5G技术逻辑浅析
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【摘 要】首先阐述了面对未来大量设备接入网络，要实现万物互联，5g需在频率带宽、频谱效率和网络密度3个维度上得到提升，而这必将带来网络的复杂性和网络成本问题。随后提出为了减小网络成本和提升网络灵活性，5G还需要进一步通过网络功能虚拟化和软件定义网络来解决。
【关键词】5G 频谱效率 网络密集度 网络功能虚拟化 软件定义网络
1 引言
5G将连接万物，实现从人与人之间的通信走向人与物、物与物之间的通信。未来会有无数设备接入网络，而面对网络接入设备的爆发性增长，5G网络将如何应对？本文从蜂窝通信技术的发展路径出发，浅析5G技术将如何应对未来网络，并理清其背后的技术逻辑。
2 网络容量的3个维度
频谱效率、频率带宽和网络密度，是决定网络容量的3个维度。
（1）频谱效率
从GPRS到LTE，频谱效率得到了很大的提升，然而发展到LTE，频谱效率的提升几乎到达了理论极限。
如图1所示，随着技术的发展，频谱效率的提升幅度越来越低。当然，为了提升频谱效率，5G将引入多天线技术、非正交多址技术，甚至带内全双工技术。
（2）频率带宽
无线通信技术没那么神秘。如表1所示，从GPRS到LTE，下载速率成倍翻番，一个重要的原因无非是增加了频率带宽。GSM下载速率9.6kbps，频率带宽为0.2MHz；LTE下载速率高达150Mbps，但频率带宽为20MHz。有专家预测，未来需要10GHz的频率带宽才能满足5G需求。
表1 无线通信技术发展示意图
网格制式 通信技术 带宽/kHz 时延/ms 峰值速率/kbps
AMPS 1G 30 ― ―
GSM 2G 200 ― 9.6
GPRS 2G ― 1 000 100
EDGE 2G ― ― 150
WCDMA 3G 5 000 150 384
HSPA 3G ― 70 14 000
HSPA/MIMO 3G ― ― 40 000
LTE 4G 20 000 50 150 000
10GHz，这就意味着5G的使用频段将逐步向高频段上移。其实从1G到4G移动通信使用频段就一直往高处走，不过这也造成了不少问题，如无线频率越高，覆盖越差，信号渗透力越弱等，这就意味着运营商要部署更多的基站，因此网络密度是关键的一维。
（3）网络密度
网络密度非常关键。移动通信发展到今天，真正网络容量的最大贡献者是蜂窝组网技术，简单点说就是基站越来越多，蜂窝小区越来越多。所以从网络密度角度考虑，5G网络将是一个超密集的网络。
3 网络成本和网络灵活性
5G网络是一个超密集的网络，这就是意味着更多的网络建设投资，所以网络成本是5G的关键问题。在全球运营商收入不断下滑的趋势下，网络成本是运营商首先考量的问题。
同时，在2G、3G，甚至4G未退网之前，在相当长一段时间内，5G网络还将是一个多种无线网络并存的网络。移动通信技术发展到今天，2G/3G/4G/Wi-Fi等多种网络制式混在一起，已经相当混乱不堪了。5G一定得有一统这一混乱局面的能力。从另一个角度讲，5G其实就是网络的网络。5G将如何一统江山？这考验了5G技术的灵活性。
为了降低成本，需要把更廉价的网络设备扔进网络里，网络设备可以得到充分利用，实现资源共享。同时，网络维护成本也要足够低。而网络的灵活性是指网络具有强大的自治力，适应力和创造力。网络可以根据无线状态自适应，并能从无线环境中学习，且能相互协作工作，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。
为了降低成本和提高网络灵活性，这就需要实现网络的虚拟化、协作化、云化和软件化。由此引申出了网络功能虚拟化和软件定义网络。
4 网络功能虚拟化和软件定义网络
C-RAN可以降低成本和提高网络灵活性。C-RAN的本质就是为了减少基站机房数量，采用协作化、虚拟化技术，实现资源共享和动态调度，提高频谱效率，以达到低成本，高带宽和灵活度的运营。网络再进一步发展就是NFV（网络功能虚拟化）和SDN（软件定义网络）。
（1）NFV
NFV就是基于大型共享的OTS（Off-The-Shelf，成品）服务器，通过软件定义的方式，探索网络实体的虚拟化使用。在NFV中将使用VMs（Virtual Machines，虚拟机）技术。
基于软件定义的虚拟机部署成本低，而且可以快速适应网络需求变化。虚拟机就像是将所有能想到的东西都放在一台物理服务器（physical server）上，有了云计算和虚拟化，那些冗余的服务器都可以部署在独立的物理服务器上，不但可以并行处理，满足网络峰值需求，还可以根据网络需求随时释放资源，方便部署，利于故障管理，快速升级，快速满足市场需求，这充分体现了网络的灵活性和低成本。
（2）SDN
NFV负责各种网元的虚拟化，而SDN负责网络本身的虚拟化（比如网络节点和节点之间的相互连接），它可以将网络控制面和数据面分离开来。要知道，5G网络不仅面临着超大容量的数据流量，同时，因为物联网应用，网络还将面临控制信令的井喷，面临超低网络时延的考验。所以不但需要可灵活更新的控制信令，还要求有足够低的时延，而这些都需要NFV和SDN来实现。
5 结束语
为了满足未来的容量需求，5G需在频率带宽、频谱效率和网络密度3个维度上实现提升，由此带来的网络的复杂性和网络成本问题，需要进一步通过网络功能虚拟化和软件定义网络来解决。
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