浅谈5G网络及其应用

 

一、5G网络和4G、3G等等有什么不同,会给我们带来哪些改变? 

 

1、5G技术与4G最大的不同就是网速: 

1G网络使用频分多址技术; 

2G网络使用时分多址技术,峰值速率可达200kbps; 

3G网络采用码分多址技术,峰值速率可达2Mbps; 

4G采用在正交频多分,峰值速率为100Mbps; 

而5G控制信道eMBB的多址技术为上下行CP-OFDM,没有PFT预变换,移动通信峰值速率可达20Gbps!


2、5G网络不仅传输速率更高,而且在传输中呈现出低时延、高可靠、低功耗的特点;低功耗能更好地支持未来的物联网应用,低时延、高可靠可以满足车联网的需求,车联网要求空口时延低至1ms,而传统的认证和加密流程等协议未考虑超高可靠低时延的通信场景。


3、5G网络应用的范围极广,面对的安全挑战也越多:如果说1G面向个人通信,5G则面向产业和社会的管理应用。相比于现在的相对封闭的移动通信系统来说,5G网络如果在开放授权过程中出现信任问题,那么恶意第三方将通过获得的网络操控能力对网络发起攻击,APT攻击、DDOS、Worm恶意软件攻击规模更大且更频繁。 

4、 5G的应用场景主要有以下几点: 

1)连续广区域覆盖:保证用户在高速移动和边缘地区时能得到连续高速的网路信号提供100Mbps以上的用户体验速率。 

2)满足办公区域等局部区域的热点高容量(高速率高密度)需求; 

3)低功耗大连接:多种物联网设备海量连入,要满足物联网的低功耗要求。 

4)低时延高可靠:主要为了满足车联网、工业控制和自动驾驶的需求。


二、5G网络中关键技术、核心词汇的浅谈理解: 

1、无定型小区: 由于高频和高带宽,若使用高功率的宏站则布设成极高,但采用大量微站那么干扰严重、难以进行站点选址优化,解决方案是: 

1)宏微蜂窝混合组网: 

宏蜂窝负责广覆盖,支持高优先级和高QOS要求的用户; 

微蜂窝小区用低功率站点实现热点覆盖,消除宏蜂窝中的“盲点”,将它安置在宏蜂窝的“热点”上,可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。 

2)控制面与数据面分离组网: 

控制面与数据面分离,终端在微站间切换不影响宏站信令负荷,实现对覆盖和容量的分别优化。 

小区分簇化集中控制,联合优化配置,解决小区间干扰协调和负载均衡问题。 

3)上下行解耦异构组网:


2、接入的身份认证: 

当移动用户首次附着于网络时,3G/4G终端的长期身份标识(IMSI)会直接以明文的形式在信道中传输,用户身份被公开。5G在USIM卡增加运营商设定的公匙,该公匙直接将用户的SUPI(IMSI)加密为SUCI,网络用私钥来解密,从而保护用户身份不被窃听攻击。3GPP在TR33.899中给出了推荐的SUCI加密方案。


3、构筑未来5G网络架构的基石——SDN(软件定义网)与NFV(网络功能虚拟化): 

当前的核心网EPC存在耦合缺陷:控制平面和用户平面的耦合、硬件和软件的耦合。 



EPC四大组件及功能: 

MME:移动管理实体,负责网络连通性的管理,主要包括用户终端的认证和授权、会话建立以及移动性管理; 

HSS:归属用户服务器,作为用户数据集为MME提供用户相关的数据,以此来协助MME的管理工作; 

SGW:服务网关,负责数据包路由和转发,将接收到的用户数据转发给指定的PGW,并将返回的数据交付给eNB; 

PGW:PDN网关,负责为接入的用户分配IP地址以及进行用户平面QoS的管理,并且是PND网络的进入点。 

从图中的虚线和实线标记可以看出,MME仅承担控制面功能,但是SGW和PGW既承担大部分用户平面功能,又承担一部分控制平面功能,这就使得用户平面和控制平面严重耦合,从而限制了EPC的开放性和灵活性。另一方面,在这种架构下,很多网络元素必须运行于配备专用硬件的多个刀片式服务器上,这对于运营商来说是极大的开销,这样的传统架构为运营商部署网络带来成本和时间上的挑战;5G网络架构中引入了SDN(软件定义网络)和NFV(网络功能虚拟化)这两种技术来解决EPC存在的耦合问题。 

1)SDN(Software Defined Network):将用户平面和控制平面解耦 

SDN技术是一种软件可编程的新型网络体系架构。它将网络设备的控制平面与转发平面分离,并将控制平面集中实现。在传统网络中,控制平面功能是分布式的运行在各个网络节点(如集线器、交换机、路由器等),因此如果要部署一个新的网络功能,就必须将所有网络设备进行升级,这极大地限制了网络创新。而SDN采取了集中式的控制平面和分布式的转发平面,两个平面相互分离,控制平面利用控制-转发通信接口对转发平面上的网络设备进行集中控制,并向上提供灵活的可编程能力。路由协议交换、路由表生成等路由功能均在统一的控制面完成。 

2)NFV(Network Function Virtualization):将EPC软件与硬件解耦 

网络功能虚拟化。通过使用通用性硬件以及虚拟化技术,来承载很多功能的软件处理。从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象,使网络设备功能不再依赖于专用硬件,资源可以充分灵活共享,实现新业务的快速开发和部署,从古至今都有这么一个道理:对于外界物理实体的依赖性越强,越不利于自身的发展。对专用网络设备的依赖,将会导致我们在面对网络创新时的无能为力,这一点在现阶段的EPC中已经得到了印证。通过使用NFV可以减少甚至移除现有网络中部署的中间件,它能够让单一的物理平台运行于不同的应用程序。


4、网络业务切片: 

网络切片很形象,就像把一整块面包切成片,不同的片抹上不同的酱;网络切片本质上就是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络,每一个虚拟网络根据不同的服务需求,比如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分,以灵活的应对不同的网络应用场景。就像我们的交通网络,各种各样的车行驶在一起肯定会让交通拥挤、陷入瘫痪,所以我们设置了专用车道:公交车专用通道、自行车专用通道、非机动车专用通道等等;5G网络主要将网络分为3类并根据需求提供不同的服务: 

1)移动宽带:面向4K/8K超高清视频、全息技术、增强现实/虚拟现实等应用,对网络带宽和速率要求较高。 

2)大规模物联网:海量的物联网传感器部署于测量、建筑、农业、物流、智慧城市、家庭等领域,这些传感器设备是非常密集的,规模庞大,且大部分是静止的,对时延和移动性要求不高。 

3)关键任务型物联网:主要应用于无人驾驶、车联网、自动工厂、远程医疗等领域,要求超低时延和高可靠性。 

为此,我们根据不同的服务需求将物理网络切片成多个虚拟网络:智能手机切片网络、自动驾驶切片网络、大规模物联网切片网络等等…(实现网络切片,网络功能虚拟化是先决条件。网络采用NFV和SDN后,才能更容易执行切片。)



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