1.2 5G关键技术

为了应对爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接以及不断涌现的各类新业务和新应用场景，满足多样化的垂直行业终端互联，5G在无线传输技术和网络技术方面都有新的突破。5G关键技术总体框架如图1-4所示。在无线传输技术方面，引入5G 能进一步挖掘提具有升频谱效率潜力的技术，如新型多址接入、超密集网络、全双工（Full Duplex,FD）、大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）等[4]以及增强带宽拓展频谱的潜力技术，如设备到设备（Device-to-Device,D2D）通信、毫米波通信等；在无线网络方面，5G采用更灵活、更智能的网络架构和组网技术，如采用控制与转发分离的软件定义网络（Software Defined Networking,SDN）的架构、网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization,NFV）和网络切片等。

1.2.1 无线传输关键技术

（1）新型多址接入

新型多址接入能够在有限的通信资源下实现海量用户的接入，更好地满足5G海量连接、低时延及低功耗等业务场景。非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）作为一种新型多址接入技术，采用非正交方式将发送端的多用户信号在时域、空间域、频域、码域、功率域等进行叠加传输，打破了传统正交多址接入（Orthogonal Multiple Access,OMA）的正交资源分配方式，在相同资源上复用多个用户，能够提升系统的频谱效率。此外，NOMA技术可以通过免调度传输有效简化信令流程，降低空口传输时延。相对于OMA, NOMA技术能够更逼近多用户容量界，支持系统过载传输，实现可靠的低时延免调度传输，灵活地支持多服务复用等[5]。

（2）超密集网络

超密集网络是指无线架构中包含大量功率较低、覆盖范围有限的站点[6]，它可以有效地提升频谱复用效率，实现数百倍的系统容量提升，并且能够对业务进行分流，因此，被认为是满足移动数据流量需求的关键技术之一[7-8]。超密集网络技术可以根据用户需求灵活地将无线接入点部署在室内、街道和热点区域，缩短用户与接入点之间的距离，不仅能够有效改善链路传输质量，还能提升用户所在区域的吞吐量。此外，超密集网络结合NOMA、边缘计算、多点协作传输等关键技术，可以有效满足Gbit/s以上的数据包传输速率以及毫秒级的端到端时延要求，并应用于eMBB场景。同时，超密集网络部署的接入点也带来许多新的挑战，如干扰环境复杂、信令开销大、回传资源有限等[9]。

（3）FD技术

FD 技术可以使通信终端设备占用相同的时频资源发送和接收信号[10]，理论上，FD 技术可以比传统的时分双工或频分双工模式提高一倍的频谱效率，同时还能有效降低端到端传输时延并减小信令开销。但是，由于传输使用相同的时频资源，上行发送信号会被泄露到本地接收端，且接收和发送信号间功率差异较大，会对接收信号产生严重干扰。由于本地收发天线之间距离较近，FD自干扰会比远端接收信号强，并淹没目标信号。因此，FD 技术的关键技术问题是如何有效地抑制和消除强烈的自干扰。

（4）大规模MIMO

大规模MIMO在基站端采用大规模天线阵列，天线数超过几十根甚至上百根，并在同一时频资源内向多个用户提供高质量通信服务，大规模 MIMO 是5G无线通信领域具有潜力的研究方向之一[11-12]。与传统MIMO相比，当大规模MIMO天线趋于无穷时，信道之间趋于正交，此时小尺度衰落、噪声以及干扰的影响逐渐减小，信道质量更加稳定。此外，大规模MIMO还可以有效利用空间域资源，在相同的时频资源下，同时传输更多的独立数据流，提升系统的频谱效率、数据传输速率和信道容量。此外，大规模MIMO的基站端波束具有极高的波束赋形增益和方向选择性，可以保障基站与用户间的信号在目标范围内被集中辐射到正确的位置，从而降低了不必要的能量消耗，提升了系统的能量效率。

（5）D2D通信

随着无线多媒体业务不断增长，以基站为中心的传统业务已无法满足海量用户在不同环境下的多样业务需求，D2D 技术可以更好地适用于本地通信服务、应急通信和物联网功能增强等场景。D2D技术无须借助基站就能够实现通信终端之间的直接通信，极大地拓展了网络连接和接入方式。由于短距离直接通信的信道质量高，D2D 技术能够保障较高的数据速率以及较低的时延和功耗。通过广泛分布的终端，D2D技术可有效解决覆盖问题，实现频谱资源的高效利用，并进一步提升吞吐量和能源效率。此外，D2D技术通过支持更灵活的网络架构和连接方法，可以提升链路灵活性和网络可靠性。

（6）毫米波通信

毫米波频段通常指30～300 GHz这一频域，即波长为1～10 mm的电磁波。毫米波具有极短的波长、连续且极宽的带宽，并且灵活可控，为5G 通信提供了丰富的空闲频谱资源。由于毫米波对应的天线元件尺寸较小，因此可以在有限的物理空间内部署更多的天线，以获得更高的天线增益。基于上述优点，毫米波通信技术可以有效地解决高速宽带无线接入等问题，并保障低时延传输，在短距离无线通信中有着广阔的应用前景。尽管如此，毫米波仍然面临大气衰减、路径损耗以及阴影衰落带来的严重影响。由于毫米波的绕射能力较差，当基站与用户间的传输受到阻挡时，传输性能将显著下降。目前，高频段器件的制作技术难度较大，相关工艺尚未成熟。

1.2.2 无线网络关键技术

（1）SDN

SDN 是一种新型的网络架构，其核心是将网络设备的控制面与转发面分离，通过集中控制器实现对底层硬件设备控制的可编程化。在SDN中，网络设备只进行数据转发，而原来负责控制的操作系统将演进为独立的网络操作系统，根据业务特性的差异进行适配，网络操作系统和业务特性以及硬件设备之间的通信都可以通过编程实现。由此，SDN可以灵活地按需调配网络资源、实现控制面的可编程化和集中化、简化网络运维以及高效调度全网资源，使网络变得更加智能且灵活，并降低网络投资成本。目前，SDN集中管理需要解决安全风险高、控制器的软件开发难度高、计算压力大、接口标准未统一等问题。

（2）NFV

NFV是利用虚拟化技术，虚拟连接所有的网络节点，采用业界标准的大容量服务器、存储和交换机承载各种各样的网络软件功能。NFV可以通过软件编程实现网络智能化与网络能力的灵活配置，提高网络设备的统一性、通用性以及适配性，并随时向网络功能动态分配硬件资源，加快网络部署和调整的速度，以此降低业务部署的复杂度。运营商可基于NFV的可扩展性控制网络容量以满足不同时段的多样用户需求。SDN和NFV结合可实现软件控制平面转移至更优化的层面。虽然NFV不依赖SDN，但SDN中控制和数据转发的分离可以改善 NFV 网络性能。因此，在实现网络自动化过程中两者是相辅相成的，SDN突出的是网络架构上的变化，NFV突出的是增值服务产品形态的变化。

（3）网络切片

5G定义的eMBB、URLLC及mMTC三大应用场景对网络性能的要求各不相同。eMBB 场景对速率、容量、频谱效率、移动性和网络能量效率的指标要求高，URLLC场景对可靠性及时延的要求高，而mMTC场景对连接数要求高。网络切片可根据三大应用场景的需求将5G 的无线接入网、承载网及核心网完全隔离成3个子网络。每个子网络内部又可以按照服务质量（Quality of Service, QoS）给各细分应用场景分配不同的资源。基于NFV与SDN的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提供一种或多种网络服务。3GPP 定义的网络切片管理功能包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理[13]。其中通信业务管理功能将业务需求与网络切片需求进行映射；网络切片管理功能实现对切片的编排管理，并将整个网络切片的服务等级协议分解为不同切片子网的服务等级协议。