为什么5G要这样设计？---需求，演进和架构

与计算机一个人一台电脑打天下不同，通信产业链实在是太长，导致学术进展、设备制造、网络搭建，系统维护几乎是完全不同的三个部分。就像蓝鲸很难看清自己全身一样，各个部分的从业者也同样不理解其它部分在做什么。

比如，这是通信，

这是通信，

当然了，这也是通信:

因为通信技术从业者中，以运营商最多，也就是网络维护和搭建最多，所以很多人认为，5G只是一堆先进无线通信技术的简单堆叠，和基站架设。

但是我并不这样认为。5G的架构和设计，其实脉络清晰明了。而想理解这种脉络，需要的或许只是。

换个角度和认真思考。

不过为了照顾一些非专业读者，我们需要从简单的进程开始。

1. 为什么需要5G？

我们需要先从4G的一些数字谈起:

直到2016年底，LTE系统已经覆盖了21.7亿人，4G已经覆盖世界上大部分国家和地区。

LTE覆盖地区

LTE连接数(注意是连接数不是覆盖人数)，几乎以每年翻倍的势头增长，2015年，LTE连接数达到十亿，预计到2021年，LTE连接数可能达到43亿。

LTE连接数

其中，包含wifi等连接方式，IoT设备2022年可能达到180亿左右。这已经完全超过了当前LTE系统负载能力，只依靠新增基站来增加连接容量，非常不经济。

IoT Growth 2014-2021 来自Ibid

同时，远程医疗和车联网都正在飞速发展，目前受限于网络延迟和移动中的信号强度等等，无法大规模使用，这也对当前LTE系统产生了挑战。远程医疗的网络结构如下图：

虽然LTE系统已经非常成功，已经在200多个国家由700多家运营商同时运营3000多张网络，但是现在的系统依然难以满足这些需求。同时，近几年有非常多的创新性的无线电技术诞生，这些技术同样需要被应用在商业无线通信系统中。

因此，2015年左右，ITU-R(国际电信联盟无线电部门)和3GPP(第三代合作伙伴计划) 几乎同时开始了自己的5G标准化之路。

这两个组织的成员其实高度重合，只是发展路线不同，ITU-R的决议，称为“Recommendation",不具备强制性。3GPP的决议称为: “Release”对于自己成员具有一定强制性。

目前我们认为的5G设定目标主要是ITU-R的IMT-2020计划中的性能指标, 和场景定义。

(这部分是我在其他问题中的回答，不想看可以跳过)

三大场景：

• 增强型移动宽带(eMBB，Enhanced Mobile Broadband),
• 大规模机器通信(mMTC, Massive Machine Type Communications)
• 超可靠和低延迟通信(URLLC, Ultra-Reliable and Low Latency Communications).

来自Recommendation M.2083 – IMT.Vision

IMT-2020中5G指标:

来自Recommendation M.2083 – IMT.Vision

对比4G，峰值速率从1Gbit/s提升到20Gbit/s，用户可以体验到的带宽从10Mbit/s提升到100Mbit/s，频谱利用效率提升3倍，可以支持500km/h的移动通信，网络延迟从10ms提升到1ms，连接设备数每平方公里从 个提升到 个，通信设备能量利用率提升了100倍，每秒每平方米数据吞吐量提升100倍。

(复制粘贴结束)

总结一下就是, 速度快，延迟低，容量大，移动性高，功耗小。

所以，现在我们有了指标，那么应该如何组织技术，才能让整个5G系统达成这些指标？

首要的指标就是传输速度快。

2. 传输速度快-毫米波

根据香农定理:

（Note:这里香农公式只是用来举例，实际上如果考虑其它变量的话，香农公式有很多版本。

同时，5G中有很多物理层技术都是用来提升信噪比。这里略过不谈。我在这个答案里写了一部分简介，但是也并没有具体介绍，有空可能会在本专栏写写)

提升传输速率最实惠的方式是提升频带宽度，另一个指标-信噪比，信噪比的提升在数值已经非常高的情况下，收益不大(见图中log函数)。而现有频谱在3GHz以下已经接近分配完成，几乎没有空余频谱，也就不存在。同时，LTE网络架设中存在的另一个现象是，小覆盖基站越来越多，越来越多的室内基站用以补充接入，这意味着虽然新的毫米波频谱基站会覆盖相对小，但是已经有一些成熟的LTE异构组网技术可以使用。

所以，在5G中，毫米波是第一个确定的，也是最重要的技术。

在商用系统中，任何一种新技术的采用都会因为技术本身的优缺点，带来一些网络结构的设计变化，就是接下来要讲的。

3.无线网络演进和架构

( Note:基站的信号覆盖范围称为小区。)

User Centric Network

如之前所说，毫米波基站覆盖范围很小，这样带来的后果是传统基站的小区划分和以基站为中心的数据调度已经不合时宜。因为当用户跨越小区移动时，小区切换信令会过于频繁。因此，5G中的网络建设是不再是基站为中心的网络(base station centric network)，而是以用户为中心的网络(user centric network)。

在User Centric Network中，用户不再仅仅是接入网络的单一节点，而是会参与网络中的一些工作，比如辅助计算，储存，中继和内容分发等等。简而言之，基站选择，波束分配等有可能由用户设备来计算和管理。

用户设备才是调度中心。

混合组网--独立与非独立

在5G阶段我们真的就不需要4G网络了吗？在初始阶段，并不是。

在本文前半部分有提到，5G的最重要的特点是通过毫米波提升数据传输速度，而在5G前期，毫米波基站还没有铺开的情况下，现有的4G基站依然可以发挥用处，比如利用其大覆盖范围，传输控制数据等。

（Note: 功能上来说，4G/5G网络中存在控制/数据 两种帧结构用以区分基站与终端交互的控制数据/ 与用户需求的互联网数据）

因此，现在有几种5G组网演进方式:

a) 毫米波基站独立组网

这种网络化的毫米波基站独立组网与现行的组网方式差异很大，它把用户接入和数据传输同时交于毫米波基站负责，并且可以通过应用大范围波束赋形，可以做到:

1)降低网格内干扰

2)提升小区边缘用户的信号能量

3)降低损耗和延迟。

然而，考虑到现存的LTE网络，同时也存在如下的一种组网方式。

b)毫米波基站与LTE基站联合组网

上图中大基站是现存的LTE基站，小基站是毫米波基站。这种组网方式由三星提出，可以让用户随意切换4G和5G网络，或者让控制信令通过LTE网络传递，数据传输通过毫米波基站完成。

个人认为，这种联合组网方式也是现在比较实际的5G组网方式。

中心化架构C-RAN

我们在上一节说到，因为毫米波基站覆盖范围小，跨基站调度困难，因此5G中采用了User Centric Network结构设计。但是，还存在另外一种设计方式用以解决这个问题，这就是以中国移动为代表的运营商大力推动的Cloud Radio Access Network (C-RAN) 结构，通过中心机房，以云接入的方式调度各个基站。

很容易理解，这样的网络结构相对LTE网络会有很多好处:

• 网络易于调整：用户终端接入的不再是全基站，而只是由收发机，数字处理芯片，功率放大器，模数转换器组成的Remote Radio Heads (RRH，远程射频前端，但是为了方便，我在本文中模糊的与毫米波基站统一名称) ，这样大幅度缩减的硬件结构非常利于部署。
• 用户移动性能增强：统一的中心化调度方式，可以通过预测用户行动轨迹，优化毫米波基站的波束和信号调度方式，这样即使用户移动速度非常高，也可以通过“预置”波束的方式增强信号。
• 覆盖范围：毫米波基站的覆盖不同于大型宏基站，其方向性非常强，C-RAN可以通过调度多个基站的波束服务一个用户，或者调整波束朝向来避免用户受到的干扰。
• 能量有效：数据中心的优点在于可以通过统一的供电，维护，减少需求能量。这个放置虚拟化的基站节点的数据中心，称为BaseBand Unit (BBU) Pool。
  
  引入毫米波基站后，C-RAN在5G中的应用是大势所趋。

软件定义网(SDN）

上一节我们谈到了通过中心化机房布置虚拟基站节点，来架设C-RAN，并中心化控制远端的毫米波基站。

那么可不可以再进一步呢？大家一定还记得5G中有一项降低用户延迟。我在这个答案里也提到了可以通过控制面和数据面分离来压缩网络结构，从而降低延迟。而这种分离，就可以通过SDN来实现。

如上图所示，a 是传统的控制和数据同时发送，b通过毫米波基站传送用户数据，宏基站传送控制数据。控制和数据面的交互，可以通过例如Open Flow 等软件来完成。其实，无线接入网中的SDN已经有了成熟的应用，这被称为SON，但是和我们这里提到的应用方式有些不同。

异构网

LTE中就因为宏基站和蜂窝基站的存在，形成很多异构的网络(只有宏基站组网为同构)。比如，下图

因为毫米波基站会广泛布置，同时5G中存在三种频谱以服务不同用户，那么异构网络会在5G中广泛存在。异构网络最严重的问题，就是干扰。

LTE网络中的干扰管理也一直是个大问题，5G中会更为严重。

目前LTE普遍采用的是通过小区间协调边缘用户的载波分配，来保证基站边缘用户性能。但是由于毫米波基站覆盖范围会非常小，所以这种方式可能会引起大量不必要计算。

三星和高通都提出了自己的干扰管理方案，其中比较重要的技术是可以解析干扰信号的接收机。以及，可能通过提供TDD的接入方式，来调度上行下行数据消除干扰。

当然，这其实已经有了很多工作，不同厂商的解决方案相信都有不同，具体要看密集网络中的性能。

本文介绍了5G中的核心技术-毫米波，并以毫米波为线，介绍了5G网络的架构设计，与4G的可能演进方式，C-RAN，SDN，异构网在5G设计中的地位。

这大概就是5G网络侧设计的核心思路。