关键字： 5G，SA,,NSA，eMBB，URLLC，mMTC，Massive MIMO，D2D
5G：5th-Generation，即第五代移动通信技术
eMBB：增强移动宽带，
URLLC：超高可靠超低时延通信
mMTC：海量物联网
Massive MIMO：大规模阵列天线多输入多输出
D2D：是指两个对等的用户节点之间直接进行通信的一种通信方式
一、概述
5G是第五代移动通信系统的简称，是最新一代移动通信系统，是新的无线接入技术和现有无线接入技术的高度融合，由标志性能力指标和一组关键技术来定义，特点是超高速率，超低时延，超大连接，满足车联网，智能交通，高清视频，虚拟现实的需求。
为了实现这些超高的性能，5G应用了很多新的关键技术以及对网络结构进行了大的调整，如：CU与DU分离，Massive MIMO，D2D，同时同频全双工，新型的多址技术，LDPC/Polar编码等，随着各项标准的逐渐冻结，各项技术都将逐渐投入使用，限于篇幅，本文摘取了其中三点进行研究与探讨；
二、CU、DU之分与合
4G 时代，基站主要分天线、射频处理单元RRU和部署在机房内的基带处理单元BBU三个部分。5G时代，为了降低CPRI接口的传输带宽和5G控制面集中，使得RAN能够业务切分,DU更靠近用户，满足uRLLC业务需求，将天线和RRU将合二为一，成为全新的单元 AAU（有源天线单元） ，同时无线接入网架构倾向于采用 AAU+CU+DU 的全新模式。CU（用以实现 PDCP 层及以上的无线协议功能）是中央单元，既可以和多个 DU（用以实现 PDCP以下的无线协议功能）分离相连，实现对 DU的统一和集中化管理，降低总成本，也可以和 DU整合实现协议栈全部功能，用以降低时延，满足特殊场景需求。
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图1 4G与5G基站架构对比
5G NR基站重构为CU和DU两个逻辑网元，根据场景和需求可以合一部署、也可以分开部署，部分核心网功能下沉至CU，BBU部分功能上移至RRU/AAU，CU与DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分。
CU：(Centralized Unit)：主要包括非实时的无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署。
DU：(Distributed Unit)：主要处理物理层功能和实时性需求的层2功能。考虑节省RRU与DU之间的传输资源，部分物理层功能也可上移至RRU实现。
AAU：原BBU基带功能部分上移，以降低DU-RRU之间的传输带宽。
CU-DU分离架构优势显著，但也面临诸多挑战：如单个机房的功率容量有限；网络规划及管理更复杂，CU至DU间的时延增加问题，CU集中后的可用性要求提高问题（类似于节点机房），而在技术成熟度上，对于设备厂商来说，目前两种架构都已可以实现，且现阶段 CU-DU 合设方案在技术上更为成熟，建设成本低，建设周期也比较短。基于显著的优劣势对比，本文认为在5G建设初期会以 CU-DU 合设的部署方案为主，未来将视业务的需要选择是否向分离架构演进，特别是uRLLC场景的业务应用。
三、Massive MIMO通道数
Massive MIMO（大规模天线技术）是5G中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。它最早由美国贝尔实验室研究人员提出，研究发现，当小区的基站天线数目趋于无穷大时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计，数据传输速率能得到极大提高。
在LTE网络中天线基本是2天线、4天线或8天线，而Massive MIMO指的是通道数达到64/128/256个。传统的MIMO我们称之为2D-MIMO，以8天线为例，实际信号在做覆盖时，只能在水平方向移动，垂直方向是不动的，信号类似一个平面发射出去，而Massive MIMO，是信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用，信号的辐射状是个电磁波束。所以Massive MIMO也称为3D-MIMO。.png)
图2 普通MIMO与Massive MIMO对比
Massive MIMO/3D-MIMO的优势：
（1）能大幅度提高复用增益和分集增益：大规模MIMO系统的空间分辨率与现有MIMO系统相比显著提高，它能深度挖掘空间维度资源，使得基站覆盖范围内的多个用户在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。
（2）高能量效率：大规模MIMO系统可形成更窄的波束，集中辐射于更小的空间区域内，从而使基站与UE之间的射频传输链路上的能量效率更高，减少基站发射功率损耗。
（3）高空间分辨率：大规模MIMO系统具有更好的鲁棒性能。由于天线数目远大于UE数目，系统具有很高的空间自由度，系统具有很强的抗干扰能力。当基站天线数目趋于无穷时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计，各个用户的信道将趋于正交
小区内同频干扰及加性噪声趋于消失，系统性能仅受限于邻区导频的复用。
但Massive MIMO技术需要的天线通道数目却是一个较大的挑战，理论上天线阵子的间距必须要大于半个波长，以中低频段（2.6GHz、3.5GHz 和 4.9GHz）覆盖为主的国内 5G 网络天线产品上很难做到特别的小型化。基于此，综合产品性能、成本和建设难度考虑，本文预计中低频段的商用 5G 基站将以64T/64R通道的Massive MIMO 天线为主,而非广域覆盖的高频段的毫米波基站则可以考虑128/256通道天线，以提高性能。
四、NSA与SA的选择
5G的网络架构包含有独立的SA和与4G网络相结合的NSA两种：
独立组网模式（SA：Stand Alone）：指的是新建5G网络，包括新基站、回程链路以及核心网。SA引入了全新网元与接口的同时，还将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术，并与5GNR结合，同时其协议开发、网络规划部署及互通互操作所面临的技术挑战将超越3G和4G系统，独立组网 （SA）架构于2018年 6月冻结。
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图3 NSA与SA对比
非独立组网模式（NSA：Not Stand Alone）： 非独立组网指的是使用现有的4G基础设施，进行5G网络的部署。基于NSA架构的5G 载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G网络传输，非独立组网 （NSA）架构于2017年 12月冻结。
采用 NSA 组网，对于网络运营商有利有弊，其优点在于：
1）NSA 标准下无需新建核心网；NSA 架构更早冻结，产品也相对更成熟，有利于快速建网投入应用；
2) 由于手机终端发射功率有限，所以5G网络的覆盖范围主要受限于上行（即手机发送信号到基站），那么通过与4G联合组网的方式（NSA）可以实现5G 单站覆盖范围的扩大；
而缺点也是明显的：
1）当前NSA架构无法满足 5G 网络低时延高可靠的要求,即uRLLC场景业务；
2）NSA架构下 5G 基站设备必须与4G同厂家以满足网络互操作要求，这可能使得NSA的单站采购成本比SA要高，总成本支出增加约18%~24%。
3）而且手机在NSA网络下需要同时连接4G和5G网络，耗电也比SA网络高至少20%。
基于以上分析，不管从成本角度还是技术优势来说，SA 部署都能更好实现 5G 场景要求和成本节约原则。但由于建设速度的问题，且目前只有eMBB应用（由于支持增强URLLC 的5G 3GPP R16版本2019年12月才冻结），NSA却为运营商打开了另一扇窗，为快速建网提供了现实选择（产品更成熟、无需改动核心网等优势），因此建网初期NSA会是多数运营商的选择，在R16版本冻结后将逐步向SA演进，以便实现5G网络对诸如自动驾驶、工业互联、远程医疗等低延时高可靠的新应用的商用支持，因为这些才是5G相较4G的杀手级应用。
政策方面，在上海举办的MWC展会上,中国移动董事长杨杰表示2020年1月1日起,我国将不允许NSA手机入网,将全力过渡到SA 5G组网，留给国内运营商NSA的过渡时间应该不会太长。
五、总结
5G作为新一代的移动通信技术，在多项关键技术上有重大的创新突破，试验网建设正在如火如荼的进行，但由于设备的不成熟、技术标准未冻结等因素，目前的建设和验证也遇到了诸多困难，如单站成本较高，AAU重量和体积大施工困难，能耗过高等问题函待解决，在迅速铺网、建设成本，后向兼容几个方面取得平衡，是网络运营商和设备商当前面临的巨大考验，只有理论联系实际，不算创新，才能使我国的5G事业走上一个新台阶。
参考文献：
1、[S] General aspects for UE RF for NR （Release 15）：3GPP TR 38.817 .［2018-12-25］.
ftp：//3gpp.org/specs.
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.ftp.3gpp.org/Specs/.
3、[J] 基站架构及面向5G的演进研究，吕婷， 曹亘， 李轶群，无线通信，2017.08.01
4、[J] 5G网络部署模式选择及演进策略，杨旭，肖子玉，邵永平，电信科学，2018年06期
5、[D] 大规模天线阵列波束赋形关键技术研究，张昕然（博士），2019-05-27
6、[J] 大规模MIMO天线的工程部署探索，聂锋，科技创新导报，2017年30期
作者简介：李晓辉，毕业于重庆邮电大学，高级工程师，硕士，现就职于中通服建设有限公司，从事网规网优及软件研发工作。
论文作者:李晓辉
论文发表刊物:《科学与技术》2019年18期
论文发表时间:2020/4/28
标签：天线论文; 基站论文; 网络论文; 架构论文; 功能论文; 技术论文; 系统论文; 《科学与技术》2019年18期论文;