5G网络关键技术浅谈

信息通信

INFORMATION & COMMUNICATIONS

2018

(Sum. No 187)

5G网络关键技术浅谈

赵根

(中国联合网络通信有限公司湖北省分公司，湖北武汉430040)

摘要：随着国家等有关部门于2018年4月批准中国移动、中国电信和中国联通三大运营商在多个城市试点建设

5G网络，国内5G的脚步越来越近,5G的关键技术和能力也引发了业界的大讨论。文章从网络容量与关键任务两个方 面引出5G网络的关键技术，详细介绍了以大规模天线、全频谱接入及多载波技术、NFV和SDN技术等为特征的5G网 络的五大关键技术。关键词:5G; MIMO;多址技术;NFV; SDV图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号:1673-1131(2018)07-0011-02

高阶MIMO到大规模阵列的发展，实现频谱效率大幅度提升

数十倍甚至更高，是未来5G技术重要的研究方向之一。4G 系统中，MIMO技术的大范围应用有效的提升了网络速度和 用户感知，在5G系统中为提供更快速率的服务，将继续发展 MIMO这一成熟的技术。另外,空分多址技术(SDMA)是大规 模天线阵列技术应用的重要支撑，其基础技术原理来自于波 束赋形，大规模天线阵列通过调整天线阵列中每个阵元的加 权系数产生具有指向性的波束，从而带来明显的信号方向性 增益，并与SDMA之间产生精密的联系。根据香农公式，大规模天线的优势之一是可以简单有效 的成倍提升并行传输容量，提高了效率;优势之二是可以提升 信号质量，特别是波束赋形在高频段的信号增强和覆盖能力方面应用更加有优势。

但大规模天线技术的以下关键问题需要进一步研究，如 控制信道的覆盖能力远比数据信道弱，天线架构设计形状不 规则，基站端预编码需要优化等，实际部署方面硬件成本也是

0引言

驱动移动网络向5G发展主要为高速率、低时延和大连接 三大因素。根据相关理论，提高频谱利用率和增加频谱带宽 是无线传输速率提升的两个可行方法。提高频谱利用率的主

要的技术方法为增加基站和天线的数量，在5G中的关键技术 为大规模天线阵列(MassiveMIMO)和超密集组网，而提高频 谱带宽则需要拓展5G使用频谱的范围，由于目前4G主要集 中在2GHz以下的频谱，未来5G将使用2-6GHZ,甚至 6-lOOGHz的全频谱接入，来获取更大的频谱带宽。

为实现5G低时延和大连接的要求，5G技术中引入了新 的多址技术以减少调度时延，同时为实现更灵活的网络调度， 网络架构更加扁平化，引入了基于软件定义网络（SDN)和网 络功能虚拟化(NFV)两种新型网络架构概念。1大规模天线(MassiveMIMO)

移动网络的天线技术从2G到3G、3G到4G不断发展，从

PERCENT=100, RATE=MID, MSC1NAME=\"WHGS57\MSC1PER=33, MSC2NAME=\"YCHGS11\MSC2PER=33, MSC3NAME=\"YCHGS17\MSC3PER=34;

第三步：待手动停止迁移指令后，将测试号码迁移至 YCHGS6；

第四步:LSTP3和LSTP4去激活YCHGS6的信令。指令 为:DEA N7LNK: LX=<%索引％>;该指令配置为动态指令，LX 信令链路跟随网络拓扑变化。

第五步:YCHGS6去激活到LSTP3和LSTP4的信令。指 令为:DEA N7LNK: LNKNM=\"<%链路名称％>\";该指令配置 为动态指令，LNKNM信令链路跟随网络拓扑变化。

第六步:在所有的MGW上将YCHGS6置为禁止态;指令 为:MOD CNNODE: CNID=<%A1%>, MNGSTA=INHIBITED;第七步:进行模拟宕机后的业务测试；

第八步:POOL应急演练测试完成后，重启YCHGS6的所 有 VDB 单板。指令为:RST BRD: FN=<%框号％>, SLN=<% 槽号％>;该指令配置为动态指令，VDB单板的框号和槽号跟 随硬件配置变化。

第九步:显示YCHGS6的所有VDB单板状态，查看重启 是否完成。该指令可设置为在单板重启指令下发10分钟(经 验值)后执行。

第十步：待重启完成后，通过“一键应急修复模块”激活 LSTP3和LSTP4与YCHGS6之间的信令链路。指令为:ACT N7LNK: LX=<% 索引 ％>;和 ACTN7LNK: LNKNM=\"<%链路 名称％> ”；

第^^一步：将MGW上至YCHGS6的状态还原为“正常

态”。指令为:MOD CNNODE: CNID=<%A1%>, MNGSTA= NORMAL;

第十二步:POOL内端局把用户迁回至YCHGS6。指令如： SET OFFLDCTRL: OFFLDTYPE=OFFLDPER, PERCENT=25, RATE=MID, MSC1NAME=\"YCHGS6\MSC1PER=100;

第十三步:进行恢复后的业务测试。3结语

该项目在我省无线优化和交换专业管理工作中，获得了 大胆的尝试与使用，取得了良好的效果，系统具备较强的可移 植性。一键应急修复模块操作简单，值班人员可轻松应对应 急状况下的专业性较强的操作，为业务的恢复争取时间，现已 广泛应用于本省例行MSC POOL宕机演练中。参考文献：

[1] 李群，代德军.突发事件应急演练评估方法、技术及系统研

究[J].中全生产科学技术,2016(7).[2] 郭勇生.MSC POOL组网方案设计及工程实践[D].杭州

电子科技大学硕士研究生学位答辩论文，2016年12月.[3] 项菲，刘川意，方滨兴，等.新的基于云计算环境的数据容灾 策略[J].通信学报,2013(6).作者简介:王慧（1979-),女，湖北宜昌人，华中科技大学学士， 中级通信工程师，从事华为软交换机技术、集中性能管理等方 面的研究。

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一大难点。大规模多天线系统属于硬件、软件密集型的，随着 天线数量的增多，硬件成本也大幅增加,相对应的软件设计复 杂化加大，需要更强大的处理器，总之成本的控制也将是大规 模天线技术面临的挑战。

2超密集组网

未来移动流量将飞速发展，特别是在住宅区、密集街区、 校园、大型集会和地铁等热点地区可能流量1000倍提升，而

用户业务速率还要提升到1〇~1〇〇倍，5G超密集组网方案将 会面临挑战。传统的无线网络组网方式通常采用小区来 减少覆盖来增加容量，但覆盖半径小到一定程序就很难进行 了。超密集部署网络使得小区边界数极具增加，导致切换更 加频繁，网络控制信令的负荷随之大大增加，切换算法的优化 是超密集组网技术需要解决的问题。

超密集组网技术即虚拟层技术，通过单层实体网络构建 多层虚拟网络,实现控制与业务分离。如在宏微覆盖场景下, 通过宏基站来负责微基站间的无线资源控制，接入管理，微基 站间干扰协调及区域内的移动性管理等，微基站则主要负责 业务;在微微覆盖覆盖场景下，让区域内某个微站负责无线资 源控制，接入管理，干扰协调及移动性管理等。另外，为及时 响应大流量的数据业务，需要将用户面网关、移动边缘计算、 本地缓存等功能下沉到离用户近的网络边缘。

3全频谱接入及多载波技术

为满足5G移动业务对速率和容量成陪增长，在频谱利用 率不变的情况下，增加频谱的带宽可以直接有效的成倍提升

速率。目前国内商用的频谱主要在3GHz以下,为满足未来流 量高速增长的需求，只有向高频段要资源，根据业界共识, 6GHz以下频段作为覆盖层，毫米波作为容量层，形成全频谱 接入，有效地利用高低频段、授权与非授权频谱、连续与非连 续频谱等提升系统容量和网络速率。

对于多载波技术来说，主要有F-OFDM、FB-OFDM和UF- OFDM三种技术，三种多载波技术都将满足下一步移动网络 的业务需求，选择哪种技术主要考虑频谱效率、时延性、计算 复杂度、能量效率和组网成本等。为减少同步信令的开销，降 低对时间同步要求，三种载波技术都采用滤波器机制,降低了 带外泄露，最低化保护带开销，从而实现子带间能量隔离。

三种载波技术的不同点在于，FB-OFDM中滤波器组是以 每个子载波为单位，可以有效地抑制信号的旁瓣。UF-OFDM 和FB-OFDM为降低开销，降低时延,去掉了 CP。UF-OFDM 和F-OFDM滤波器组以一个子带为单位，差别在于F-OFDM 需要CP,且UF-OFDM使用的滤波器阶数较短，F-OFDM需 要使用的滤波器较长。

4新型多址技术

目前全球有15种相关技术在竞争,主要分为正交的多址 方式和非正交的多址技术，国内的华为、中兴和大唐等都在研

究非正交的mMTC上行多址技术，eMBB的多址技术则可能 使用 OFDMA 和 DFT-S-FDMA。

华为SCMA、中兴MUSA和大唐的PDMA等多址技术均 依赖SIC技术，它有良好的信号检测特性，但仍存在几个问题: ①SIC接收机在5G系统中设计复杂，要求系统配置更强的信 号处理能力的芯片;②考虑要对功率域、空域和编码域的编码 传输，要求SIC技术具有不断地对用户的特性进行排序的能 力;③SIC技术带来较大的时延。

SCMA技术的特点是码本设计较灵活，好处在于可以很好

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赵根:5G网络关键技术浅谈

应对未来不同场景下的多样性系统性能要求，SCMA码本设计 可以有丰富的优化维度。如覆盖要求高的场景下，可以给用户 分配多一点资源块，增加码本中非零元素数量，这样就可以保 障较低的误码率，提升容纳的用户数;对于连接性要求高的场 景下，可以给用户分配少一点资源块，减少码本中非零元素数 量，这样就可以保障小包业务对传输速率的要求。SCMA码字 的稀疏性使接收端可以降低算法的复杂度，结合信道编码实现 Turbo译码,可以把解调复杂度可控的条件下还能提高性能。

MUSA技术支持大量用户在相同时频资源上共享接入, 免调试机制在海量连接场景下，也能减轻系统的信令开销和 降低实现的复杂性。另外MUSA对上行同步要求不严格，只 需要简单的下行同步。MUSA在远近效应方面有不错的表现， 通过提高SIC分离用户数据的性能可以消除强信道用户对其 它用户造成的干扰，减轻对闭环功控的要求。

PDMA是NOMA技术的演进，理论基础是发送端和接收 端联全设计，发送端把多路信号进行编码图样映射到相同的 时频资源中复用传输，在接收羰采用广义串行干扰删除接收 机算法进行多用户检测，实现上行和下行的非正交传输。和 MUSA —样,PDMA也有免调度机制。

5 NFV/SDN 技术

当前传统EPC网络的构建思路是从服务和基础出发，针

对单一服务设计的网络，这使网络在控制平面和用户平面耦 合，也在硬件和软件耦合。这两个耦合给运营商部署网络带 来成本和时间上的挑战，随着终端类型和服务类型越来越多， 传统架构无法高效地分配资源和拓展新的功能，降低了用户 服务质量体验。

软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)作为两种新 兴技术，它们的弓丨入为运营商带来的时间和成本上的节省。SDN 技术是一种将网络设备的控制平面与转发平面分离，并将控制 平面集中实现的软件可编程的新型网络体系架构，很好的实现 EPC控制面和用户面的解耦。NFV技术是一种将网络功能整 合到行业标准的服务器、交换机和存储硬件上，通过采用通用硬 件取代专用硬件，可以方便快捷地把网元功能部署在网络中任 意位置，同时通过对通用硬件资源实现按需分配和动态延伸，以 达到最优的资源利用率的目的，极大地降低时间和成本。

6结语

本文从5G基本特性说起，逐一对作者认为的主要关键技 术进行了阐述，并对其中面临的挑战和难点进行了分析，此外

除了文中所说的关键技术,5G还有一些技术比较重要,如全双 工、LDPC与Polar编码、D2D技术等。和4G —样,5G的发展 也将是一个长期的演进过程，高速率、低时延、大连接等基本 特性会随着需求和技术的发展继续前进，5G将会增加其它的 特性为人们的日常生产生活提供更加便利的通信服务。参考文献：

[1] 周竞科.5G关键技术研究[J].信息通信，2018.

[2] 赵泉.5G关键技术的特征和面临的挑战[J].中国新通信，

2018.

[3] 扈兆明.5G无线网络及其关键技术[J].电子技术与软件工

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[4] 池翰贞.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].通讯世

界，2018.

[5] 肖清华.汪丁鼎.许光斌.等.TD-LTE网络规划设计与优化

[M].人民邮电出版社,2013.