5G网络切片的七种武器（二）

莎啦啦

为更进一步探讨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相对较全面的分析，提出5G网络切片的“七种武器”，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。在上期文章《5G网络切片的七种武器（一）》中，主要向大家介绍了第一种武器——超高带宽，本文详细介绍“超低时延”和“海量连接”两种武器。

武器二：超低时延

移动通信在带宽增长的路上狂奔一段时间后，发现时延也是影响业务提供和体验的重要因素，因此在4G时代中后期即开始了的时延优化之路，到5G时更针对uRLLC应用场景定义了极端的1ms双向时延指标，那么这个看似不可能的任务是如何实现的呢？
首先我们明确这个时延的定义指的是用户面时延，也就是手机发送数据的时间延迟，同时是双向时延，也就是手机发送数据到基站的时延+基站发送到手机的时延，不包括到核心网、互联网的时延。
然后我们来看看4G的典型时延是多少，按照3GPP的分析，典型上行时延（手机到基站）是12.5ms，下行时延是7.5ms，双向延迟就是20ms，当然这是理论上的值，如果因为无线环境差导致的数据重发，实际的延迟将会更长。实际上，对时延的缩短在4G已经开始，LTE网络空中接口的用户面网络延迟主要由以下几部分组成：资源调度请求和指派（Grant acquisition），传输时间间隔（Transmission time interval），终端和基站的数据包以及信令处理时间（Processing），混合重传来回时间（HARQ RTT）。经过研究，主要的提升方向放在了前两部分：资源调度请求和指派，传输时间间隔。通过1ms的半静态周期调度方式可以将双向延迟降低到8ms。通过将子帧（1ms）级别的传输间隔降低到符号（1/14ms）级别，加上降低处理时间，可进一步将双向延迟降低到2.7ms。
5G将时延降低做到极致：
特殊包结构减少处理时间：uRLLC的包结构采用导频信息，控制信息，以及数据依次在时域上排列，使得信道估计，控制信道解码，数据的获取可以串行的进行，减少了处理时间。

可变Numerology降低传输时间间隔：相对于LTE固定15KHz子载波间隔（时域1ms），5G定义了15KHz、30KHz、60KHz、120KHz等多种子载波间隔，时域上相应缩短。

Mini-Slot将传输间隔从子帧降低到符号：以更少的符号数为调度单元，减少时延。下行可以选择2个符号，4个符号，7个符号，上行可以在1-13个符号中任意配置。

异步HARQ快速重传：相对于4G固定，5G的HARQ的时间间隔动态指派，更灵活，符合低时延设计。

上行免调度传输：周期性的给用户分配上行资源来减少上行的传输时延。

打孔抢占：也叫预清空调度，为某个高优先级的用户清空原来已经分配给其他用户的资源，实现数据的快速发送。

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以上对5G空口的时延优化技术进行了说明，那么如何设计一个满足时延要求的网络切片呢？可以通过以下途径：
最有效的方式是将UPF下沉部署，节省了传输网络中距离和转发节点带来的大量时延，按照UPF部署位置在中心、区域、边缘，大致可将时延控制在30~50ms、10~20ms、5~10ms的级别。

核心网服务定制和加速技术：通过简化内部交互流程、采用简单控制策略等服务定制，以及软硬件加速技术、智能网卡等缩短处理和转发时间。

通过路径优化、减少节点数量、FlexE降低节点转发时延等，整体降低传输网络时延。

无线接入网采用uRLLC专用频段、帧结构、参数集等，实现空口低时延。

武器三：海量连接

5G定义了100万连接数/㎞²的mMTC关键指标需求，连接数的量变给5G的设计带来极大的挑战，包括控制信令挑战、接入容量限制、功率消耗、多业务集成等，需要有针对性的技术和设计来解决。

新多址 移动通信的多址技术是指实现小区内多用户之间，小区内外多用户之间通信地址识别的技术，分为频分多址、时分多址、码分多址等，基站通过多址技术来区分并同时服务多个终端用户。当前移动通信普遍采用正交的多址接入，即用户之间通过在不同的维度上（频分、时分、码分等）正交划分的资源来接入，如LTE采用OFDMA将二维时频资源进行正交划分来接入不同用户，正交多址接入在实现良好系统吞吐量的同时，保持接收的低成本。

正交多址技术存在接入用户与正交资源成正比的问题，因此系统的容量受限。为满足5G海量连接、大容量、低延时等需求，迫切需要新的多址接入技术。目标是通过合理的码字设计，实现用户的免调度传输，显著降低信令开销，缩短接入的时延，节省终端能耗等。

目前，业界提出主要的新型多址技术包括：基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址（SCMA）技术，基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入（MUSA）技术，基于非正交特征图样的图样分割多址（PDMA）技术，以及基于功率叠加的非正交多址（NOMA）技术。

新型多址技术主要应用于mMTC场景，而该场景将在5G的R16中标准化，目前候选技术较多，还没有最终确定采用何种技术。

新波形 波形是无线通信物理层最基础的技术。OFDM作为4G的基础波形，各个子载波在时域相互正交，他们的频谱相互重叠，因而具有较高的频谱利用率，得到了广泛的应用，特别是在对抗多径衰落、低实现复杂度等有较大优点，但也存在一些不足：由于信道的时间色散会破坏子载波的正交性，从而造成符号间干扰和载波间干扰，OFDM需要插入循环前缀（CP）以对抗多径衰落（减少符号间干扰和载波间干扰），可是这样却降低了频谱效率和能量效率。OFDM对载波频偏的敏感性高，具有较高的峰均比（PAPR），需要通过类似DFT预编码之类的方法来改善PAPR。OFDM采用方波作为基带波形，载波旁瓣较大，在各载波不严格同步时，相邻载波之间的干扰比较严重；另外由于各子载波具有相同带宽，各子载波之间必须正交等限制，造成频谱使用不够灵活。

由于5G需要满足多种场景与业务的需求，当前没有一种波形可以适用所有场景，不同的业务和场景需要设计合理的波形，未来5G需要灵活、弹性的空口，将根据场景和业务自适应地选择合适的波形。目前研究的主要是滤波器组多载波技术FBMC、可变子载波带宽的非正交接入技术F-OFDM、基于通用滤波的正交频分复用新波形技术、降低PAPR的DFT-S-OFDM等。

在低于40GHz的eMBB和uRLLC场景的波形已经确定，下行采用和4G一致的CP-OFDM，上行使用基于CP-OFDM和DFT-S-OFDM的波形，针对5G NR的灵活子载波间隔进行了改进。mMTC场景的波形将在第二阶段确定。

Relay UE mMTC应用场景下，可以通过用户中继的方式，弥补网络覆盖的不足，并解决在某些环境下基站部署面临的环境和回传等问题，构建以UE为中心的本地网络。其典型技术特征为D2D直传。

窄带传输 目标是对5G NR进行针对设计，降低设备的复杂度、功耗，提高覆盖，以满足mMTC低成本的要求。技术上考虑采用类似NB-IoT的系统方案，上行采用更小的子载波间隔（如15KHz/n）。

mMTC类型切片定制

mMTC类型的应用具有连接数量大，时延往往不太敏感，成本比较敏感的特点。因此在网络切片设计上可能考虑如下：

核心网控制面共享，仅用户面UPF独占，分业务区部署；

传输网络以软切片共享方式；

无线接入网可以考虑CU/DU分离的方式，CU集中云化部署，按照需要分配资源；

频段上可结合2G/3G频谱重耕，选择低频频段获取良好的覆盖和实现业务的隔离。

mMTC标准尚未最终确定，以上考虑并不成熟，预计mMTC类型切片商用时间在2022年以后。

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