华为管民政老师上周介绍了 5G 相关基础知识（点击查看），今天继续为我们介绍 5G 的主要技术。
5G 的组网架构（NSA/SA）
讨论 5G 的关键技术，就离不开 5G 的组网形式。由于 5G 网络的频谱普遍较高，且初期投资较大，因此业界考虑两种 5G 网络的组网方式：
第一种是 5G 非独立组网（NSA）。顾名思义，NSA 组网方式下，5G 网络不能独立部署，必须依托运营商原有的一个网络（如 LTE 网络）进行部署。
具体而言，5G 的基站依托 LTE 的基站接入网络，对用户的所有控制操作，包括移动性管理，漫游，切换等，都通过 LTE 网络进行，而 5G 基站仅提供数据业务增强的管道。这样做的好处主要在以下几点：
1、NSA 组网方式下，对初期 5G 网络的覆盖要求不高。5G 基站仅需要部署在有高容量业务需求的流量热点区域即可，这样既节省了 5G 网络建设的投资，也达到了 5G 业务的体验。
2、有利于 LTE 投资的回收。在 LTE 网络已经广泛部署的情况下，由于各地经济水平发展不一，导致 LTE 网络的投资回报率不尽相同。在非热点区域，无论是 4G 用户的渗透率还是 4G 网络的利用率，都有很大的提升空间。因此在有需要的地方部署 5G 网络，而在需求暂缓的区域仍然让 LTE 网络发挥价值，是 NSA 组网方式的另一个优势。
3、非独立组网使得运营商具有在特定区域建设网络的灵活性，比如，为了车联网的服务，在港口或码头部署 5G 网络；为了智能工厂业务的孵化，在厂区附近部署 5G 网络，以支持初期的 5G 商用服务。
当然非独立组网方式也有其很大的不足：
首先，非独立组网下，5G 网络不能联系覆盖，还不能称之为严格意义上的 5G 网络，仅能说是具备了提供 5G 网络服务的能力。
其次，非独立组网与现有 LTE 网络的互操作也非常复杂。比如，在有 5G 网络覆盖的区域，同一个用户的数据流量，哪些经过 LTE 网络传输，哪些经过 5G 网络传输，流量分配机制在网络的哪个层面去确定，都是一套复杂的流程。
最后，也是最为重要的一点，由于 5G 网络提出了网络切片的概念，网络切片是一个端到端实现的 5G 技术。在非独立组网情况下，随着用户的位置不同，通过 LTE 接入网络将无法实现网络切片。而通过 5G 接入网络，也需要核心网同步升级支持 5G 网络，同时要确保端到端的流程不会回到 LTE 网络。而这点在非独立组网情况下是不可能的。可以说，无法实现网络切片，是非独立组网的最大不足。
第二种就是 5G 独立组网方式（SA）了。独立组网通过建设一个全新的 5G 网络，包括新基站、承载网和核心网，来实现 5G 网络的所有功能。由此可见，5 G 的独立组网主要受限于以下两个因素：
一个是时间。从标准化的进度来看，第一个独立组网的 R15 版本要 2018 年 6 月完成，业界会在同年 9 月具备测试验证能力。而完整的独立组网 R16 版本，要到 2019 年底才能完成，到 2020 年才能具备商用能力。而这与目前正在进行的 5G 规模试点的时间进度不符。
另一个是成本。由于 5G 频谱较高，5G 的连续覆盖组网部署压力会很大。同时 LTE 的投资正处于回报期，很多区域并不亟需 5G 网络的部署。
因此，包括美国、日本、韩国在内的移动通信发达地区，在 5G 网络部署初期都选择非独立组网的部署方式。另一方面，即便以 5G 的独立组网 SA 为网络建设目标，在标准不成熟，5G 行业应用未兴起，5G 用户规模未扩大的网络建设初期，选择 NSA 的组网方式也是行之有效的办法。可以这么说，NSA 的组网方式是 5G 实现 SA 组网的必由路径。
5G 无线主要变化
为了达成对三大类业务场景的支持，达到对各个网络能力指标的支持，5G 采用了很多新的技术。多天线技术就是其中的关键技术之一。
多天线技术，指的是在基站天线上，采用多个射频的接收和发射通道，在一个天线上实现 64 个收发通道，以达到更好的无线传播性能。多天线的原理类似于雷达，能形成多个数据传输波束对准不同的用户。天线数越多，产生的独立数据传输波束也越多，进而系统的传输容量也越大。
产生的多个波束，即可以给同一个用户使用，也可以给多个不同的用户使用。当给一个用户传输多个波束时，可以提升单用户峰值吞吐量。目前在终端 4 根接收天线的情况下，最多可以给用户分配 4 个独立的传输波束，理论上相比于只有 1 根接收天线的用户，单用户的吞吐量将会提升四倍。
而当这些波束分配给不同的用户使用时，意味着 5G 系统可以同时给这些用户传输信息，进而提升整个小区的平均吞吐量。理论上，当有 64 个收发通道时，系统可以同时发射 64 个独立波束。实际上，在现实的无线环境中，小区一般能实现 12-16 个独立波束的传播。即便如此，也将极大的提升系统的小区吞吐量。可以说，多天线技术，是 5G 系统实现大带宽、大容量的最为关键的技术。
多天线系统的另一个特征在于其波束的灵活指向性，天线产生的传输波束可以随用户移动，提升了用户的移动性体验。同时，灵活的波束还可以向空中辐射，是解决城市里面高层楼宇覆盖的有效手段。
灵活的波束指向，能使电磁波的辐射能量更加集中，因此也是一种有效提升下行网络覆盖的技术。对于频段较高的 5G 网络而言，这将是非常必要的需求，也是 5G 网络独立组网的必备技术之一。
正是由于多天线系统的关键特性，在 LTE 系统里面就已经开始规模应用了。现网的测试表明，采用了 64 通道的 LTE 系统，其小区吞吐量能提升约 5~6 倍，极大地解决了如高校宿舍区、繁华商业区等流量热点区域网络容量不足的问题，很好的证明了多天线系统的可靠性和有效性。
另外，一个很有意思的情况是，由于无人机的兴起，大家都在讨论无人机的联网问题。当无人机飞到空中时，如何有效地将无人机连入网络曾经是一个很大的挑战。而多天线技术则提供了一种很好的解决方案。通过产生的灵活波束对准无人机，可以实现无人机的低空覆盖，并结合运营商的广覆盖网络特性，使得蜂窝网络连接无人机并实现远程遥控操作成为可能，为无人机的发展提供了广阔的空间。
5G 的另一个关键技术是上下行解耦。如前所述，5G 网络所使用的频段较高，因此其覆盖将是需要技术手段提升的方面。这其中，由于终端发射功率低，受限于天线数量而无法像下行传输那样形成波束赋形，因此 5G 网络的上行覆盖将会是一个严峻的挑战。比如，在我国所发布的 5G 频谱中，最低的可使用 5G 频段是 3.4~3.6 GHz，在该频段上，上行和下行的传播损耗差异就高达约 13dB，因此单靠终端的技术难以弥补这样的差距。
很显然，为了提升覆盖效果，可以考虑使用更低的频段进行上行传输，比如 1.8GHz 或者更低的 900MHz。考虑到 900MHz 的频段资源较少，承载的 GSM 业务量较大，因此可以考虑在 1.8 GHz 频段上承载 5G 的上行信号。这就是上下行解耦技术。
上下行解耦，就是指在无线侧，终端的上行传输和基站的下行传输采用不同的频段，由于上行覆盖受限，则上行的频段低于下行的频段。其实，这本是一个很直观的技术，只不过在以 FDD\TDD 为双工方式，以频谱分配为使用原则的现有技术体制下，上下行采用不同的频段，受到了标准和协议的制约。2017 年 8 月，业界逐渐意识到上下行解耦对 5G 网络部署的重要意义，因此将其纳入 3GPP 标准，并将在后续的 5G 网络部署中应用。
5G 核心网主要变化
5G 核心网相比于 LTE 核心网，其最大变化就是支持网络切片。网络切片是个什么含义呢？如前所述，5G 网络需要能支持三类典型的业务，但是这些业务对网络能力的要求是截然不同的，传统的物理网络无法同时满足这些业务的诉求。比如对于支持车联网业务的网络，需要支持毫秒级的低时延和上百兆带宽的高速率网络。而如果用这样一个网络去为抄表类的物联网网络服务，比如去抄电表，那显然是种浪费和不合理。因此，5G 提出了网络切片的概念，在统一的物理网络上，可以通过软件的方式，按需部署不同的网络功能，进而实现对不同业务的支持能力。
具体而言，5G 的核心网，其传统意义上的网元功能将被打散，变为一个个独立的功能模块。一个网络切片需要哪些网络功能，就部署哪些功能模块，以此达到基于服务化架构（SBA）的网络部署能力。比如原来 LTE 核心网的 MME 网元，其移动性管理功能和会话管理功能将被拆开为独立的服务组件，当部署一个抄水表的网络切片时，由于水表不会移动，因此该切片就不需要部署移动性管理的服务组件。
5G 承载网主要变化
而 5G 承载网络相比于 LTE 网络，最大的变化则在于对大带宽和低时延的支持。通常情况下，4G 基站的单站平均吞吐量大概为 0.4~0.5 Gbps，峰值吞吐量大概为 1Gbps，因此 4G 网络的接入环采用 1G 的接口带宽就能满足要求。而在 5G 网络下，单站平均吞吐量大概为 3Gbps，峰值吞吐量将超过 6Gbps，如果考虑高频基站的热点容量区域，峰值吞吐量将会超过 10Gbps，因此 5G 网络的接入环需要 10G 的接口带宽容量。
从接入环往上，由于流量的层层汇聚，因此承载网络的带宽承载能力逐级增加。具体而言，在接入环节点上，需要具备 50GE/100GE 的接口处理能力；在汇聚环节点上，需要 200GE/400GE 的接口处理能力；而在汇聚环到核心环的节点上，则需要 400GE 甚至 1T 的接口处理能力。
另一个对承载网络最大的挑战在于时延的降低。通常，信号经过电交换设备的处理时延约 40us，信号在光芯中传输的时延是 200km/ms。而对于 5G 要面对的很多低时延业务，比如车联网、VR 等，需要低至 10ms 的端到端时延，因此要尽可能的降低端到端的传输距离。在空口已经通过帧格式降低到 1ms 以内的时延后，另一种可行的方案就是承载网的层 3 路由功能下移，即在最靠近用户的接入环就引入层 3 的路由功能，在接入环就将用户的数据转到业务服务器，缩短业务的路由路径，进而极大地降低业务时延。
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