近年來，關于5G的話題只增不減，隨著5G手機的陸續推出，很多人對于5G的認識可能還停留在網速的提升，事實上，5G的優勢并不僅限于這一點，5G的到來可能會帶來顛覆性的創新。

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5G有望在企業領域新興應用的可用性、可靠性和性能要求方面取得革命性的進步。ITU和NGMN等標準機構已經為5G提出了多個用例。每個用例在預期的數據速率、延遲、可靠性和可用性方面都有所不同。本文主要探討4G實現這些用例的缺點以及5G該如何滿足其要求。

5G使用場景

根據無線網絡的需求，5G用例主要分為三大類：

• 增強移動寬帶(eMBB)：這類場景需要5G蜂窩網絡來支持非常高的數據速率。ITU的5G性能指標顯示，5G的下行峰值數據速率為20 Gbps，上行的峰值數據速率為10 Gbps。在人口密集地區，預計吞吐量為10-100 Mbps/m2。
• 超可靠和低延遲通信(URLLC)：這類場景需要低延遲和高可靠性。對于低延遲應用(如AR/VR，V2X通信，eHealth服務)，5G網絡預計支持<1 ms的接入網延遲和<10 ms的端到端延遲。ITU進一步建議可靠性要> 99%(意味著數據包在99%的情況下需要在允許的延遲預算內到達目的地)，對于特定的部署場景和用例甚至要接近99.999%。
• 海量機器類通信(mMTC)：在這些場景中，5G將支持非常高的連接密度。智能城市、工業物聯網案例屬于這一類，它們有大量設備連接到網絡。ITU建議的5G目標為預計每公里處理1w-100w臺設備。

4G的不足，5G如何彌補

4G網絡無法滿足上述場景的性能要求：

• 4G網絡下行的峰值數據速率為1000 Mbps，上行的峰值數據速率為500 Mbps。這個數據速率不足以支持eMBB方案。5G網絡預計將使用比4G更寬的頻譜 - 5G NR mmWave運行接近30 GHz。更寬的信道帶寬和大規模MIMO使5G能夠在下行鏈路中達到20 Gbps的數據速率，上行鏈路能達到10 Gbps的數據速率。
• 多人游戲應用、工業機器人、自動駕駛汽車以及其他時間關鍵型應用需要快速響應 - 有時需要網絡延遲小于1毫秒，而4G網絡難以實現或根本無法實現。5G蜂窩技術是實現“邊緣計算”的關鍵技術，使計算能力(應用程序)更接近用戶，從而有助于減少網絡延遲。
• 上述每一類應用都需要不同的網絡特性。但從金錢上講，為它們每個建立單獨的物理網絡是不可行的。現有的QoS解決方案可以對給定網絡上不同類型的IP流量進行分類和管理，但也存在多方面的不足。例如，他們無法區別對待來自不同租戶的相同類型的流量。有時，需要為移動虛擬網絡運營商提供他們自己的虛擬基礎設施。簡而言之，需要將不同用例提供不同服務質量的用戶、設備和應用程序分開。5G網絡切片可以提供跨應用、跨服務和跨租戶的網絡分段。它提供了由共享和專用資源實例(包括網絡、計算和存儲容量資源、虛擬化網絡功能和無線資源)組成的邏輯自包含的網絡。

5G的關鍵原則

5G架構與其前代產品有很大不同。在延遲和可靠性方面，5G網絡將遵循以下關鍵原則，這對于實現預期的業務和性能目標至關重要：

• 用戶和控制面分離：這將使每個面能夠獨立擴展和靈活部署。可以根據需要進行資源分配。例如，需要高帶寬的應用，如視頻監控，可以擴展用戶平面功能;而物聯網應用可能需要更頻繁地擴展控制面功能;它還允許將一些功能獨立地移動到更靠近用戶的地方，同時保持其他功能集中在云中。
• 基于服務的架構(SBA)：5G核心網絡功能使用基于服務的接口進行交互。這些網絡功能中的每一個都向另一個網絡功能提供服務。服務由基于請求-響應或訂閱-通知模型的操作組成。使用SBA，其他現有功能或新功能如果有相同的操作可以直接復用。
• 無狀態網絡功能：5G網絡功能被設計為無狀態。將狀態與控件分離，允許控件在計算資源上運行，并且可以將狀態保存在單獨的存儲節點上。除了通過保持存儲節點的冗余來增強可靠性之外，這種無狀態還有助于動態實例化/擴展與5G網絡功能相對應的虛擬網絡功能。
• 能力暴露(capability exposure)：5G允許外部功能使用capability exposure功能與其核心網絡功能進行交互。此功能允許外部功能從5G核心檢索state/status/events，并將配置/策略傳遞到5G核心。這是多接入邊緣計算的關鍵推動因素。
• 本地和集中訪問：為了處理關鍵任務和低延遲應用程序，5G允許一個PDU會話具有多個面向數據網絡的用戶平面錨。這使得5G支持通過本地計算服務器(邊緣)以及集中式云服務器進行并發訪問。邊緣的計算能力大大減少了網絡延遲。

介紹5G

5G在很大程度上依賴于虛擬化，虛擬化在5G的靈活性和可擴展性要求中扮演著關鍵角色。在從4G到5G的過渡中，4G EPC功能已經模塊化，形成多個5G核心網絡功能，重新構建為云原生應用。以下是一些例子：

(1) 4G移動管理實體(MME)功能分為5G接入和移動管理功能(AMF)、會話管理功能(SMF)和認證服務功能(AUSF)：

• AMF處理UE注冊和移動管理
• SMF處理PDU會話管理
• AUSF基于來自統一數據管理(存儲UE訂閱數據和用戶上下文)的認證向量來處理UE認證部分。

(2) 4G S-GW和P-GW分為會話管理功能(SMF)和用戶平面功能(UPF)：

• SMF處理UE IP地址分配和UPF選擇
• UPF充當PDU會話錨 - 它負責分組路由、QoS實施和計費功能

下圖給出了4G EPC功能到5G核心網絡功能的高級映射。

以下是新推出的5G核心功能：

• Network Slice Selection Function(NSSF)：NSSF有助于設置RAN、核心和傳輸網絡的多個虛擬網絡片段，以滿足特定的服務需求。
• Network Exposure Function(NEF)：這是外部網絡實體用于與5G核心網絡接口的能力暴露功能。
• Network Repository Function(NRF)：它支持基于5G服務的架構，充當由不同網絡功能提供的所有服務的存儲庫。

為了支持5G的高數據速率和低延遲需求，對接入網和前端網絡進行了改造。在接入側，4G eNodeB(eNB)現在被稱為5G gNB(下一代節點B)；

為了支持5G的高數據速率和低延遲需求，對接入網和前端網絡進行了改造。在接入側，4G eNodeB(eNB)現在被稱為5G gNB(下一代節點B)：

• gNB分為兩部分：gNB集中單元(gNB-CU)和gNB分布單元(gNB-DU)。兩者都使用基于以太網的IP中間網絡相互連接。
• 一般來說，gNB-CU是虛擬化的，運行在虛擬化核心或虛擬化邊緣的環境中。
• gNB-DU可以與無線頭集成，也可以虛擬化并在邊緣或云上運行。

結論

5G正在醫療、智能城市、互聯設備，工業物聯網等多個市場開辟新的商機。每個5G用例在數據速率、延遲、連接密度和可靠性方面的要求各不相同。5G的虛擬化接入和核心網絡、模塊化網絡功能和各種部署選項將積極幫助實現這些多元化市場的apt蜂窩連接。

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