5G网络切片的七种武器（一）

莎啦啦

广为人知的，5G面向万物互联，定义了增强移动宽带eMBB、超高可靠低时延uRLLC、海量机器类通信mMTC三大类应用场景，使得5G提供的能力集更能适合垂直行业的应用，为此5G在基础通信技术、组网架构和组网技术上都进行了针对性的设计，同时引入网络切片技术，提供了逻辑网络级别的组网方式，满足垂直行业对网络定制、性能保障、安全隔离的个性化需求，在5G的三大业务主线：消费性领域、管理性领域、生产性领域，网络切片都能够得到应用，帮助运营商快速拓展新的业务类型，并能助力垂直行业实现数字化转型。
作为结合5G和垂直行业的公众号，为了更进一步探讨5G在垂直行业中的应用，我们对5G网络切片能够提供的能力集及其实现的方式，以及在垂直行业中如何进行定制化的设计做了一个相对比较全面的分析，提出5G网络切片的“七种武器”，主要包括：超高带宽、超低时延、海量连接、切片编排与自动部署、SLA性能保障、切片能力开放、切片商城。其中超高带宽、超低时延、海量连接是5G提供的基础能力，在网络切片中也可以根据垂直行业的需要进行定制化的设计；切片编排与自动部署、SLA性能保障则是切片运维和运营需要的端到端核心能力，主要实现垂直行业应用的快速创新和上线，并保证SLA满足用户的要求；切片能力开放和切片商城则是5G网络切片的用户侧能力，主要提供网络切片的用户接口，方便用户订购、管理网络切片，并和垂直行业自身的系统和应用融合，打造行业的数字化应用。

武器一：超高带宽

移动通信技术的设计和其它应用系统并没有不同，都是从需求出发的，5G在设计业务数据吞吐量的时候也讨论了几种应用环境，比如室内办公室场景，需要在1000㎡的范围内提供17Gbps的总流量，密集住宅区场景则需要2Tbps/㎞²的流量密度，更具挑战的大型露天集会场景，需要网络提供924Gbpss/0.44㎞²的流量密度。从业务应用的角度来看，3D/高清视频、云游戏等应用需要单用户带宽在100Mbps级别，VR/AR应用则根据帧率等的不同，则可能高达2.34Gbps，而4G的带宽能力在100Mbps~1Gbps，相对以上场景和业务的需求存在差距。

那么5G又是如何实现超过4G 10~100倍的吞吐率目标呢？整体来说主要通过以下三种途径：更多频谱、更高频谱效率、更密集的组网。

更多频谱
首先我们来看频谱，设计一个移动通信的频谱也是一个系统的工程，以5G为例，首先需要考虑5G生命周期中对流量的需求，一般来说，一代移动通信技术的主生命周期是10年，因此根据从过去的2010年，面向到2030年的未来十年，考虑5G的几大应用场景，预计全球移动数据流量增长将超过2万倍，而中国的移动数据流量增长超过全球平均水平，据IMT2020推进组的预测，增长将超过4万倍。

根据流量的需求预测，结合市场数据，系统容量，计算、调整后得出移动通信的频谱需求，下表是ITU计算的到2020年时全球的频谱需求在1340~1960 MHz之间。根据频谱需求及现有频谱分配的现状，给出5G的频谱分配建议。

大幅增长的的总移动数据流量和10~100倍的单用户峰值速率需求，使得5G的频谱分配和使用呈现几个特点：

大信道带宽：单载波最大信道带宽从4G的20MHz增长到100MHz（FR1：sub6GHz）和400MHz（FR2：mmWave）。

高低频协同：覆盖以sub 6GHz为主建设基础承载网络，包括新增分配频谱和原有2G、3G频谱的重耕和动态分配，全面提供各种业务能力支持。同时在热点区域新增高频（mmWave）资源建设补充承载网络，提供更强的数据能力，形成高低频协同的网络。

多样化频谱授权：传统的排他性授权方式面临挑战，LSA和非授权模式将成为补充。

全频谱接入：需求场景的多样性、频谱资源分配的现状、不同频段的不同传播特性等因素，要求5G能够有效利用各类移动通信频谱，实现全频谱接入，包括高低频段频谱、授权与非授权频谱、连续与非连续频谱、对称与非对称频谱，并能够根据不同的业务分布和变化对频谱资源进行动态调度。实现通过一张无线接入网络，满足不同行业需求的目标。

更高频谱效率
然后我们来看看如何提高频谱效率，实现的主要技术包括大规模天线Massive MIMO和新型调制编码。

Massive MIMO从两个维度改变了之前的天线，首先是天线数量，从传统4G的2/4/8天线，到Massive MIMO的通道数达到64/128/256个；然后是信号覆盖的维度，传统的IMO实际信号在覆盖时，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，称之为2D-MIMO。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，称为3D-MIMO。

Massive MIMO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。换个说法，在单天线对单天线的传输系统中，由于环境的复杂性，电磁波在空气中经过多条路径传播后在接收点可能相位相反，互相削弱，此时信道很有可能陷于很强的衰落，影响用户接收到的信号质量。而当基站天线数量增多时，相对于用户的几百根天线就拥有了几百个信道，他们相互独立，同时陷入衰落的概率便大大减小，这对于通信系统而言变得简单而易于处理。Massive MIMO具有以下优点：

高复用增益和分集增益：Massive 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。

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，同时也减少了用户间的系统干扰，大幅提升边缘频谱效率。

覆盖增强：波束精准赋形，跟随用户移动，提升覆盖能力，同时垂直维度的增加，有利于改善垂直维度的覆盖能力。

当然，Massive MIMO也面临天线拓扑、信道建模、FDD操作、用户跟踪、天线校准、调度和预编码复杂性等挑战，但可喜的是，经过大量的仿真与测试，Massive MIMO表现出了良好的性能，可以支撑起5G的频谱效率增长需求。

伟大的香农公式给出了通过信道编码技术来提升频谱效率，实现可靠通信的途径。然而设计一种具备良好性能和低计算复杂度的编码技术并不简单，可以说移动通信的每一次进步背后都有一种编码技术的默默贡献。Turbo码就是这样一种成功的信道编码技术，通过引入迭代译码，解决了计算复杂性的问题，并能接近香农极限，在3G/4G中得到了应用。

也正是由于Turbo码采用迭代解码，必然会产生时延，而5G提出超高带宽、超低时延的需求，Turbo码遇到了挑战。从需求上来看，5G的峰值速率是LTE的20倍，时延是LTE的1/10，这就要求5G编码技术需在有限的时延内支持更快的处理速度，即译码器数据吞吐率比4G高得多。越高的译码器数据吞吐率就意味着硬件实现复杂度越高，处理功耗越大，而译码器是手机基带处理的重要组成部分，占据了近72%的基带处理硬件资源和功耗。同时，由于5G面向更多应用场景，对编码的灵活性要求更高，需支持更广泛的码块长度和更多的编码率。因此，5G需要选择高性能、低复杂度、低时延、灵活码率的编码技术。

视线还是回到大神香农，他的学生Robert Gallager在1962年提出的LDPC码，以及 Gallager的学生土耳其毕尔肯大学的Erdal Arikan教授2007年提出的Polar码进入了专家们的视野，两者均是能接近香农极限的编码技术。LDPC码提出时，因当时的硬件不能满足编码的要求而被搁置，直到Turbo码被提出，大家才发现，LDPC码有相似的译码性能，在长码时更接近香农极限，LDPC基于高效的并行译码构架实现，其译码器在硬件实现复杂度和功耗方面均优于Turbo码。

而Polar码虽然提出较晚，但其兼具较低的编码和译码复杂度，不存在错误平层(Error Floor)现象，误帧率(FER)比Turbo低得多，还支持灵活的编码长度和编码速率，各方面证明比Turbo码具备更优的性能。

因此，最后3GPP在5G时代抛弃了Turbo码，选择了LDPC为数据信道编码方案，Polar为广播和控制信道编码方案。

更密集的网络
超密集组网（Ultra Dense Network，UDN）就是通过更加“密集化”的无线网络部署，将站间距离缩短为几十米甚至十几米，使得站点密度大大增加，从而提高频谱复用率、单位面积的网络容量和用户体验速率。从极端场景需求的制定，到网络架构设计的选择，UDN的理念已经融入了5G的设计过程中。

超密集组网在提升容量的同时，也面临同频干扰、移动性管理、多层网络协同、网络回程等一系列影响用户体验或网络部署的技术问题。目前也提出了一些解决方案，典型的包括干扰管理、小区虚拟化、接入和回程设计。

多连接也是解决5G高低频协同组网和传统超密集组网问题的一种思路，5G引入超密集、灵活的小基站部署，采用传统方案的话，面临频繁切换，信令压力巨大，包转发时延大，TCP/IP性能下降，用户体验的恶化的问题。通过将终端同时连接到高低频乃至不同制式的网络；将信令与数据承载分离，以实现快速切换/无缝移动性；将覆盖与容量分离，可结合高低各自优势，提升覆盖范围和性能，从组网上实现网络容量的提升。

网络切片的带宽能力定制途径
5G通过更多频谱、更高频谱效率、更密集组网三个渠道提升了网络的数据吞吐率，但并不是所有的行业需求都需要这么高的带宽，那么作为可提供定制化能力的网络切片有哪些途径能够针对性的提供满足垂直行业需求的带宽能力呢？

无线接入网是影响用户速率体验最重要的部分，很多行业也是对RAN侧的资源预留和保障能力比较担心，目前可能实现无线侧带宽定制和体验保障的方式主要包括：

结合切片优先级的调度保障：基于调度的方式保证优先级高的切片用户能够得到更好的体验，但是当网络整体拥塞的时候，用户体验同样会下降；

基于体验保障的调度：为切片设置保障速率GBR，低于GBR时优先调度，高于GBR时则降低优先级；

资源比例保障：为切片配置一定比例的无线资源，切片用户独享该部分资源，并可以设置竞争其它公共的资源。该种方式可能降低RAN侧吸纳用户和流量的能力，但是对切片用户的保障更有力；

BWP：5G本身提供的技术，通过灵活、动态的配置BWP可以降低终端的成本、功耗，针对不同行业的需求，可定制BWP配置。

传输网络在4G时的设计基本是按照轻载的原则进行，5G网络切片的引入可以将传输网络按照切片租户实际的需求进行带宽和拓扑的灵活组合，在满足需求的情况下降低网络切片的成本。

核心网在考虑带宽的时候主要定制UPF的不同部署位置，根据网络切片用户的分布情况、流量需求、UPF能力等因素，将UPF部署到核心、汇聚或者边缘，实现性能和整体组网成本最优。

阅读全文