5G时代：经济增长新引擎

对于数学的认知，大家一直有两种意见：数学是一种发现还是一种发明？两种不同的观点代表了不同的“三观”：世界观、认识论和方法论。但无论哪种观点，数学本身依然在不断地前行。从理论到技术，这种分歧更加广泛，以至很多伟大的发明都不敢让人相信是人类做出来的，应该归功于上天赐予。人的创新力源于好奇心，源于不断的探索，源于不懈的努力。5G诞生之初就被一些专家诟病没有创新性技术，但他们明显忽略了大规模天线阵列和网络切片技术。数十年前，技术专家们就希望能实现大带宽的通信，但苦于没有合适的材料与工艺，终于在5G到来时，在大规模天线阵列上实现了多年的梦想；移动通信30年，运营商在经历了前期的飞速发展后，也开始感受到来自资本的成本压力和来自客户的运营压力，而集当下各项新技术于一体的网络切片技术，是运营商大大的福音。

有些事情注定是要发生的，只是在等待最佳的时机。

每一代移动通信技术的演进都是始于高指标，陷于新技术，痴于新业务，终于下一代。指标是由技术实现的，最根本的源头还是在新技术。5G的新技术来源可总结为三个词：传承、创新和开放。

传承：新一代移动通信出现并不意味着会马上淘汰上一代技术。

就好像汽车出现了，但没有马上淘汰马车，而且自行车到现在还广泛存在，形成了混合交通的格局。5G也是这样，4G网络不可能一夜之间被全部换成5G，这中间有个长期的共存过程，所以5G中有很多地方需要考虑如何最大限度地利用现有4G网络，并且在其基础上做好5G的布局，典型的如非独立组网、超密集组网技术和定位技术。

创新：虽然目前的通信技术依然没有突破香农定理，但新材料、新工艺的发现和改进，使我们实现了以前只是理论上可行的技术，如大规模天线阵列。因为需要建设运营网络的痛点，所以新颖的集成创新的网络功能技术——网络切片被开发出来。这些创新都是首次在移动通信领域中提出并实用，5G成了这些技术的先行者！

开放：在这样一个新技术层出不穷的时代，5G借助强大的网络功能，兼容并蓄，将其他领域成熟的技术引入进来，形成开放的技术生态，在让自己强大的同时，也让其他技术得到了新的延拓，如软件定义网络和边缘计算。

无论技术源于哪里，5G的这八大法宝都将给产业链中的企业带来巨大的机会。

组网技术：成本与质量的关键

组网技术一直是关系到移动通信成本与质量的关键所在。但受限于使用的频段，蜂窝移动网络组网密度越来越大，建网成本越来越高，所以5G的部署是从与4G的混合组网模式开始的，慢慢向独立组网模式过渡。同时，因为5G启用了毫米波等更高频率的频段，基站覆盖范围越来越小，所以不得不引入超密集组网技术。

独立组网与非独立组网

4G在中国取得了巨大成果，但是如果直接部署5G网络，会造成现有设备资源的巨大浪费，所以在5G初期，通信行业需要考虑4G和5G的联合建设。目前的通信网络分为核心网络和接入网络两部分，核心网络负责网络层的数据转发，接入网络负责手机和基站的无线连接。

基于此产生了5G部署的两种方案，一种是基于现有的4G核心网络建设5G接入网，这种建设方式称为非独立组网（No-Standalone，NSA）；另外一种是直接同时建设5G核心网和5G接入网络，这种建设方式称为独立组网（Standalone，SA）。

在建设和部署5G网络过程中，各厂商需要在非独立组网与独立组网之间做出抉择。在5G初期，非独立组网可以胜任带宽的提升，提供高带宽及可靠的数据通信，用户速率显著提高；但要支持5G全业务实现超低时延，就需要部署独立组网，实现全面升级。升级的成本、短期内不成熟的新业务、技术应用的探索以及长远的发展，都将纳入各方的布局考虑之中。

在5G网络的两种架构独立组网和非独立组网中，非独立组网架构的5G载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G网络传输，这种部署方式可以视为在现有4G网络上“外挂”5G基站，即把5G基站“锚定”到4G网络；而独立组网架构会引入全新网络单元与接口，同时大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术建设新的5G核心网，再基于此架设5G基站。也正因为需要同时开发建设5G的核心网和接入网，所以独立组网方式的协议开发、网络规划部署及互通互操作所面临的技术挑战会超过3G和4G系统。

现在让我们来考虑一下独立组网和非独立组网有几种可能性。

首先，作为用户手机终端进行通信需要有控制数据和用户数据，控制数据负责连接网络，是传令兵；用户数据负责获得内容，是运货车。这两者可以走不同的通信线路。

其次，接入的基站类型有三种：4G基站、增强型4G基站和5G基站，但我们考虑在4G和5G并存的非独立组网网络中，一个用户手机终端可以同时连接4G和5G基站，也可以同时连接增强型4G基站和5G基站，但不能同时连接4G基站和增强型4G基站。

最后，核心网类型有三种：4G核心网、增强型4G核心网和5G核心网。其中，增强型4G核心网只可以通过4G基站和5G基站接入。

基于上述约定，我们可以算出所有的组网可能性，但出于对网络平滑过渡的考虑，并不是所有理论可能性都会实现。

在3GPP标准中，非独立组网与独立组网的架构制定已分别于2017年12月和2018年6月完成，共有8种选项，如图3–5所示。其中，独立组网包括Option1/2/5/6四个选项：
• Option 1为4G核心网与4G基站（LTE/eNB）组合。
• Option 2为5G核心网与5G基站（NR/gNB）组合。
• Option 5为5G核心网搭配增强型4G基站（eLTE/eNB）。
• Option 6为4G核心网连接5G基站。

非独立组网包括Option 3/4/7/8四个选项，这些选项中，均同时包含了4G/4G增强型与5G核心网和基站：
• Option 3系列（又含Option 3/3a/3x）以4G核心网络、4G或4G增强型基站为主，5G核心网络与5G基站为辅。
• Option 4系列（又含Option 4/4a）、Option 7系列（又含Option 7/7a/7x）以5G核心网络及基站为主。
• Option 8系列（又含Option 8/8a）虽以4G为主，但因升级改造较复杂，已在2017年3月版本中被舍弃。

我国三大运营商的5G网络采用的都是非独立组网先发，进而非独立组网、独立组网同步推动，将来逐渐转向独立组网的平滑演进方案。从三大运营商各自颁布的白皮书可看到，他们的步调各有不同，但独立组网的目标是一致的。国外大部分运营商在2020年依然将以非独立组网为主。虽然非独立组网需4G网络协同，但测试中峰值速率可达到4Gbps，已能够满足普通用户需求，并且已经在韩国、英国得到了较好的用户反馈。

非独立组网和独立组网各有优缺点。非独立组网的优势是方便部署，利于快速抢占市场，能够满足用户现阶段的业务需求，在引入5G的同时能较好利用现有4G网络资源；缺点是只能满足eMBB场景，无法达到超低时延和海量大连接要求，上行带宽远低于独立组网，面临再度更新升级，混合型网络结构较复杂，需在4G、5G间切换，终端耗电较高，创新应用有限等。独立组网的优点是可以将5G建设一步到位，免于重复升级，时延超低，且能大大简化无线接入网架构，支持网络切片等功能，网络结构总体简单，应用场景更为丰富，用户体验更好；缺点是初期投入较大，部分技术应用可能不是很明朗。

非独立组网虽然与4G共用核心网，但仍属于真正的5G网络。从全球范围来看，由非独立组网先行，进而过渡到独立组网是主流趋势。

我国目前对5G推动进程很快，相关技术与产品水平逐渐走在世界前列，运营商、设备商纷纷力推5G独立组网架构，全面快速部署，相信在不久的将来，将逐渐实现5G各项应用场景的支持，并与5G需求及产业链上下相互促进推动，前景值得期待。

超密集组网

因为5G即将采用的毫米波传输距离和sub 6G基站的覆盖范围都远不及4G，所以基站超密集部署将会成为现实；运营商需要通过缩短各个基站之间的距离，改善网络覆盖范围，以促使终端在热点区域获得更多频谱，并让用户在边缘区域也获得更好的性能（见图3–6）。

当用户同时被多个基站覆盖时，就会因为子载波频段被同时占用而可能存在小区间干扰问题。超密集网络会带来更严峻的小区间干扰挑战，网络异构也将成为未来的现实。

不过超密集网络也有一些好处，比如毫米波基站的带宽大，所以从核心网络到基站部分的数据传输（我们称之为前传和回传）有可能通过闲置的毫米波频带，利用毫米波基站接力来完成。目前传统的解决方案是纯光纤前传，而在国外一些无法部署光纤的地区少量存在微波回传，这种技术被称为微波接收回传一体化，有望降低运营商承载网络的组网成本。

超密集组网将给企业带来很多意想不到的机遇。例如，因为5G基站数量大幅度增加，所以灯杆等市政设施、电力塔等专用设施都将纳入基站站址的视野，这为盘活资产、开发新业务和新应用提供了可能性。

不过，超密集组网带来的一个严重问题就是互干扰。因为基站密度较高，sub 6G频率中会有与Wi-Fi、蓝牙等其他无线设备工作频段接近的2.5GHz，它们之间会产生干扰，这些都是未来发展中可能遇到的问题。

毫米波：5G开辟的新资源

频谱号称“空中不动产”，对它的使用需要有很强的规划性。传统移动通信频段主要集中在3GHz以下的优良频段，导致频谱资源十分拥挤。虽然高频段（如毫米波、厘米波）可用频谱资源丰富，但因其固有的缺点，导致实际应用中阻力较大。

近年来，强烈的大带宽通信需求，使得高频段资源不断被开发，尽量将其转化为优良资产使用，毕竟，只有在毫米波这样的频段才可以为一个终端提供连续大频谱带宽，而且随着毫米波的引入，小型化、高增益的天线将使终端设备更加便于携带。

但毫米波波长太短，导致其传输距离短，穿透和绕射能力差，容易受气候环境影响，而且射频器件、系统设计等方面的问题较多，所以应用起来还是有较多的挑战。

正如之前所说，一种提高数据传输速率的方式是增大频带宽度，但 是 在 现 实 中 会 面 临 一 些 窘 境 ： 现 有 的 商 用 无 线 电 频 段（300MHz~3GHz）因为穿透性好、覆盖范围大而过于拥挤，这部分频段已经很难找到闲置的频谱用来通信。

因此，现在就是往3GHz以上寻找可用频段，而3GHz以上可用的最好频谱之一就是毫米波频段了。从长远来看，抛弃毫米波频谱中两个特殊的部分：氧气吸收频谱和水蒸气吸收频谱，剩余部分带宽（252GHz）也远远大于现存的1G~4G商用频谱之和（3GHz），足以满足未来带宽的需求（见图3–7）。

虽然毫米波频段有大量频谱可供使用，但是依然存在一些基础性问题：电信号在传播的过程中会遭遇非常严重的路衰和雨衰，因此毫米波一般只能用于视距通信，无法承受遮挡，而且在多障碍物的室内会引发严重的多径效应。多径效应的后果是接收机难以分清信号的主要来源，也就是信号主径。在这种情况下，不同路径的信号会因为到达时间不同而产生相互干扰，降低接收机信噪比。

同时，毫米波频段因为接近氧气和水蒸气吸收频段，人体会对毫米波频段信号传播产生很大衰减。当手机内部天线放置不当时，即使手握手机也会显著影响信号质量，这给手机厂商的毫米波天线设计方案带来了挑战。此外，毫米波芯片功耗比较大，射频和天线部分都有较明显的设计难题，目前国内的部署方案主要采用sub 6G频段完成5G覆盖，毫米波覆盖主要在美国等国家进行。

虽然对毫米波频谱的利用有很大挑战，但是目前毫米波频谱需要被用于5G通信已经成为业界共识，因为如果想要完成5G通信中高速数据传输的目标，毫米波频段的使用是重中之重。因此，业界一直在积极探索可能性和现实性。

早在2016年初，3GPP、美国联邦通信委员会、欧盟委员会无线频谱政策组、中国工信部和韩国、日本、澳大利亚、加拿大、新加坡等国相关部门均开展了针对毫米波频段的规划及测量研究。在目前公布的3GPPR15中，由3GPPRAN4工作组分配及定义了52.6GHz以下频谱，而100GHz以下的频谱将在2019年底的R16中分配完成（见表3–3）。

不过，目前针对毫米波频段的使用还存在另一大争议，即24GHz附近的n258频段可能会对射电天文和天气预测等设备产生一定干扰，可能会影响到卫星通信、太空探测和气象预测等业务。根据国际电信联盟在2018年底TG 5/1工作组的无线电兼容共存报告，对于射电天文业务，23.4GHz~24GHz频谱应设立34~52千米的保护间隔，可以限制干扰。同时，n258频谱的分配在美国遭到了商务部和美国国家航空航天局的强烈反对。

大规模天线阵列：高速率的保障

massive MIMO技术是5G最重要的物理层技术之一。早在2014年，杰夫里·安德鲁斯（Jeffrey Andrews）等就指出5G三大关键技术是超密集组网技术、毫米波技术和massive MIMO技术。在随后的标准化进程中，massive MIMO成为工业界与学术界公认的5G关键技术，成为无线通信系统的研究热点。相比4G网络的2根天线、4根天线或8根天线，5G基站可以使用多达256根天线，通过二维排布，实现了3D波束成型，使电磁波束得以聚焦用户，并在水平、垂直维度的空域均能进行控制，大大提高了信道容量和覆盖。而且，可以使天线波束随着用户终端的移动而移动，真正实现以用户为中心的理念，是5G实现高速率的重要技术保障。

这种技术会带来什么影响？

第一，产业链中的射频厂家将受益最大，相应地，面临的技术挑战也最大。

第二，5G基站的功率大幅度增加，导致目前中国运营商都在与电力公司进行“直改电”，这在一定程度上延误了5G进度，但长久来看，有利于节约网络运维成本。

第三，大规模天线阵列具有跟踪用户终端的技术能力，在一定程度上，基于终端定位的创新技术和创业项目将有可能实现。例如，一直没有解决的室内定位问题。

估计通信先驱没有料到，今天的工程师们会在一个天线阵列上使用多达数百根的天线。在数十年的探索中，利用新材料，通过多天线精巧的空间排列逐渐形成了强大的通信能力。这种通过多天线的空间排列所获得的信道容量提升，称为空间复用增益。

在老一代通信工程师看来，这是美好的梦想。最早的MIMO技术是为了提高空域增益，在信号发射端（例如基站）部署多天线系统，并让每个天线独立发射信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复信息，这种多天线使用方式称为MIMO（见图3–8）。MIMO可以非常有效地提升数据传输速率。在理想情况下，对于上下行天线数目相同的MIMO设计（如收发天线均为M个），信道容量可以提升M倍。

同时，MIMO也可以通过波束设计完成发射能量聚焦，从而提升接收信号能量，提升信噪比，增强基站覆盖。不过通常由于能量较为集中，一旦在传输路径中存在障碍物遮挡，这种方式所提升的覆盖范围可能受到较为严重的影响。

MIMO需要通过对每个天线所发射的信号赋予权重，才能达到提高空间复用增益效果。因此，传统的大量无源天线需要转变为5G时代的有源天线，这将导致成本提升和能耗增加。

4G到5G的一个较大的调整是采取了massive MIMO作为基站多天线解决方案。简而言之，massive MIMO和MIMO的区别已经体现在字面上，即天线的数目是否足够大。

天线阵列中的天线数目越大，就越有能力提供更高的信道自由度增益，这些增益可以用作空间分集，提高信号传输的可靠性，也可以用作空间复用，提高数据传输速度。同时，当天线数目大到一定程度时，天线设计的算法复杂度可以通过一些简单的线性转换得到很有效的解决。

由于手机内部容量受限，sub 6G频段的终端天线数目增加难度很大，目前手机中sub 6G天线数目最多的是4个。针对基站的MIMO系统存在另外一种表述方式：只描述发射天线数目，比如目前所说的MIMO 32TR是指基站拥有32个发射（Tx）信道和32个接收（Rx）信道。通常认为5G中用于sub 6G的massive MIMO应当大于16TR，目前主流有16TR、32TR和64TR几种配置（见表3–4）。

同时，在目前5G所采用的两种频段（sub 6G和毫米波）中，大规模天线阵列的使用方式和目的也有所不同（见表3–5）。在sub 6G宏基站中，大规模天线阵列的主要目的是尽量提供更多的复用增益，也就是尽量提供更多的独立数据流给各个用户，通常称这种工作场景为多用户MIMO（MU–MIMO）；而在毫米波基站中，大规模天线阵列的主要目的是提高基站覆盖范围，弥补路径损耗，提高单个用户的信噪比和空间增益，通常称这种工作场景为单用户MIMO（SU–MIMO）。

这两种目的决定了波束赋形和预编码的算法设计和硬件设计都略有不同。

注：从理论上说，MIMO的天线数目多少会直接影响到可以发送或者接收的独立信息流数目，因此当我们描述MIMO系统时，通常会说到基站发射天线数量以及用户设备接收天线数量，比如4×4MIMO代表在基站采用4个发射天线，手机采用4个发射天线，它会产生2个独立信息流。

对于设备商来说，大规模天线阵列基站的设计也遇到了成本问题：当天线振子数目增加时，单个基站的射频信号处理链路数目也会随之增加，这会导致单个基站的成本大幅度攀升。特别是毫米波基站覆盖范围小，这种现象会更为严重。目前普遍的做法是采用模拟—数字混合链路设计方案来代替原本的纯数字链路设计，以达到降低成本的目的。

大规模天线阵列可以非常有效地提高用户数据传输速率和基站覆盖范围，也能提升单个基站的用户容量。而波束赋形技术是大规模天线阵列的重要实现形式。通过部署波束赋形技术所获得的空分复用增益，可以使系统的容量提升几十倍；同时，由于天线阵列经过波束赋形信号处理后，信号的能量集中到空间中的局部区域，因而使得大规模天线阵列的能源效率极高。

然而多天线所形成的波束经过设计（波束赋形）之后虽然能量会上升，覆盖范围也会扩大，但是单个波束的照射区域大小却会下降，用户可能仅仅走数米就会走出波束的照射范围。它们之间的对比就像电灯泡和手电筒（见图3–9）。

当一个用户在另一个sub 6G基站范围内出现时（不考虑小区切换），会启动初始接入阶段。这个阶段大致分为三步：波束扫描同步信号和小区信息、用户发起随机接入请求并微调基站波束朝向、用户微调自身接收完成波束匹配和绑定（见图3–10）。这样单个用户在基站范围内就拥有了特定的波束来追踪用户轨迹，为其提供通信服务，从而贯彻了5G系统“以用户为中心”的设计理念。

大规模天线阵列与5G有天然的结合点。由于较低频率的带宽难以满足5G的需求，因此需采用较高的频段，如毫米波。根据天线辐射理论，天线的尺寸与电磁波波长成比例。因此，较高频段、较小波长的毫米波所对应天线的长度也较小，即便做成天线阵列，所占用设备的空间也较小。而由于电磁波的物理效应，越低频段的波绕射能力越强（可以理解为类似于水波），越高频段的波方向指向性越强（可以理解为类似于光线）。对大规模天线阵列应用毫米波，可极大程度地发挥波束控制的效果，但此处存在一个前提，即需要较为精准地定位用户位置以瞄准波束，并且尽量不要有障碍物遮挡。

大规模天线阵列与毫米波技术的应用给电信产业链上游的芯片制造商和设备制造商带来了巨大的商机。因为新材料的使用以及制造工艺复杂，目前掌握射频核心技术的芯片厂商不多，所以有赚取高利润的空间。基于此，爱立信等公司已经开始收购射频芯片厂家，以期在未来的竞争中以最小成本面对市场的挑战。

另外，大规模阵列天线的使用，使得功耗大幅度上升，给运营商的建设与运维带来较大压力。节能技术的使用，特别是基于人工智能的节能技术将是未来一段时间内基站维护的重点。

边缘计算：寄予厚望的科技新星

移动边缘计算（Mobile Edge Computing, MEC）的概念是于2013年在IBM与Nokia Siemens共同推出的计算平台上提出的。2014年，欧洲电信标准化协会成立了移动边缘计算规范工作组，开始推动相关的标准化工作，对移动边缘计算的定义是：在移动网边缘提供IT服务环境和云计算能力。

2016年，欧洲电信标准化协会将该概念扩展为多接入边缘计算（Multi-Access Edge Computing）；同时，3GPP和CCSA等标准化组织也启动了相关工作。2016年，华为发起倡议，联合众多公司成立了“边缘计算产业联盟”，对移动边缘计算的定义是：边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，以满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。

与之类似的一项技术是雾计算。雾计算是由思科公司在2012年提出的，是一种对云计算概念的延伸，涵盖了从设备端到传统云的完整连续架构，用以解决物联网所需的时延和带宽问题。2015年，ARM、思科、戴尔、英特尔、微软及普林斯顿大学边缘实验室共同宣布成立OpenFog联盟；

2017年2月，该联盟发布了OpenFog参考架构。2018年6月，IEEE宣布OpenFog架构为其官方标准架构，命名为IEEE 1934，旨在提供行业共同认可的高性能可靠框架，以加速5G、物联网和人工智能的发展。

移动边缘计算与雾计算，从最初的严格定义上看是有差异的。移动边缘计算仅作用于网络边缘节点，而雾计算则还包含网络边缘节点之外的用户终端资源。但随着两种概念的不断延伸，这两者的差异已经越来越小。

边缘计算将计算中心下沉，向泛在计算更加迈进了一步。5G强大的网络能力使得数据传输不再是瓶颈，但计算会捉襟见肘。大量的数据在终端与云端之间不停地传输，如果只靠云端来进行计算，整体时延将较大。所以，思科提出了雾计算，欧洲电信标准化协会提出了移动边缘计算，都是希望将计算功能从集中单一的云端下沉分散到用户侧，这样可以减少做出响应的时间，降低整体计算成本，提高系统性能。

在5G中，因为SDN、NFV技术的采用以及三大应用场景的实施，移动边缘计算（MEC）成为现实，5G这个庞然大物也变得更加智能、无处不在。

边缘计算可以创造出一个高性能、较低功耗、低时延和高带宽的电信级网络服务环境，可以被扩展为城镇级或者小区级的小型数据中心，可以解决很多急需低时延来解决的应用问题，比如云游戏。

运营商也能通过边缘计算扩展自身的业务范围，提供超低时延的特殊云服务，而不是仅仅局限于担当单一的传输管道。

为了使网络虚拟化，5G在接入网采用了C–RAN技术，将基站控制单元放置在基带池中，这样基带池就成了一个天然的小型数据中心。

这样的小型数据中心有能力为基站池服务范围内的用户提供计算、储存等缓存。

边缘计算是近几年发展非常迅猛的技术，在具备了聪明的大脑（人工智能）和宽敞的道路（5G）后，如何让自己的车（用户终端）

适配，得到更好的性能，是所有信息网络终端用户的诉求。边缘计算将大量存储、处理能力和智能算法下沉，不但大大降低了网络时延，而且分担了计算中心繁重的任务，使用户终端真正享受到5G带来的宽带和先进算法带来的智能。

边缘计算将在5G中大量部署以适应各种不同的业务场景，而且存储、处理、智能等多种功能的合一，将使得边缘计算节点成为一个个分散的“智能存储处理节点”。这给边缘计算设备商带来了巨大的市场空间。

软件定义网络：重新认识电信系统

2006年，软件定义网络（SDN）诞生于美国GENI项目资助的斯坦福大学Clean Slate项目。该项目试图通过一个集中式的控制器，可以方便地定义对网络数据流的安全控制策略，并将这些安全策略应用到各种网络设备中，从而实现对整个网络通信的安全控制。在项目研发过程中，尼克·麦克欧（Nick Mckeown）教授发现，如果将传统网络设备的数据转发和路由控制两个功能模块分离，通过集中式的控制器对各种网络设备进行管理和设置，那么就可以给网络资源的设计、管理和使用提供更多可能性，也就更容易推动网络结构的革新与发展。这就是SDN和基于此的OpenFlow软件设计思想。

在传统的网络中，网络单元例如路由设备的控制系统和数据转发系统是合并在一起的，SDN则可以通过软件操作来定义数据传输路径，也就是虚拟出一个逻辑上的数据网络用来传输特定数据，由此延伸出SDN的三个特性：
• 集中化管理：有利于提高复杂协议的运算效率和收敛速度。在传统网络中，如果有100台交换机，每一台机器的配置均不同，我们需要登录每台交换机的终端进行配置，不但效率低，而且故障率高，排查困难。
• 控制转发分离：将交换机的控制和转发逻辑分开。某种意义上，SDN其实是希望交换机变得更“笨”，如果交换机只负责单一的功能，那么它的任务就变得简单、重复、高效。将功能分开是一种好办法。
• 开放的API：SDN提出了开放的API，让软件可以轻松调用，程序员也可以架构自己的网络了。这解决了传统网络无法编程、无法架构自定义网络的问题。

目前SDN已经扩展到其他领域，并定义了软件定义安全、软件定义储存等概念，可以说SDN是一个浪潮，席卷了整个IT行业。

在未来的5G网络中流量可能会飞速增长，无线网络可能会部署超过目前网络10倍以上的节点，这样密集的网络会使拓扑更加复杂，SDN的控制和转发解耦分离所能实现的可变链路、数据包转换和选择性链接地址会更加重要。

当然，SDN还会让网络维护更加便捷。传统网络主要依靠人工方式完成网络部署及运维，既耗费大量人力资源又增加运行成本，网络优化也不理想。通过SDN我们可以完成网络的自我优化和自我愈合，自动检测定位问题，排除故障，从而降低运维工作量，提升网络质量和性能。

网络功能虚拟化：打通IT与CT之间的通道2012年10月，ETSI在德国SDN和OpenFlow世界大会上发布的白皮书《网络功能虚拟化——介绍，优点，推动因素，挑战与行动呼吁》中对网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization, NFV）进行了详尽的描述。NFV的主要目标是通过虚拟网络功能，把许多网络设备由目前的专用平台迁移到通用的X86平台上来，帮助运营商和数据中心更加敏捷地为客户创建和部署网络特性，降低设备投资和运营费用。NFV的可选项包括路由、CPE、移动核心、IMS、CDN、饰品、安全性、策略等。

NFV和SDN的关系很紧密，从大范围上讲，NFV是SDN的补充，SDN提供的是集中化的网络控制和管理。两者虽然都能改进网络，但两者的目标和方式有所差异。SDN通过将控制面和转发面分离来实现集中的网络控制，而NFV的主要重点是优化网络服务本身。这两种技术看起来属于不同维度，但其实可以融合：利用SDN技术在流量路由方面所提供的灵活性，结合NFV架构，可以更好地提升网络的效率，提高网络整体的敏捷性。

同SDN一样，NFV从根本上讲是把网络架设从基于硬件的解决方案转向更开放的基于软件的解决方案。例如，取代专用防火墙设备，软件可以通过虚拟防火墙提供相同的功能。再如入侵检测和入侵防御、NAT、负载均衡、缓存、会话边界控制器、DNS等虚拟网络功能。有时，不同的子功能可以组合起来形成一个更高级的多组件VNF（Virtual Network Function，虚拟网络功能单元），如虚拟路由器。

目前NFV可以为运营商提供以下优势：
• 通过降低设备成本和降低功耗，减少运营商CAPEX和OPEX。
• 缩短部署新网络服务的时间。
• 提高新服务的投资回报率。
• 更灵活地扩大，缩小或发展服务。
• 开放虚拟家电市场和纯软件进入者。
• 以较低的风险试用和部署新的创新服务。

从技术角度来说，5G的到来无疑将加速网络虚拟化的进程，包括对NFV的需求也将更加迫切。除了推动NFV在网络应用上的落地之外，业界还试图联合开发硬件加速技术，尤其准备对转发面网元的硬件加速技术的方案、架构、演进路线等进行深入的研究和实践，试图共同推进硬件加速技术的成熟，更好地支持5G边缘场景的业务发展和网络转型。

我们相信以NFV技术为代表的未来网络转型是个复杂的系统工程，需要全新的研究探索模式。随着互联网/移动互联网产业的兴起，全球各大运营商正在面临着网络转型大潮的冲击，NFV也是运营商网络转型之路的必选项。

5G的伟大之处就在于它第一次大规模地将IT与CT进行了深度融合，从长远来看，意义极其深远。NFV是用信息行业IT的思维对通信行业CT进行的一场革命，最大的意义在于使用通用化IT设备来管理电信网络，这彻底打通了IT与CT之间的硬件通道。而SDN则通过将控制平面与数据平面分离，彻底打通了传统计算机网络（如互联网）和电信网络之间的逻辑通道。

很多计算机领域的专家学者也开始大规模地从事5G研究，未来的5G从业市场也将进一步向IT人士敞开。两大产业的结合必将带来新的产业革命，并对数字经济的发展起到无可限量的推动作用。

网络切片：变数巨大的新理念

在5G的设计中，需要支持物联网、语音、数据等多种业务，而不同的业务场景对网络要求差异非常明显，不同业务指标需要的资源也完全不同，而且其中的一些参数是无法兼顾的。

如果想要在一张网络中同时支持多种场景，那么最好的方式是不同业务配置不同的网络路径，经过不同网络单元，这种技术被称为网络切片（Network Slicing）。网络切片的先决技术是需要能够通过软件控制各个不同的网元，也就是NFV/SDN。

网络切片技术是面向应用场景的，为电信运营商的高性价比运营提供了可能，同时也为差异化的流量经营提供了可能。

我们通常认为网络切片是一个逻辑上的概念，将物理网络通过软件划分成多个虚拟网络，每个网络适应不同的业务需求，而切分依据则是时延、带宽、安全性、可靠性等性能指标。

在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络，从而避免了为每一个业务建设一个专用的物理网络，可以大大节省部署成本。这样，5G会根据智能交通、无人机、智慧医疗、智能家居以及工业控制等多个不同的场景，开放不同的网络。

在4G网络中，各个业务提供商都使用一样的网络、一样的服务；而5G切片技术的出现则可以提供不一样的性能、不同的管理、不同的服务、不同的计费（见图3–11）。正如之前所说，网络切片功能主要通过SDN和NFV完成，SDN已经在4G LTE网络中得到了广泛的应用，也已经比较成熟。SDN/NFV通过把传统的网络单元和基站替换为放在机房中的虚拟机池，就可以通过软件控制了。

这里的机房可能放置在大型数据中心（核心云），也可能放置在小型城镇的数据中心或者小型区域中（边缘云）。当基站的控制单元被放入机房，外部只留下有源天线单元（AAU）时，这些控制单元被称作云接入网（C–RAN）。

这种方式可以带来很多好处，比如核心网络的功耗可以通过数据中心的集中管理得到控制，可以针对不同的业务配置不同的服务质量标准（QoS）等。实际上，网络单元的云化和虚拟化也是大势所趋，能极大地降低运营商的运营成本，这也是运营商追求的根本利益，所以电信运营商对SDN、NFV和C–RAN等网络虚拟化技术有很高的期望。

定位技术：新技术带来新趋势

在5G中，我们可能会看到更先进的定位技术。基站定位精度影响因素很多，而且可实现的算法也很多。另外，现在全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）和基站定位系统其实并不独立，日常使用的GPS也会有基站参与辅助定位，所以本节先分析当前的一些主流定位技术。

如果一定要对比的话，目前5G的目标是定位精度1米左右，当前的GNSS系统精度在10厘米级，具体的对比可以参见图3–12。

这是常用基站定位在乡村、室外、室内三种场景下的对比，请重点观察辅助的GNSS与5G目标（1米的虚线）之间的对比。

Assisted–GNSS通常有两种：
• 基站辅助定位的差分GNSS（Differential GNSS）。
• 单独的GNSS（Stand–alone GNSS）。

在乡村场景下，虽然单独的GNSS系统精度并没有超过5G目标，但差分GNSS（Differential GNSS）是远超5G目标的。这里要强调一下，5G的定位具体实现起来依然有很多困难，大概率是不会超过GNSS系统的。

我们解释一下现有的几种基站定位技术，首先是基础理论。定位的基本原理是通过计算测量点与多个已知节点之间的距离，来确定测量点的位置。基本要求是：
• 在二维平面，至少需要3个不共线的已知节点（就是通常所说的三边测量或者三角定位）。
• 在三维，至少需要4个不共面的已知节点。

经典的三边测量图如图3–13和图3–14所示。

如果只谈基站定位的话，就是图3–15中这几种。

a. 三边测量：因为基站位置都是已知的，那么图中的未知因素只

有用户与基站之间的距离。为了求解用户与基站之间的距离，需要知道信号在空中传播的时间，也就是可能用到几种信息：信号到达时间（time of arrival，ToA）、信号到达时差（time difference of arrival，TDoA）或者接收信号强度（received signal strength，RSS）。

b. 三角测量：当基站位置已知时，基站与用户之间的距离数据可

以用角度数据替代。如果我们知道信号在终端天线的到达角（angle of arrival，AoA），那么同样可以得到与三边测量同样的结果。

c. 近似：如果只有一个已知基站，那么可以根据ToA或者AoA和信

号强度大概估计出用户与基站的距离和角度，这样也就可以近似地算出用户位置。实际上这也正是2G系统中最常见的基站定位方式。

d. 场景分析：我们可以将一些典型位置点的信号特征（比如时延

扩展或者信道扩展数据）存入数据库，再与当时的信号做比对，可以估计出用户与基站之间的距离和方位。这种方法也常用于Wi-Fi室内指纹定位。

当然上述a、b、c、d四种可以混合起来使用，在实际场景中具体怎么使用，要看手机硬件如何实现。但是因为现在网络规划通常要考虑基站覆盖范围，从而避免干扰，因此通常一个用户很难同时收到三个基站的信号，a、b仅存在理论上的可能性。在实际应用中，我们一般只考虑单基站存在下的近似，通过获取基站与用户之间的距离和位置，作为三边测量的辅助方式使用。

目前在工程上有几种方案值得讨论：

1.近似场景

CID（Cell ID，小区ID）：CID是基站定位近似方案的一种，也是目前最广泛的基站定位方案，通过手机接入的基站ID和一些额外信息（比如第几扇区和一些距离测量方案）来推断用户位置。它的增强版是Enhanced Cell ID（E–CID），可以联合到达时间（Time of Arrival，AoA）、TA和信号强度等信息推断用户位置。

信号指纹（RF Pattern Matching，RFPM）：RFPM是另外一种使用最广泛的近似方案。通常来说，一个用户的位置会与某个特定的信号测量值匹配比对，如果对比结果一致，那么就认为该用户位于事先设定好的距离。比如，如果匹配结果是某个特定的参考信号强度，那么可以把当前用户的信号特征与数据库做比对，就可以得到用户的大概位置。目前RFPM在2G/3G/4G中都有实现，预计5G中依然会采用。

2.三边测量

Assisted GNSS：基站定位想要采用更精确的三边测量或者三角定位，现有的非异构网络系统很难找到足够的地面基站，因此在这种情况下，通常会采用基站联合3~6个卫星同时定位的方式，这种情况被称为A–GNSS，也是目前我们手机里默认的定位方式。

改进基站定位系统不是5G的高优先级议题，因为定位不是通信系统的主要功能，但是新的技术可能会带来更多可能性，如毫米波和多径辅助定位。

毫米波：5G中的毫米波会因为其高指向性和只能在视距传输的特点，而更容易估计信号的到达角度信息，可以提升基站定位精度。

多径辅助定位（Multipath–Assisted Location）：多径、小区间干扰、时钟/载波同步和覆盖是影响基站定位的几种关键因素。但是其中多径效应不仅只造成影响，也能辅助定位。通过一些信号追踪算法，多径部分可以被当作来自一个或者多个虚拟的信号源（散射点），在这种情况下，多径效应可以用来作为室内定位提高精度的一种新技术。

上述基站定位技术会在5G网络中得到显著增强。在未来的5G网络中，因为高频道信号比如毫米波的视距传输特性和大规模天线阵列的使用，基站可以估计到的信号到达角数据会越来越精确。同时在标准制定时，我们也可以通过探索更多信号路径和传播信息，利用未来密集部署的基站得到更多定位数据。而数据越来越多，整个网络的定位精度也会因为算法和数据源的同步提升而越来越高，所以在5G网络中，基站定位技术会有比较光明的未来。