求，则该请求被DNS重新定向到离用户最近的CDN代理服务器上，由该代理服务器发送相应内容给用户。因此，源服务器只需要将内容发给各个代理服务器，便于用户从就近的带宽充足的代理服务器上获取内容，降低网络时延并提高用户体验。随着云计算、移动互联网及动态网络内容技术的推进，内容分发技术逐步趋向于专业化、定制化，在内容路由、管理、推送以及安全性方面都面临新的挑战。(www.xing528.com)

（4）D2D通信

在5G网络中，网络容量、频谱效率需要进一步提升，更丰富的通信模式以及更好的终端用户体验也是5G的演进方向。设备到设备通信（Device-to-Device Communication，D2D）具有潜在的提升系统性能、增强用户体验、减轻基站压力、提高频谱利用率的前景。因此，D2D是5G网络中的关键技术之一。

D2D通信是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术。D2D会话的数据直接在终端之间进行传输，不需要通过基站转发，而相关的控制信令，如会话的建立、维持、无线资源分配，以及计费、鉴权、识别、移动性管理等仍由蜂窝网络负责。蜂窝网络引入D2D通信，可以减轻基站负担，降低端到端的传输时延，提升频谱效率，降低终端发射功率。当无线通信基础设施损坏，或者在无线网络的覆盖盲区，终端可借助D2D实现端到端通信甚至接入蜂窝网络。

5G网络在引入D2D通信带来好处的同时，也面临一些挑战。当终端用户间的距离不足以维持近距离通信或者满足D2D通信条件时，如何进行D2D通信模式和蜂窝通信模式的最优选择以及通信模式的切换都需要思考解决。

（5）信息中心网络

随着实时音频、高清视频等服务的日益激增，基于位置通信的传统TCP/IP网络无法满足海量数据流量分发的要求，网络呈现出以信息为中心的发展趋势。

信息中心网络（Information-Centric Network，ICN）所指的信息包括实时媒体流、网页服务、多媒体通信等，而信息中心网络就是这些片段信息的总集合。因此，ICN的主要概念是信息的分发、查找和传递，不再是维护目标主机的可连通性。不同于传统的以主机地址为中心的TCP/IP网络体系结构，ICN采用的是以信息为中心的网络通信模型，忽略IP地址的作用，甚至只是将其作为一种传输标识。全新的网络协议栈能够实现网络层解析信息名称、路由缓存信息数据、多播传递信息等功能，从而较好地解决计算机网络中存在的扩展性、实时性以及动态性等问题。

尽管ICN可以解决现有IP网络的固有问题，但在扩展性、数据移动性及大范围部署等方面存在不足，其中最为突出的是部署性问题。由于现有IP网络拥有广泛的覆盖范围，且成功地运营了几十年，ICN的提出无疑是对IP网络的挑战。因此，5G网络更加注重ICN与IP网络的结合，使得ICN的发展更加实用。

（6）移动云计算

近年来，智能手机、平板电脑等移动设备的软硬件水平得到了极大提高，支持大量的应用和服务，为用户带来了很大的便利。在5G时代，全球将会出现500亿连接的万物互联服务，人们对智能终端的计算能力以及服务质量的要求越来越高。移动云计算成为5G网络创新服务的关键技术之一。

移动云计算是一种全新的IT资源或信息服务的交付与使用模式，它是在移动互联网中引入云计算的产物。移动网络中的移动智能终端以按需、易扩展的方式连接到远端的服务提供商，获得所需资源，主要包含基础设施、平台、计算存储能力和应用资源等。

在移动云计算中，移动设备需要处理的复杂计算和数据存储从移动设备迁移到云中，降低了移动设备的能源消耗并弥补了本地资源不足的缺点。此外，由于云中的数据和应用程序存储和备份在一组分布式计算机上，降低了数据和应用发生丢失的概率，移动云计算还可以为移动用户提供远程的安全服务，支持移动用户无缝地利用云服务而不会产生延迟、抖动。

（7）情境感知技术

随着海量设备的增长，5G网络不仅承载人与人之间的通信，而且还要承载人与物之间以及物与物之间的通信，既可支撑大量终端，又可使个性化、定制化的应用成为常态。情境感知技术能够让5G网络主动、智能、及时地向用户推送所需的信息。

情境感知技术是一个信息系统，采用传感器或无线通信等相关技术，使计算机设备、PDA、智能手机等设备具备感知当前情境的能力，并通过这些设备分析和确定可获得的情境信息，如用户当前位置、时间、附近的人和设备以及用户行为，主动为用户提供可靠的、合适的服务。情境感知技术使移动互联网主动、智能、及时地把最相关的信息推送给用户，而不是由用户主动向移动互联网发起信息请求，然后由用户在信息的“海洋”中苦苦地选择自己感兴趣的内容。情境感知技术使得5G可以在网络约束以及运营商策略的框架之内智能地响应业务应用的相关需求，完成“网络适应业务”。

在以上关键技术的支撑下，5G满足以下性能指标：

① 峰值速率达到10～20 Gbit/s，满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。

② 空中接口时延低至1毫秒，满足自动驾驶、远程医疗等实时应用。

③ 具备百万连接/平方千米的设备连接能力，满足物联网通信。

④ 频谱效率要比LTE提升3倍以上。

⑤ 连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100 Mbit/s。

⑥ 流量密度达到10 Mbps/m2以上。

⑦ 移动性支持500 km/h的高速移动。