在特殊的使用场景下，5G是如何弥补4G不足的？

近年来，关于5G的话题只增不减，随着5G手机的陆续推出，很多人对于5G的认识可能还停留在网速的提升，事实上，5G的优势并不仅限于这一点，5G的到来可能会带来颠覆性的创新。

5G有望在企业领域新兴应用的可用性、可靠性和性能要求方面取得革命性的进步。ITU和NGMN等标准机构已经为5G提出了多个用例。每个用例在预期的数据速率、延迟、可靠性和可用性方面都有所不同。本文主要探讨4G实现这些用例的缺点以及5G该如何满足其要求。

5G使用场景

根据无线网络的需求，5G用例主要分为三大类：

1.增强移动宽带（eMBB）：这类场景需要5G蜂窝网络来支持非常高的数据速率。ITU的5G性能指标显示，5G的下行峰值数据速率为20 Gbps，上行的峰值数据速率为10 Gbps。在人口密集地区，预计吞吐量为10-100 Mbps/m2。

2.超可靠和低延迟通信（URLLC）：这类场景需要低延迟和高可靠性。对于低延迟应用（如AR/VR，V2X通信，eHealth服务），5G网络预计支持<1 ms的接入网延迟和<10 ms的端到端延迟。ITU进一步建议可靠性要> 99%（意味着数据包在99%的情况下需要在允许的延迟预算内到达目的地），对于特定的部署场景和用例甚至要接近99.999%。

3.海量机器类通信（mMTC）：在这些场景中，5G将支持非常高的连接密度。智能城市、工业物联网案例属于这一类，它们有大量设备连接到网络。ITU建议的5G目标为预计每公里处理1w-100w台设备。

4G的不足，5G如何弥补

4G网络无法满足上述场景的性能要求：

1.4G网络下行的峰值数据速率为1000 Mbps，上行的峰值数据速率为500 Mbps。这个数据速率不足以支持eMBB方案。5G网络预计将使用比4G更宽的频谱 - 5G NR mmWave运行接近30 GHz。更宽的信道带宽和大规模MIMO使5G能够在下行链路中达到20 Gbps的数据速率，上行链路能达到10 Gbps的数据速率。

2.多人游戏应用、工业机器人、自动驾驶汽车以及其他时间关键型应用需要快速响应 - 有时需要网络延迟小于1毫秒，而4G网络难以实现或根本无法实现。5G蜂窝技术是实现“边缘计算”的关键技术，使计算能力（应用程序）更接近用户，从而有助于减少网络延迟。

3.上述每一类应用都需要不同的网络特性。但从金钱上讲，为它们每个建立单独的物理网络是不可行的。现有的QoS解决方案可以对给定网络上不同类型的IP流量进行分类和管理，但也存在多方面的不足。例如，他们无法区别对待来自不同租户的相同类型的流量。有时，需要为移动虚拟网络运营商提供他们自己的虚拟基础设施。简而言之，需要将不同用例提供不同服务质量的用户、设备和应用程序分开。5G网络切片可以提供跨应用、跨服务和跨租户的网络分段。它提供了由共享和专用资源实例（包括网络、计算和存储容量资源、虚拟化网络功能和无线资源）组成的逻辑自包含的网络。

5G的关键原则

5G架构与其前代产品有很大不同。在延迟和可靠性方面，5G网络将遵循以下关键原则，这对于实现预期的业务和性能目标至关重要：

用户和控制面分离：这将使每个面能够独立扩展和灵活部署。可以根据需要进行资源分配。例如，需要高带宽的应用，如视频监控，可以扩展用户平面功能；而物联网应用可能需要更频繁地扩展控制面功能；它还允许将一些功能独立地移动到更靠近用户的地方，同时保持其他功能集中在云中。

基于服务的架构(SBA)：5G核心网络功能使用基于服务的接口进行交互。这些网络功能中的每一个都向另一个网络功能提供服务。服务由基于请求-响应或订阅-通知模型的操作组成。使用SBA，其他现有功能或新功能如果有相同的操作可以直接复用。

无状态网络功能：5G网络功能被设计为无状态。将状态与控件分离，允许控件在计算资源上运行，并且可以将状态保存在单独的存储节点上。除了通过保持存储节点的冗余来增强可靠性之外，这种无状态还有助于动态实例化/扩展与5G网络功能相对应的虚拟网络功能。

能力暴露（capability exposure）：5G允许外部功能使用capability exposure功能与其核心网络功能进行交互。此功能允许外部功能从5G核心检索state/status/events，并将配置/策略传递到5G核心。这是多接入边缘计算的关键推动因素。

本地和集中访问：为了处理关键任务和低延迟应用程序，5G允许一个PDU会话具有多个面向数据网络的用户平面锚。这使得5G支持通过本地计算服务器（边缘）以及集中式云服务器进行并发访问。边缘的计算能力大大减少了网络延迟。

介绍5G

5G在很大程度上依赖于虚拟化，虚拟化在5G的灵活性和可扩展性要求中扮演着关键角色。

在从4G到5G的过渡中，4G EPC功能已经模块化，形成多个5G核心网络功能，重新构建为云原生应用。以下是一些例子：

1、4G移动管理实体（MME）功能分为5G接入和移动管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）和认证服务功能（AUSF）：

AMF处理UE注册和移动管理

SMF处理PDU会话管理

AUSF基于来自统一数据管理（存储UE订阅数据和用户上下文）的认证向量来处理UE认证部分。

2、4G S-GW和P-GW分为会话管理功能（SMF）和用户平面功能（UPF）：

SMF处理UE IP地址分配和UPF选择

UPF充当PDU会话锚 - 它负责分组路由、QoS实施和计费功能

下图给出了4G EPC功能到5G核心网络功能的高级映射。

以下是新推出的5G核心功能：

1.Network Slice Selection Function（NSSF）：NSSF有助于设置RAN、核心和传输网络的多个虚拟网络片段，以满足特定的服务需求。

2.Network Exposure Function（NEF）：这是外部网络实体用于与5G核心网络接口的能力暴露功能。

3.Network Repository Function（NRF）：它支持基于5G服务的架构，充当由不同网络功能提供的所有服务的存储库。

为了支持5G的高数据速率和低延迟需求，对接入网和前端网络进行了改造。在接入侧，4G eNodeB（eNB）现在被称为5G gNB（下一代节点B）：

1、gNB分为两部分：gNB集中单元（gNB-CU）和gNB分布单元（gNB-DU）。两者都使用基于以太网的IP中间网络相互连接。

2、一般来说，gNB-CU是虚拟化的，运行在虚拟化核心或虚拟化边缘的环境中。

3、gNB-DU可以与无线头集成，也可以虚拟化并在边缘或云上运行。

结论

5G正在医疗、智能城市、互联设备，工业物联网等多个市场开辟新的商机。每个5G用例在数据速率、延迟、连接密度和可靠性方面的要求各不相同。

5G的虚拟化接入和核心网络、模块化网络功能和各种部署选项将积极帮助实现这些多元化市场的apt蜂窝连接。