目錄
一、5G技術指標及應用領域
1.1基本屬性
1.2屬性概念
1.3 5G應用領域
二、5G關鍵技術
2.1大規模天線陣列
2.2動態自組織網絡(SON)
2.3軟件定義網絡(SDN)
2.4網絡功能虛擬化(NFV)
2.5 SDN與NFV的深度融合
三、5G面臨的挑戰
3.1頻譜資源的挑戰
3.2新業務挑戰
3.3新使用場景挑戰
3.4終端設備帶來的挑戰
3.5面臨的安全挑戰總結
一、5G技術指標及應用領域
1.1 基本屬性
| 指標名稱 | 流量密度 | 連接數密度 | 時延 | 移動性 | 能效 | 用戶體驗速率 | 頻譜效率 | 峰值速率 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4G參考值 | 0.1Tbps/Km2 | 10萬/Km2 | 10ms | 350Km/h | 1倍 | 10Mpbs | 1倍 | 1Gbps |
| 5G參考值 | 10Tbps/Km2 | 100萬/Km2 | 1ms | 500Km/h | 100倍提升（網絡側） | 0.1-1Gpbs | 3倍提升（某些場景5倍） | 20Gbps |
1.2 屬性概念
流量密度:單位面積內的總流量數 連接數密度:指單位面積內可以支持的在線設備 總和時延:發送端到接收端接收數據之間的間隔 移動性:支持用戶終端的最大移動速度 能源效率:每消耗單位能量可以傳送的數據量 用戶體驗速率:單位時間內用戶獲得MAc層用戶面數據傳送量 頻譜效率:每小區或單位面積內，單位頻譜資源提供的吞吐量 峰值速率:用戶可以獲得的最大業務速率
5G對比4G關鍵性能指標有了相當大程度的提升。 總結起來就是5G具有高速率、低時延、大容量、高可靠、海量連接等特點。
1.3 5G應用領域
2015年6月ITU定義的5G未來移動應用包括以下三大領域: 增強型移動寬帶（eMBB):人的通信是移動通信需要優先滿足的基礎需求。未來 eMBB等通過更高的帶寬和更短的時延繼續提升人類的視覺體驗 大規模機器類通信(mMTC):針對萬物互聯的重直行業，IOT業發展迅速，未來將出現大量的移動通信傳感器網絡，對接入數量和能效有很高要求 高可靠低時延通信(uRLLC):針對特殊垂直行業，例如工業自動化、遠程醫療、智能電國等需要高町靠性+低時延的業務需求。
二、5G關鍵技術
2.1 大規模天線陣列
Massive MIMO的優勢提升了系統容量和效率 Massive MIMo技術能夠使基站范圍內的多個用戶，使用同一時頻內資源，提升了頻譜 資源在多用戶間的復用能力，在不增加基站密度和帶寬的條件下，大幅提升了頻譜效率;利用多根天線向同一用戶發送相同數據，來自不同數據流的多信號疊加，增加了信號強度，其余用戶接到的不同數據流的干擾信號，可以相互抵消了降低干擾。 降低了空中接口時延
可依賴多個天線來抵消衰落對系統的影響。當基站天線數目較大時，信道衰落將在多個天線的疊加下趨於穩定，從而實現了一個低時延的通信鏈路。 簡化了多址接入過程 系統設計上，每用戶端都可以占據所有帶寬來傳輸信號，極大簡化了物理層的控制信令設計，多址接入更簡單快捷提高了系統的健壯性 Massive MIMo天線單元眾多，部分天線故障不影響整體性能，增強了系統的健壯性和可靠性。
2.2 動態自組織網絡（SON）
主要用於滿足低延時高可靠場景
優點有：部署靈活，支持多跳，高可靠性，支持超高帶寬。
動態自組織網絡用於滿足5G兩方面的性能要求:低時延、高可靠場景下降低端到端時延，提高傳輸可靠性;在低功耗、大連接場景下延伸網絡覆蓋和接入能力。在傳統蜂窩網絡架構下，終端必須通過基站和蜂窩網關才能與目標端進行通信。在這種架構下，終端在獲得數據傳輸服務前必須首先選擇一個服務基站，與服務基站建立並保持連接。在動態自組織網絡中，任何接入網節點，都只備數據存儲和轉發功能，動態自組網中的每個節點，都具備無線信號收發能力，並且每個節點，都可以與上一個或多個和鄰節點進行無線通信，整個自組網呈網狀結構。在動態自組織網絡中，任何節點間（終端與終端、終端與基站、基站與基站等）均通過無線通信，無須任何布線，並具有支持分布式網絡的冗余機制和重新路由功能。任何新節點(如終端或基站）的添加，只需要簡單的接上電源即可，節點可自動配置，並確定最佳多跳傳輸路徑。
動態自組網有如下優點: 部署靈活 部署方面，動態白組織網絡節點（終端或微型基站），只要處於目標區域，就可以進行自動的配置，自動建立並維護網絡拓撲，確定最佳傳輸路徑，大大降低網絡部署成本，加快部署速度。
支持多跳
動態自組織網絡支持多跳傳輸，與發射端有直接視距的接收端先接收到無線信號，然后接收端無線信號轉發到與它直接視距的下一跳終端。因此，數據包在自組網絡中傳輸，能夠這樣一跳一跳傳遞下去，直至到達目標終端。動態自組織網絡通過多跳方式傳輸，大大擴展了應用領域和覆蓋范圍
高可靠性 動態自組織網絡支持空口中多路冗余傳輸提高傳輸可靠性，還通過支持多路由傳輸提高端到端傳輸可靠性，如果傳輸中某節點故障，可通過備用路徑切換到另一節點。因此，動態自組織網絡比傳統蜂窩網絡更可靠，因為它不依賴於單一節點的性能。在傳統蜂窩網絡中，如果某一基站故障,該基站覆蓋的區域也將癱瘓。
支持超高帶寬 無線通信領域傳輸距離越短，越容易獲得高帶寬。因為傳輸距離越長，干擾因素也會大大增加。而自組織網絡的多跳傳輸可以有力的獲得高帶寬。也因為傳輸距離小，需要的功率也小，因此更加綠色節能。
2.3 軟件定義網絡（SDN）
1.4.4軟件定義網路(SDN) 在5G的網絡架構設計上要遵循智能、開放、靈活、高效的原則。IT新技術給了5G網絡架構的實現提供了新的技術支持。其中軟件定義網絡（SDN）和網絡功能虛擬化技術（NFV），可以有效滿足這些需求。 SDN起源於2008年美國斯坦福大學教授Nick McKeown等人的 Ethane項目研究。其主要思想是將傳統網絡設備的數據平面和控制平面分離，使用戶能通過標准化的接口對各種網絡轉發設備進行統一管理和配置。這種架構具有可編程可定義的特性，對網絡資源的設計、管理和使用提供了更多的靈活性，更有力於網絡的革新與發展。
IT技術的發展，是由大型機的軟硬件一體化，向 PC 機的硬件、操作系統、應用軟件，這樣的分層結構轉變的過程。大型機采用專業的硬件、專業的操作系統、專業的應用軟件，不能自由定義軟件功能。而PC機則是一個由軟件定義功能的產品:安裝windows系統的時候，它就是一台 windows 計算機;安裝Linux操作系統的時候，它就是一台Linux計算機;安裝游戲軟件的時候，它就是一台游戲機;安裝翻譯軟件的時候，它就是一台翻譯機.....當下的網絡設備，廠商出廠時封裝了什么功能，你就只能用什么功能。定義權牢牢把控在廠商手里，無法通過軟件自行定義它的功能。而SDN的研究者們，除了希望針對軟件設備實現軟件定義（可編程可定義）功能外，還要實現數據平面與控制平面的分離，即將原有網絡設備的控制功能抽離出來，將網絡設備的數據轉發與控制能力分開部署。達到更加靈活高效的管理效果。 傳統網絡設備由原來的軟硬件一體化，向網絡分層及虛擬化的方向發展:基礎設施層、控制層、應用層。SDN的定義 SDN的核心技術是通過網絡設備控制平面與數據平面區分開來，從而實現網絡流量的靈活控制，為核心網絡及上層應用的創新提供良好的平台。 SDN的核心思想---轉發和控制分離，從而實現網絡流量的靈活控制SDN網絡的新角色---控制器 承上.:對上層誠用提供絡編程的接口 啟下:對下提供對實際物理網格網元的管理
2.4 網絡功能虛擬化（NFV）
NFV(Network Function Virtualization)是采用虛擬化技術，將傳統電信設備的軟件與硬件解耦，基於通用計算、存儲、網絡設備實現電信網絡功能，提升管理和維護效率，增強系統靈活性。傳統的專用硬件網絡及通信設備，將逐步虛擬化、軟件化，部署更加靈活，管理和維護成本更低。 SDN與NFV 的區別與關聯: SDN 是從傳統的全分布式、對等控制的網絡架構，演變為控制平面和數據平面分離的架構，由分布式管理變成集中管理，控制平面可以在全局掌握數據平面設備的性能及狀態，使鏈路狀態更新更快，容錯及收斂效率更高。 NFV是將傳統的軟硬件一體化的網絡設備，演變為軟件化，在通用硬件（如: PC機或虛擬化平台）上部署。使專用硬件與軟件解耦，功能更靈活，應用更方便，也可實現雲化部署的目標。 NFV-——網絡功能虛擬化 NFV的核心思想---軟件和專用硬件解耦，軟件與通用硬件聯姻 NFV的核心技術---虛擬化，把通用服務器的cpu、內存、Io等資源切片給多個虛擬機使用。把交換機路由器防火牆的功能作為軟件應用運行在虛擬機里來模擬它們的功能。通過openstack來進行管理和編排 NFV帶來的網絡革命---網絡瘦身(專用硬件向通用硬件的轉化），業務帶寬隨需而動
2.5 SDN與NFV的深度融合
SDN與NFV的本質區別與關聯 二者都有將傳統的一體化網絡設備進行軟硬件解耦的特點，從封閉走向開放，從獨享的硬件發展到共享的軟件，二者有很強的互補性，但它們又相互獨立，沒有必然的依賴性。 SDN側重於控制與轉發的分離、網絡集中控制（邏輯上）和網絡虛擬化，主要影響的是網絡結構;而NFV側重的是軟件與硬件的分離、硬件通用化和網絡功能虛擬化，主要影響的是設備形態。因此，SDN是面向網絡架構的創新;NFV是面向設備形態的創新。 SDN的關鍵特征:集中控制、優化全局效率;開放接口、加快業務上線;網絡抽象、屏蔽底層差異。NFV的關健特征:上層業務雲化，底層硬件標准化;分層運營,加快業務上線與創新。|
三、5G面臨的挑戰
3.1 頻譜資源的挑戰
我國的頻段划分屬於行政划分，和相對比的市場主導有區別。在歐美國家,頻段是用來拍賣的，比如在 3G時代，對於相應的頻段，我國三大運營商都已經行政划分好了，剩下的就是比拼服務。而歐美是采用拍賣的方式，他們首先要拍的此頻段的牌照，比如英國的3G頻譜就拍賣了220億英鎊，德國的則高達450億美元。 頻譜之所以這么貴，是因為目前可用的頻譜資源是有限的。相對於提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬的方法顯得更簡單直接。在頻譜利用率不變的情況下，可用帶寬如果翻倍則可以實現的數據傳輸速率也翻倍。但是，現在常用5GHz以下的頻段已經非常擁擠。因此使用高頻段和超高頻段，成為各大廠商不約而同的解決辦法。比如使用28GHza和6OGHz的毫米波頻段,是最有希望使用在5G 的兩個頻段。 使用28GHz和60GHz的毫米波頻段，可以獲得更大的帶寬。綜上，5G技術的落地，仍然要面對頻譜資源稀缺及高頻段開發等挑戰
通信產業發展至今，頻譜資源日益稀少。5G網絡需要通過高頻段甚至超高頻段（例如毫米波頻段)的深度開發、非投權頻段的使用，滿足未來網絡對頰譜資源的需求。這些技術的發展同時也器要終端設備的升級。與低頻無線傳播特性相比，高頻對無線傳播路徑上的建築物材質、植被、雨衰/氧衰等﹐更敏感。不同頻段存在不同的使用規則和約束，這使得頻譜規划也變得更加復雜。
3.2 新業務挑戰
圍繞業務體驗進行網絡建設已成為行業共識，體驗建網以達成用戶體驗需求作為網絡建設的目標，規划方法涉及的關鍵能力包括:業務認別、體驗評估、GAP 分析、規划仿真等。根據業務類型的體驗需求特征，不同的5G 業務要求不同。 uRLLC:對時延( 1ms）和可靠性（99.999%）的要求很高 mMTC:對連接數量和耗電/待機的要求較高 eMBB:要求移動網絡為AR/VR等新業務提供良好的用戶體驗
針對5G新業務在待機、時延、可靠性等方面的體驗需求，當前在評估方法、仿真預測、以及規划方案等領域均處於空白或剛起步的階段，面臨非常大的挑戰
3.3 新使用場景挑戰
因為大量新業務的引入，5G應用場景將遠遠超出了傳統移動通信網絡的范圍，包括: 移動熱點:人群的聚集和移動會帶來大量的移動熱點場景，需要有超密組網場景的網絡﹐規划方案。
物聯網絡:面向各種垂直行業的物聯新業務，如智能抄表、智能停車、工業4.0等，其應用場景大大超出了人的活動范圍。
低空/高空覆蓋:很多國家明確提出了通過移動通信網絡為低空無人機提供覆蓋和監管的需求;高空飛機航線覆蓋，5G為飛機航線提供高速數據業務。 對於這些應用場景，無論是相關的傳播特性、還是組網規划方案，目前基本是空白，需要開展相關的課題研究。
3.3 終端設備帶來的挑戰
隨着移動互聯網和物聯網的興起，終端不斷向便攜式、智能化、多元化方向發展，未來聯網終端數量將呈爆發式增長，互聯網時代的用戶長尾化需求、移動互聯網時代的用戶碎片化需求，將在終端設備形態上得到充分體現。對用戶而言，友好的用戶體驗和應用的多樣化成為服務類終端的核心競爭力。因此，要實現低成本多模終端的研發，給終端設備的芯片和工藝、射頻技術以及器件、妳電池壽命等技術研發帶來了挑戰。
3.4 面臨的安全挑戰
5G三大應用場景面臨的安全挑戰 這三大應用場景中，對增強移動寬帶來說，它需要更高的安全處理性能，保障用戶獲得良好的體驗速率;二是它需要支持外部網絡二次認證，能更好地與業務結合在一起;三是需要解決目前發現的已知漏洞的問題。對低功耗的大規模機器類通信來說，需要輕量化的安全機制，以適應功耗受限、時延受限的物聯網設備的需要;需要通過群組認證機制，解決海量物聯網設備認證時所帶來的信令風暴的問題;需要抗DDOS攻擊機制，應對由於設備安全能力不足被攻擊者利用，而對網絡基礎設施發起攻擊的危險。對於高可靠低時延通信來說，需要提供低時延的安全算法和協議，要簡化和優化原有安全上下文的交換、密鑰管理等流程，支持邊緣計算架構，支持隱私和關鍵數據的保護。
新架構的安全挑戰 面對5G帶來的三大應用場景，以IT為中心的網絡架構，會引入超密集組網、SDN、雲計算、NFV等新技術。新技術也帶來了新的挑戰，比如:SDN和NFV這樣的技術引入，使網絡邊界變得十分模糊，以前依賴物理邊界防護的安全機制難以得到應用。所以，安全機制要適應虛擬化、雲化的需要。5G網絡會變得更加開放，相比現有的相對封閉的移動通信系統來說，會面臨更多的網絡空間安全問題。比如APT攻擊、DDOS、Worm惡意軟件攻擊等，而且攻擊會更加猛烈，規模更大，影響也會更大。
總結