《移動通信技術(shù)及應用（第二版）》 課件 第5章 第五代移動通信（5G）技術(shù)簡介

第5章第五代移動通信（5G）技術(shù)簡介《移動通信技術(shù)及應用》【本章導讀】未來的5G網(wǎng)絡將會為“大連接時代”的計算、存儲、網(wǎng)絡資源以及連接提供一個一體化的分布式平臺。這一統(tǒng)一的連接架構(gòu)可以提供更高的峰值速率、低至毫秒級的時延，以及更低的成本和更高的能效，這將對萬物連接時代提供最有力的支撐。2G時代，大多為電腦和電腦的連接；3G/4G時代，開始向人與人之間的連接轉(zhuǎn)變；到了5G時代，人與物、物與物將組成一個連接矩陣，每個人、每個物都會成為互聯(lián)網(wǎng)上的一個節(jié)點，之間交互數(shù)據(jù)，形成一個大的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。這將從根本上改變我們的生活方式，也將顛覆現(xiàn)階段的生產(chǎn)方式。本章首先介紹了5G的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)路線和網(wǎng)絡架構(gòu)，然后對5G的關(guān)鍵技術(shù)進行了較為詳盡的闡述；最后介紹了5G的應用場景?！颈菊乱c】什么是5G5G的網(wǎng)絡架構(gòu)5G的關(guān)鍵技術(shù)5G的應用場景《移動通信技術(shù)及應用》5.25G網(wǎng)絡架構(gòu)5.1什么是5G5.35G的關(guān)鍵技術(shù)5.45G的應用場景《移動通信技術(shù)及應用》5.1認識移動通信5.1.15G發(fā)展現(xiàn)狀5G關(guān)鍵能力比前幾代移動通信更加豐富，用戶體驗速率、連接數(shù)密度、端到端時延、峰值速率和移動性等都將成為5G的關(guān)鍵性能指標。然而，與以往只強調(diào)峰值速率的情況不同，業(yè)界普遍認為用戶體驗速率是5G最重要的性能指標，它真正體現(xiàn)了用戶可獲得的真實數(shù)據(jù)速率，也是與用戶感受最密切的性能指標?；?G主要場景的技術(shù)需求，如圖5-2所示，5G用戶體驗速率應達到Gbps量級。5G總體愿景《移動通信技術(shù)及應用》5.1認識移動通信5.1.25G的技術(shù)路線從技術(shù)特征、標準演進和產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度分析，白皮書認為，5G存在新空口和4G演進空口兩條技術(shù)路線。新空口路線主要面向新場景和新頻段進行全新的空口設計，不考慮與4G框架的兼容，通過新的技術(shù)方案設計和引入創(chuàng)新技術(shù)來滿足4G演進路線無法滿足的業(yè)務需求及挑戰(zhàn),特別是各種物聯(lián)網(wǎng)場景及高頻段需求。4G演進路線通過在現(xiàn)有4G框架的基礎(chǔ)上引入增強型新技術(shù)，在保證兼容性的同時實現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)性能的進一步提升，在一定程度上滿足5G場景與業(yè)務需求?！兑苿油ㄐ偶夹g(shù)及應用》5.1認識移動通信5.1.35G網(wǎng)絡架構(gòu)5G技術(shù)創(chuàng)新主要來源于無線技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)兩方面。在無線技術(shù)領(lǐng)域，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入等技術(shù)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點；在網(wǎng)絡技術(shù)領(lǐng)域，基于軟件定義網(wǎng)絡（SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）的新型網(wǎng)絡架構(gòu)已取得廣泛共識。5G網(wǎng)絡架構(gòu)圖《移動通信技術(shù)及應用》5.25G的關(guān)鍵技術(shù)5.2.1毫米波技術(shù)5G最顯著的特點是高速，按規(guī)劃速率會高達10～50Gbps，人均月流量大約有36TB，如此高的速率該靠什么資源來支撐呢？必須要靠更大的帶寬！帶寬用字母B來表示，它就好比是道路寬度，最大速率用C來表示，它就好比是道路的最大車流量。如圖5-6所示。顯然易見，4車道的最大車流量是2車道的2倍，8車道的是2車道的4倍，這非常好理解。增加車道數(shù)是提高最大車流量最直接有效的方法，同樣地，提高速率的最直接有效的方法就是增加帶寬。道路寬度與車流量《移動通信技術(shù)及應用》5.25G的關(guān)鍵技術(shù)5.2.2微基站技術(shù)假設一個場景，小區(qū)中心只立著一盞路燈，陰影面積當然會很大，而如果在小區(qū)里均勻設置很多路燈，陰影面積則會小得多了。所以說，將傳統(tǒng)的宏基站變成站點更多密度更大的微基站，是解決毫米波“直線問題”的有效方法。這只是微基站的一個原由，還有一個更強大的原由。5G時代的入網(wǎng)設備數(shù)量會呈爆炸性的增長，單位面積內(nèi)的入網(wǎng)設備可能會增至千倍，若延續(xù)以往的宏基站覆蓋模式，即使基站的帶寬再大也無力支撐。這個原由很好理解，以前的宏基站覆蓋1000個上網(wǎng)用戶，這些用戶均分這個基站的速率資源，而進入5G時代后用戶的速率要求高多了，一個基站的資源就遠遠不夠分了，只能布設更多的基站?；疚⑿突瘎t設布設密度會加大，為避免基站之間的頻譜互擾，基站的輻射功率譜就會降低，同時手機的輻射功率也會降低，這有兩個好外，一是功耗小了待機時間會增加，二是對人體的輻射會降低。微基站數(shù)量大幅度增加后，傳統(tǒng)的鐵塔和樓頂架設方式將會擴展，路燈桿、廣告燈箱、樓宇內(nèi)部的天花板，都會是微基站架設的理想地點。波長縮短到毫米波還會有什么影響呢？還會影響到手機天線的變化，這就是接下來的另一項技術(shù)——大規(guī)模MIMO技術(shù)。

《移動通信技術(shù)及應用》5.25G的關(guān)鍵技術(shù)5.2.4波束賦形技術(shù)中國主導的3G國際標準TD-SCDMA有六大技術(shù)特點，其中有一項就是智能天線，在基站上布設天線陣列，通過對射頻信號相位的控制，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務的手機，而且能跟據(jù)手機的移動而轉(zhuǎn)變方向。由全向的信號覆蓋變?yōu)榱司珳手赶蛐苑?，這種新形式的無線電波束就不會干擾到其它方向的波束，從而可以在相同的空間中提供更多的通信鏈路，這種充分利用空間的無線電波束技術(shù)是一種空間復用技術(shù)，這種技術(shù)可以極大地提高基站的服務容量。

《移動通信技術(shù)及應用》5.25G的關(guān)鍵技術(shù)5.2.5同時同頻雙工技術(shù)全雙工技術(shù)：同時、同頻進行雙向通信技術(shù)。現(xiàn)在由于技術(shù)限制，使用時分或頻分方式區(qū)分，理論上浪費一半的無線資源。利用該技術(shù)，在相同的頻譜上，通信的收發(fā)雙方同時發(fā)射和接收信號。全雙工技術(shù)能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制，使得頻譜資源的使用更加靈活。然而，全雙工技術(shù)需要具備極高的干擾消除能力，這對干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)，同時還存在相鄰小區(qū)同頻干擾問題。在多天線及組網(wǎng)場景下，全雙工技術(shù)的應用難度更大。如圖5-10所示。靈活半雙工可以分為頻域方案和時域方案。頻域方案通過調(diào)整每個載波的雙工方向來實現(xiàn)上下行帶寬的動態(tài)調(diào)整。時域方案通過改變每個子幀的雙工方向來控制上下行資源比例。

同時同頻雙工技術(shù)《移動通信技術(shù)及應用》5.25G的關(guān)鍵技術(shù)5.2.6端到端通信（D2D）技術(shù)這是一種在系統(tǒng)的控制下，允許終端之間通過復用小區(qū)資源直接進行通信的新型技術(shù)，它能夠增加蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，在一定程度上解決無線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問題。傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式是以基站為中心實現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中繼站無法移動，其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)在靈活度上有一定的限制。隨著無線多媒體業(yè)務不斷增多，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務提供方式已無法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務需求。D2D技術(shù)無需借助基站的幫助就能夠?qū)崿F(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展網(wǎng)絡連接和接入方式。由于短距離直接通信，信道質(zhì)量高，D2D能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時延和較低的功耗；通過廣泛分布的終端，能夠改善覆蓋，實現(xiàn)頻譜資源的高效利用；支持更靈活的網(wǎng)絡架構(gòu)和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡可靠性。

《移動通信技術(shù)及應用》5.25G應用場景展望5.3.15G技術(shù)場景分析5G是面向2020年及未來的移動通信技術(shù)，5G究竟將滿足人們怎樣的應用需求？暢想未來，5G會擁有哪些主要技術(shù)場景？5G概念白皮書指出，連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠，是5G的四大主要技術(shù)場景。面向2020年及未來，移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務將成為移動通信發(fā)展的主要驅(qū)動力。5G將滿足人們在居住、工作、休閑和交通等領(lǐng)域的多樣化業(yè)務需求，即便在密集住宅區(qū)、辦公室、體育場、露天集會、地鐵、快速路、高鐵和廣域覆蓋等具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動性特征的場景，也可以為用戶提供超高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務體驗。與此同時，5G還將滲透到物聯(lián)網(wǎng)及各種行業(yè)領(lǐng)域，與工業(yè)設施、醫(yī)療儀器、交通工具等深度融合，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務需求，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。5G應用場景如圖5-11和圖5-12所示。

圖5-115G應用場景1圖5-125G應用場景2《移動通信技術(shù)及應用》5.25G應用場景展望5.3.25G的應用展望1.5G與智能制造在工廠車間中絕大部分的基礎(chǔ)設施將繼續(xù)通過有線連接的同時，打造更智能的工廠、增加工人和支持工廠資產(chǎn)移動性可為大帶寬和高安全性的無線解決方案創(chuàng)造機會，并可通過5G實現(xiàn)。5G關(guān)鍵業(yè)務型服務能為以下兩個特定服務領(lǐng)域提供特定優(yōu)勢：實時閉環(huán)通信和免提設備監(jiān)控。實時閉環(huán)通信可支持遠程控制設備及制造流程，包括連接機器、機器人和移動設備以便實現(xiàn)整體設備效用（OEE）最大化。工人可利用5G支持的免提設備監(jiān)控來監(jiān)測機器和生產(chǎn)線績效，同時出于安全和/或無菌目的保持免提操作。如果時延方面得到充分改善，工人也能利用可穿戴設備和手勢控制進行遠程操作。

《移動通信技術(shù)及應用》5.35G應用場景展望5.3.25G的應用展望2.5G與智慧農(nóng)業(yè)5G將促進在耕作/農(nóng)業(yè)中更多地使用聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)，其應用從基本的蓄水設施監(jiān)控，到可監(jiān)控土壤濕度和化學成分的專業(yè)傳感器。過去幾年聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)在耕作/農(nóng)業(yè)中的使用已顯著增加，部分原因在于低功耗廣域網(wǎng)絡（LPWAN）的價位降至具有吸引力水平，從而其提高普及度。其益處包括優(yōu)化灌溉與施肥日程，以及優(yōu)化生長和收割的排期。這有助于提高農(nóng)場運營效率，減少體力勞動需求。此外，還可改善“從農(nóng)場到市場”的報告和問責制度，提高消費透明度。如許多其他的用例一般，智能農(nóng)業(yè)在嚴格意義上并非海量物聯(lián)網(wǎng)用例。鑒于其在農(nóng)業(yè)中擁有廣泛的應用，IHSMarkit預計5G還將有許多不同的利用方式。其中包括利用5G關(guān)鍵業(yè)務型服務特性的自動化農(nóng)業(yè)設備，以及利用5G增強型移動寬帶功能并配備復雜攝像頭和傳感器套件的無人機用于實時監(jiān)控作物和畜群。這些只是5G在農(nóng)業(yè)活動效率與生產(chǎn)力方面預計提供的有形效益的諸多方式中的幾個例子?！兑苿油ㄐ偶夹g(shù)及應用》5.35G應用場景展望5.3.25G的應用展望3.5G與人工智能包括消費和商業(yè)應用的廣義類別?；炯僭O是5G將用以支持全部形式的車對萬物（V2X），從最初提供更成熟的先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）到最終實現(xiàn)完全自主的自動駕駛汽車。超低時延、高可靠性及普及易用等5G關(guān)鍵業(yè)務型服務特性對自動駕駛汽車市場的成功至關(guān)重要，而增強型移動寬帶的特性也對許多數(shù)據(jù)密集但關(guān)鍵業(yè)務程度較低的活動很重要。這將包括能夠接收和卸載大量地圖繪制、傳感器和容遲或非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)。此外，到2035年，第5階段具備完全自動駕駛功能的汽車將在發(fā)達國家中得到普及。由于這些汽車將無人工操作，所以能為乘客提供豐富媒體內(nèi)容顯得至關(guān)重要?！兑苿油ㄐ偶夹g(shù)及應用》5.35G應用場景展望5.3.25G的應用展望3.5G與人工智能

包括消費和商業(yè)應用的廣義類別?；炯僭O