网络分流器－网络分流器－5G的关键技术第一篇

Posted 2021-01-21

戎腾网络分流器是网络安全领域重要的基础装备！一般网安和信安行业称之为旁路设备、探针、镜像、流量×××、网络分流器等！ 随时时代的发展，5G也越来越临近，今天网络分流器来讲讲5G的此许关键技术，希望对您有些启示和帮助！

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按照3GPP的定义，5G具备高性能、低延迟与高容量特性，而这些优点主要体现在毫米波、小基站、Massive MIMO、全双工以及波束成形这五大技术。

其中Massive MIMO和波束成形紧密相关。

1、毫米波

无线传输增加传输速率一般有两种方法，一是增加频谱利用率，二是增加频谱带宽。

5G使用毫米波（26.5～300GHz）就是通过第二种方法来提升速率，以28GHz频段为例，其可用频谱带宽达到了1GHz，而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则为2GHz。

毫米波最大的缺点就是穿透力差、衰减大，因此要让毫米波频段下的5G通信在高楼林立的环境下传输并不容易，而小基站将解决这一问题。

2、小基站

ATCA高密度核心网采集器
最大支持480个10G和76个100G 当前最新型的正交架构最大支持256个100G和72*16个10G
戎腾也在积极探索和紧跟潮流研究相关的5G通信时代标准，以备随时跟进研发生产网络分流器

毫米波的频率很高，波长很短，这就意味着其天线尺寸可以做得很小，这是部署小基站的基础。

未来5G移动通信将不再依赖大型基站的布建架构，大量的小型基站将成为新的趋势，它可以覆盖大基站无法触及的末梢通信。

因为体积的大幅缩小，我们设置可以在250米左右部署一个小基站。

这样排列下来，运营商可以在每个城市中部署数千个小基站以形成密集网络，每个基站可以从其它基站接收信号并向任何位置的用户发送数据。

小基站不仅在规模上要远远小于大基站，功耗上也大大缩小了。

3、Massive MIMO

除了通过毫米波广播之外，5G基站还将拥有比现在蜂窝网络基站多得多的天线，也就是Massive MIMO技术。

重点讲此段：

前言

这是最好的时代，也是最坏的时代。
生活在科技大爆发的时代里，你是否感觉到一丝庆幸? 虚拟现实、自动驾驶，无数令人血脉偾张的新型应用正在井喷式地爆发，模糊了虚拟和现实的边界，并深刻地改变着我们触碰和认知世界的方式。
而这，对于通信人而言却是一场艰苦卓绝的战斗。
众所周知，无线通信依托于电磁波传播，最宝贵的资源莫过于频带。为防止移动通信网、无线电视、广播、军用频段等的相互干扰，每个国家都对无线频段的使用做出了严格的划分。根据电磁波在空气中传播的特性，6G赫兹以下频段因其在空气中衰减小、穿透力强等优点，被视为优质频带资源，很多依托无线电的应用都集中在这一频段资源上，因此无比拥挤。
另一方面，用户对移动通信网的数据需求正呈现爆发性的增长，特别是需要实时传输大量数据的无线应用，如视频直播、高清电话会议、虚拟现实游戏等，对网络容量是严峻的考验。而“关键型任务机器通信” (mission-critical machine type communication) 又对通信的可靠性和时延提出了极为苛刻的要求，此类应用包括工业自动化、车辆通信等。1000倍于4G LTE系统的网络容量和1毫秒极低时延已逐渐成为业界对下一代无线通信网要求的共识。
面对强烈需求，背靠紧缺资源，如何满足科技爆发时代最底层速率的需求，为社会架起一条高速信息管道? “5G”正在给出答案。5G (Fifth Generation)，即第五代无线通信系统，是在走过模拟通信、第二代、第三代和正在经历的第四代LTE系统之后，通信人正在攀登的另一座高峰。
一个体系的革新换代，其中必包含了无数的创新点，5G也是如此。笔者将与你分享其间的一项关键技术， 大规模天线阵列。它的应用不单可以大幅度提升网络容量和用户体验，也将对通信行业产成深远的影响，1分钟下载一部高清电影的时代已经离我们不远了。

波束成型

理解大规模天线首先需要了解波束成形技术。

传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播，而在波束成形技术中，基站端拥有多根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。

从基站方面看，这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造，因此称为”波束成形” (Beamforming)。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户的移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。打个比方，传统通信就像灯泡，照亮整个房间，而波速成形就像手电筒，光亮可以智能地汇集到目标位置上。

在实际应用中，多天线的基站也可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减少各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波，是大规模天线的基础所在。

大规模天线阵列

大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置几百根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号。这种对空间资源的充分挖掘，可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源，并且几十倍地提升网络容量。

下图是美国莱斯大学的大规模天线阵列原型机中看到由64个小天线组成的天线阵列，这很好地展示了大规模天线系统的雏形。（图省略）

戎腾网络分流器48个10G和4个100G

大规模天线阵列的优势

大规模天线并不只是简单地扩增天线数量，因为量变可以引起质变。依据大数定理和中心极限定理，样本数趋向于无穷，均值趋向于期望值，而独立随机变量的均值分布趋向于正态分布。随机变量趋于稳定，这正是“大”的美。
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。
大规模天线有哪些好处?
第一，当然是大幅度提高网络容量。
第二，因为有一堆天线同时发力，由波速成形形成的信号叠加增益将使得每根天线只需以小功率发射信号，从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器，减少了硬件成本。
第三，大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。传统通信系统为了对抗信道的深度衰落，需要使用信道编码和交织器，将由深度衰落引起的连续突发错误分散到各个不同的时间段上（交织器的目的即将不同时间段的信号揉杂, 从而分散某一短时间内的连续错误），而这种揉杂过程导致接收机需完整接受所有数据才能获得信息，造成时延。在大规模天线下，得益于大数定理而产生的衰落消失，信道变得良好，对抗深度衰弱的过程可以大大简化，因此时延也可以大幅降低。
值得一提的是，与大规模天线形成完美匹配的是5G的另一项关键技术——毫米波。毫米波拥有丰富的带宽，可是衰减强烈，而大规模天线的波束成形正好补足了其短板。

瓶颈问题 {网络分流器}

首先，想要发挥所有天线的潜力，基站端需要精确的信道信息，直观理解即需事先知道不同目标客户的位置。如何将与用户间的这一信道信息精准地告诉每一根天线是一件很棘手的事情。
传统通信系统通过手机监测基站发送的导频 (导频，即基站和手机端共同知晓的一段序列)，估计其信道并反馈给基站的做法在大规模天线中并不可行，因为基站天线数量众多，手机在向基站反馈时所需消耗的上行链路资源过于庞大。 目前，最可行的方案是基于时分双工(TDD)的上行和下行链路的信道对称性，即通过手机向基站发送导频，在基站端监测上行链路，基于信道对称性，推断基站到手机端的下行链路信息。
其次，为了获得上行链路信息，手机终端需向基站发送导频，可是导频数量总是有限的，这样不可避免地需要在不同小区复用，从而会导致导频干扰。 理论推导表明，导频干扰是限制大规模天线一剑破天的最终屏障。
另外，很多大规模天线波束成形的算法基于矩阵求逆运算，其复杂度随天线数量和其同时服务的用户数量上升而快速增加，导致硬件不能实时完成波束成形算法。 快速矩阵求逆算法是攻克这一难题的一条途径。
为了克服这些挑战，世界顶尖的研究机构和各大设备商正加紧原型机的研发。除了上面提到的美国莱斯大学的Argos原型机外，还有三星毫米波大规模天线原型机、瑞典隆德大学LuMaMi原型机、欧洲电信研究院（Eurecom）Open Air Interface大规模天线原型机、英国布里斯托大学原型机等。

现有的4G基站只有十几根天线，但5G基站可以支持上百根天线，这些天线可以通过Massive MIMO技术形成大规模天线阵列。

这就意味着基站可以同时从更多用户发送和接收信号，从而将移动网络的容量提升数十倍倍或更大。

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的意思是多输入多输出，实际上这种技术已经在一些4G基站上得到了应用。

但到目前为止，Massive MIMO仅在实验室和几个现场试验中进行了测试。

隆德大学教授Ove Edfors曾指出，“Massive MIMO开启了无线通讯的新方向——当传统系统使用时域或频域为不同用户之间实现资源共享时，Massive MIMO则导入了空间域(spatial domain)的途径，其方式是在基地台采用大量的天线以及为其进行同步处理，如此则可同时在频谱效益与能源效率方面取得几十倍的增益。”

4、波束 成 型

Massive MIMO是5G能否实现商用的关键技术，但是多天线也势必会带来更多的干扰，而波束成形就是解决这一问题的关键。

Massive MIMO的主要挑战是减少干扰，但正是因为Massive MIMO技术每个天线阵列集成了更多的天线，如果能有效地控制这些天线，让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强，就可以形成一个很窄的波束，而不是全向发射，有限的能量都集中在特定方向上进行传输，不仅传输距离更远了，而且还避免了信号的干扰，这种将无线信号（电磁波）按特定方向传播的技术叫做波束成形(beamforming)。

这一技术的优势不仅如此，它可以提升频谱利用率，通过这一技术我们可以同时从多个天线发送更多信息；

在大规模天线基站，我们甚至可以通过信号处理算法来计算出信号的传输的最佳路径，并且最终移动终端的位置。

因此，波束成形可以解决毫米波信号被障碍物阻挡以及远距离衰减的问题。

5、全双工技术

全双工技术是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作，使得通信两端在上、下行可以在相同时间使用相同的频率，突破了现有的频分双工（FDD）和时分双工（TDD）模式，这是通信节点实现双向通信的关键之一，也是5G所需的高吞吐量和低延迟的关键技术。

在同一信道上同时接收和发送，这无疑大大提升了频谱效率。但是5G要使用这一颠覆性技术也面临着不小的挑战，根据《移动通信》之前发布的资料显示，主要有以下三大挑战：（1）电路板件设计，自干扰消除电路需满足宽频（大于100MHZ）和多MIMO（多于32天线）的条件，且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。（2）物理层、MAC层的优化设计问题，比如编码、调制、同步、检测、侦听、冲突避免、ACK等，尤其是针对MIMO的物理层优化。（3）对全双工和半双工之间动态切换的控制面优化，以及对现有帧结构和控制信令的优化问题。

网络分流器作用于整个网络安全领域网络监管前端，对整个网络安全启到至关重要的作用！