浅谈5G网络及其应用_谈谈5g最热门的应用,或者结合你的物联网知识

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2018年8月27日，中国互联网领袖安全峰会CSS在北京召开，作为一名本科大二小菜鸟的我有幸能通过CSDN的通知抢到免费的门票并参加了此次安全峰会。
邬贺铨院士在此次会议上向我们详细的介绍了5G网络的架构和未来。我回到学校后整理了一下相关资料，做了一下知识点的总结梳理。

一、5G网络和4G、3G等等有什么不同，会给我们带来哪些改变？

1、5G技术与4G最大的不同就是网速:

1G网络使用频分多址技术FDMA

在频域上把不同的信号搬移到不同的频带，不同信号之间互不重叠。

2G网络使用时分多址技术TDMA

在时域上把时间分割成不同的帧，帧内划分成不同的时隙，分配给不同的信号，这些信号在时域互不重叠。峰值速率可达200kbps。

3G网络采用码分多址技术CDMA

通过不同编码序列来区分不同用户，即不同的波形。从频域、时域看都是相互重叠的。以扩频技术为基础，拥有抗干扰、抗多径衰落、保密性好的特点。峰值速率可达2Mbps。

4G采用在正交频多址OFDM（OFDM—Orthogonal Frequency Division Multiplexing）

将信道划分为多个正交子信道，各个子信道使用不同的子载波进行调制，各子载波并行传输，从而能有效地抑制无线信道的时延所带来的符号间干扰（ISI)。峰值速率为100Mbps。

5G控制信道eMBB的多址技术为上下行CP-OFDM（Cycle prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing）

传输方式为MIMO，具有高吞吐量。CP是OFDM在计算出快速傅里叶逆变换后的样值后，前面加循环前缀，可以抑制因多径效应而产生的时延扩展，消除码间干扰ISI。循环前缀还可以让线性卷积变为循环卷积，大大减小信号处理复杂度。没有PFT预变换，移动通信峰值速率可达20Gbps！

2、5G网络不仅传输速率更高，而且在传输中呈现出低时延、高可靠、低功耗的特点；

低功耗能更好地支持未来的物联网应用，低时延、高可靠可以满足车联网的需求，车联网要求空口时延低至1ms，而传统的认证和加密流程等协议未考虑超高可靠低时延的通信场景。

3、5G网络应用的范围极广，面对的安全挑战也越多：

如果说1G面向个人通信，5G则面向产业和社会的管理应用。相比于现在的相对封闭的移动通信系统来说，5G网络如果在开放授权过程中出现信任问题，那么恶意第三方将通过获得的网络操控能力对网络发起攻击，APT攻击、DDOS、Worm恶意软件攻击规模更大且更频繁。

4、 5G的应用场景主要有以下几点：

1）连续广区域覆盖：

保证用户在高速移动和边缘地区时能得到连续高速的网路信号提供100Mbps以上的用户体验速率。

2）高速率高密度：

满足办公区域等局部区域的热点高容量需求；

3）低功耗大连接：

多种物联网设备海量连入，要满足物联网的低功耗要求。

4）低时延高可靠：

主要为了满足车联网、工业控制和自动驾驶的需求。

二、5G网络中关键技术、核心词汇的浅谈理解：

1、无定型小区：

由于高频和高带宽，若使用高功率的宏站则布设成极高，但采用大量微站那么干扰严重、难以进行站点选址优化，解决方案是：

1）宏微蜂窝混合组网：

宏蜂窝负责广覆盖，支持高优先级和高QOS要求的用户；
微蜂窝小区用低功率站点实现热点覆盖，消除宏蜂窝中的“盲点”，将它安置在宏蜂窝的“热点”上，可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。

2）控制面与数据面分离组网：

控制面与数据面分离，终端在微站间切换不影响宏站信令负荷，实现对覆盖和容量的分别优化。
小区分簇化集中控制，联合优化配置，解决小区间干扰协调和负载均衡问题。

3）上下行解耦异构组网：

2、接入的身份认证：

当移动用户首次附着于网络时，3G/4G终端的长期身份标识（IMSI）会直接以明文的形式在信道中传输，用户身份被公开。5G在USIM卡增加运营商设定的公匙，该公匙直接将用户的SUPI（IMSI）加密为SUCI，网络用私钥来解密，从而保护用户身份不被窃听攻击。3GPP在TR33.899中给出了推荐的SUCI加密方案。

3、构筑未来5G网络架构的基石——SDN（软件定义网）与NFV（网络功能虚拟化）：

当前的核心网EPC存在耦合缺陷：控制平面和用户平面的耦合、硬件和软件的耦合。

EPC四大组件及功能：
MME：移动管理实体，负责网络连通性的管理，主要包括用户终端的认证和授权、会话建立以及移动性管理；
HSS：归属用户服务器，作为用户数据集为MME提供用户相关的数据，以此来协助MME的管理工作；
SGW：服务网关，负责数据包路由和转发，将接收到的用户数据转发给指定的PGW，并将返回的数据交付给eNB；
PGW：PDN网关，负责为接入的用户分配IP地址以及进行用户平面QoS的管理，并且是PND网络的进入点。
从图中的虚线和实线标记可以看出，MME仅承担控制面功能，但是SGW和PGW既承担大部分用户平面功能，又承担一部分控制平面功能，这就使得用户平面和控制平面严重耦合，从而限制了EPC的开放性和灵活性。另一方面，在这种架构下，很多网络元素必须运行于配备专用硬件的多个刀片式服务器上，这对于运营商来说是极大的开销，这样的传统架构为运营商部署网络带来成本和时间上的挑战；5G网络架构中引入了SDN（软件定义网络）和NFV（网络功能虚拟化）这两种技术来解决EPC存在的耦合问题。

1）SDN（Software Defined Network）：将用户平面和控制平面解耦

SDN技术是一种软件可编程的新型网络体系架构。它将网络设备的控制平面与转发平面分离，并将控制平面集中实现。在传统网络中，控制平面功能是分布式的运行在各个网络节点（如集线器、交换机、路由器等），因此如果要部署一个新的网络功能，就必须将所有网络设备进行升级，这极大地限制了网络创新。而SDN采取了集中式的控制平面和分布式的转发平面，两个平面相互分离，控制平面利用控制-转发通信接口对转发平面上的网络设备进行集中控制，并向上提供灵活的可编程能力。路由协议交换、路由表生成等路由功能均在统一的控制面完成。

2）NFV（Network Function Virtualization）：将EPC软件与硬件解耦

网络功能虚拟化。通过使用通用性硬件以及虚拟化技术，来承载很多功能的软件处理。从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，从古至今都有这么一个道理：对于外界物理实体的依赖性越强，越不利于自身的发展。对专用网络设备的依赖，将会导致我们在面对网络创新时的无能为力，这一点在现阶段的EPC中已经得到了印证。通过使用NFV可以减少甚至移除现有网络中部署的中间件，它能够让单一的物理平台运行于不同的应用程序。

4、网络业务切片：

网络切片很形象，就像把一整块面包切成片，不同的片抹上不同的酱；网络切片本质上就是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络，每一个虚拟网络根据不同的服务需求，比如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分，以灵活的应对不同的网络应用场景。就像我们的交通网络，各种各样的车行驶在一起肯定会让交通拥挤、陷入瘫痪，所以我们设置了专用车道：公交车专用通道、自行车专用通道、非机动车专用通道等等；5G网络主要将网络分为3类并根据需求提供不同的服务：

1）移动宽带：

面向4K/8K超高清视频、全息技术、增强现实/虚拟现实等应用，对网络带宽和速率要求较高。

2）大规模物联网：

海量的物联网传感器部署于测量、建筑、农业、物流、智慧城市、家庭等领域，这些传感器设备是非常密集的，规模庞大，且大部分是静止的，对时延和移动性要求不高。

3）关键任务型物联网：

主要应用于无人驾驶、车联网、自动工厂、远程医疗等领域，要求超低时延和高可靠性。
为此，我们根据不同的服务需求将物理网络切片成多个虚拟网络：智能手机切片网络、自动驾驶切片网络、大规模物联网切片网络等等…（实现网络切片，网络功能虚拟化是先决条件。网络采用NFV和SDN后，才能更容易执行切片。）

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