1、移动通信移动通信第八章第八章 第五代移动通信系统第五代移动通信系统目录目录8.1 8.1 5G移动通信概述移动通信概述8.1.1 8.1.1 概述概述8.1.2 8.1.2 5G的应用场景的应用场景8.2.1 8.2.1 5G空口关键技术空口关键技术8.2 8.2 5G移动通信关键技术移动通信关键技术8.2.2 8.2.2 5G关键网络技术关键网络技术8.3 8.3 5G移动通信发展趋势移动通信发展趋势8.1.3 8.1.3 5G的技术需求的技术需求Mobile Communication Theory学习重点与要求学习重点与要求掌握掌握5G5G移动通信的三大应用场景和技术需求移动通信的三大应
2、用场景和技术需求掌握第五代移动通信的空口关键技术掌握第五代移动通信的空口关键技术掌握第五代移动通信的网络关键技术掌握第五代移动通信的网络关键技术了解未来无线移动通信技术的发展趋势了解未来无线移动通信技术的发展趋势8.1.1 5G移动通信概述移动通信概述3GPP将在将在R15阶段完成阶段完成5G标准工作标准工作制定制定ITU提出工作计划，预计于提出工作计划，预计于2020年年底完成标准制定底完成标准制定4G网络进入大规模商用，网络进入大规模商用，5G成为成为全球研发的热点全球研发的热点世界主要各国均开展世界主要各国均开展5G相关项目相关项目8.1.2 5G应用场景应用场景p 5G移动通信网络最大
3、的特点是能够同时满足三个场景移动通信网络最大的特点是能够同时满足三个场景的通信需求的通信需求增强型移动宽带（增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband,eMBBEnhanced Mobile Broadband,eMBB）场景）场景海量机器通信（海量机器通信（Massive Machine Type Communications,mMTCMassive Machine Type Communications,mMTC）场景）场景超高可靠、低时延通信（超高可靠、低时延通信（Ultra Reliable and Low Latency Ultra Reliable and
4、Low Latency Communications,uRLLCCommunications,uRLLC）场景）场景8.1.2 5G应用场景应用场景增强型移动宽带（增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband,Enhanced Mobile Broadband,eMBBeMBB）场景）场景 5G在在eMBB中对移动宽带通信提出了更高的要求：中对移动宽带通信提出了更高的要求：既要满足连续广域覆盖，在满足用户移动性和业务连续性的前提下，既要满足连续广域覆盖，在满足用户移动性和业务连续性的前提下，无论用户静止还是高速移动、处于覆盖中心还是边缘，都能随时随地无论用户静止还是高速移
5、动、处于覆盖中心还是边缘，都能随时随地获得获得100Mbps以上的体验速度；以上的体验速度；又要满足热点地区高容量，面向室内外密集人群等热点区域，为用户又要满足热点地区高容量，面向室内外密集人群等热点区域，为用户提供提供1Gbps的极高数据传输速率，满足数十的极高数据传输速率，满足数十Tbps/平方公里的极高流平方公里的极高流量密度需求。量密度需求。eMBB包括以下各类场景及应用：包括以下各类场景及应用：VR/AR、4K/8K超高视频等更高速率、超高视频等更高速率、更高频谱效率的移动宽带业务。更高频谱效率的移动宽带业务。8.1.2 5G应用场景应用场景mMTCmMTC应用场景应用场景 mMTC
6、主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超密集连特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超密集连接的支持能力，满足每平方公里接的支持能力，满足每平方公里100万连接数密度的指标要求，而且还万连接数密度的指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。要保证终端的超低功耗和超低成本。mMTC的特点是低成本、低能耗、小数据量、大量连接数。的特点是低成
7、本、低能耗、小数据量、大量连接数。类场景及应用：智能抄表、智能农业、物流、追踪、车队管理等大规类场景及应用：智能抄表、智能农业、物流、追踪、车队管理等大规模物联网业务。模物联网业务。8.1.2 5G应用场景应用场景uRLLCuRLLC应用场景应用场景 uRLLC主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，对时主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近延和接近100%的业务可靠性保证。的业务可靠性保证。URLLC的特点是高可靠、低时延、极高的可用性。的
8、特点是高可靠、低时延、极高的可用性。场景及应用：工业应用和控制、无人驾驶、远程制造、远程培训、远场景及应用：工业应用和控制、无人驾驶、远程制造、远程培训、远程手术等需要低时延、高可靠连接的业务。程手术等需要低时延、高可靠连接的业务。8.1.3 5G技术需求技术需求p按照按照ITU的的要求，要求，5G移动通信系统需移动通信系统需支持如下关键支持如下关键能力能力指标：指标：20G bit/s的峰值的峰值速率速率；100M bit/s1G bit/s的用户体验的用户体验速率速率；每每平方公里平方公里100万的连接数万的连接数密度密度；1 ms的空口的空口时延时延；相对相对4G提升提升3到到5倍频谱倍
9、频谱效率、效率、100倍能效；倍能效；500 km/h的移动的移动性性；每每平方米平方米10 Mbit/s的流量密度的流量密度等。等。8.1.3 5G技术需求技术需求p5G面临面临的挑战和关键技术如的挑战和关键技术如表所示表所示第一第一个场景主要满足未来的移动互联网业务个场景主要满足未来的移动互联网业务需求；需求；后后两个场景主要面向物联网业务，是两个场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景。新拓展的场景。应用场景关键指标增强型移动宽带（eMBB）100Mbps用户体验速率峰值速率：数十Gbps流量密度：数十Tbps/km2海量机器通信（eMTC）连接数：106/km2超低功耗，超低成本超高
10、可靠低时延通信（uRLLC）空口时延：1ms端到端时延：ms数量级可靠性：接近100%8.1.3 5G技术需求技术需求p传统的移动通信系统重点关注用户峰值速率，而传统的移动通信系统重点关注用户峰值速率，而5G系统关键性能指标更加系统关键性能指标更加丰富丰富指标名称用户体验速率峰值速率流量密度连接数密度空口时延移动性能效频谱效率4G10Mbps 1Gbps0.1Gbps/km105/km210ms350km/h1倍1倍5G 100Mbps 20Gbps 10Gbps/km106/km21ms500km/h100倍提升（网络侧）3-5倍提升提升10倍20倍100倍10倍10倍1.43倍100倍3-
11、5倍8.2 5G移动通信关键技术移动通信关键技术空口技术空口技术网络技术网络技术 5G关键技术8.2.1 5G空口关键技术空口关键技术1.新型多址接入技术 多址接入技术是移动通信系统中满足多用户同时通信的重要手段，多址接入技术是移动通信系统中满足多用户同时通信的重要手段，然而然而4G 系系统的单链路性能已经接近理论容量统的单链路性能已经接近理论容量上限上限。以以SCMA、PDMA、MUSA、NOMA为代表的非正交的新型多址技术可以不为代表的非正交的新型多址技术可以不仅能提升系统频谱效率，还可以增加有限资源下的用户连接数，增加系统接仅能提升系统频谱效率，还可以增加有限资源下的用户连接数，增加系统
12、接入容量、降低延时。入容量、降低延时。Mobile Communication Theory（1）SCMA是一种基于码本的、频谱效率接近最优的新型非正交多址接入方案。是一种基于码本的、频谱效率接近最优的新型非正交多址接入方案。SCMA适合于小数据包、低功耗、低成本的物联网业务应用。适合于小数据包、低功耗、低成本的物联网业务应用。（2）PDMA是一种可以在功率域、码域、空域、频域和时域同时或选择性应用的新是一种可以在功率域、码域、空域、频域和时域同时或选择性应用的新型非正交多址接入方案。型非正交多址接入方案。PDMA适用于适用于5G中提升频谱效率和系统容量的连续广域覆中提升频谱效率和系统容量的连
13、续广域覆盖场景和热点高容量场景。盖场景和热点高容量场景。（3）MUSA是一种基于码域叠加的新型非正交多址接入方案。理论表明，是一种基于码域叠加的新型非正交多址接入方案。理论表明，MUSA可可将接入网络过载能力提升将接入网络过载能力提升300%以上，能服务以上，能服务5G海量连接和万物互联。海量连接和万物互联。（4）NOMA是在发送端采用非正交发送方法，主动引入干扰信息，在接收端通过串是在发送端采用非正交发送方法，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰消除接收机实现正确解调。对于低延时或低功耗的业务场景，可以更好地实现行干扰消除接收机实现正确解调。对于低延时或低功耗的业务场景，可以更好地实现免调
14、度竞争接入，实现低延时通信，并且减少射频开启时间，降低设备功耗。免调度竞争接入，实现低延时通信，并且减少射频开启时间，降低设备功耗。8.2.1 5G空口关键技术空口关键技术2.灵活双工 传统传统LTE系统中系统中 FDD 的固定成对频谱使用和的固定成对频谱使用和TDD 的固定上下行时的固定上下行时隙配比已经不能够有效支撑业务动态不对称特性。灵活双工充分考虑了隙配比已经不能够有效支撑业务动态不对称特性。灵活双工充分考虑了业务总量增长和上下行业务不对称特性，有机地将业务总量增长和上下行业务不对称特性，有机地将TDD、FDD 和全双工和全双工融合，根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提高系
15、统资融合，根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提高系统资源利用率，可用于低功率节点的微基站，也可以应用于低功率的中继节源利用率，可用于低功率节点的微基站，也可以应用于低功率的中继节点。点。Mobile Communication Theory8.2.1 5G空口关键技术空口关键技术3.大规模天线概述：概述：大规模天线技术（大规模天线技术（Massive MIMO）的基础是）的基础是MIMO技术。技术。3GPP Release10已经能够支持已经能够支持8个天线端口进行个天线端口进行传输传输，5G中中天线数目进一步天线数目进一步增加增加仍将是仍将是MIMO技术演进的重要方向。当技术演进
16、的重要方向。当MIMO系统中的发送端天线端口数目系统中的发送端天线端口数目增加到上百甚至更多是，就构成了大规模天线（增加到上百甚至更多是，就构成了大规模天线（Massive MIMO）系统）系统。基本原理：基本原理：当当基基站天线数远大站天线数远大于用户天线于用户天线数时数时，基站与各个用户的信道将趋于正交，基站与各个用户的信道将趋于正交。用户。用户间干扰将趋于零，间干扰将趋于零，巨大阵列增益能提升巨大阵列增益能提升每个用户的信噪比，从而每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源上支持更多用户传输能够在相同的时频资源上支持更多用户传输。基基站可以在三维空间形成具有高空间站可以在三维空间形成具有
17、高空间分辨的分辨的高增益窄细波束，提供灵活高增益窄细波束，提供灵活的空间复用能力，改善接收信号强度并更好地抑制用户间干扰，从而实的空间复用能力，改善接收信号强度并更好地抑制用户间干扰，从而实现更高的系统容量和频谱现更高的系统容量和频谱效率。效率。挑战：挑战：大规模天线的实用化，满足大规模天线在灵活部署、易于运维等大规模天线的实用化，满足大规模天线在灵活部署、易于运维等实际需求方面，仍面临许多挑战：天线的非理想特性实际需求方面，仍面临许多挑战：天线的非理想特性、信道信息的获取信道信息的获取、多多用户传输的挑战用户传输的挑战等等。Mobile Communication Theory8.2.1 5
18、G空口关键技术空口关键技术4.高频通信（6100GHz）面对面对5G数百亿级的设备连接数和更高速率和带宽的需求，现有无线通数百亿级的设备连接数和更高速率和带宽的需求，现有无线通信频谱资源愈加紧张，拥有更多频谱资源的信频谱资源愈加紧张，拥有更多频谱资源的6GHz以上的高频段越来越以上的高频段越来越受到重视，成为研究的受到重视，成为研究的热点热点。优点：优点：具有具有更加丰富的空闲频谱资源，可利用的频谱范围宽，传播方更加丰富的空闲频谱资源，可利用的频谱范围宽，传播方向性强，抗干扰性好，安全性向性强，抗干扰性好，安全性高高，频率频率复用性高复用性高。缺点：缺点：传播传播损耗较大，墙壁等损耗较大，墙壁
19、等障碍物衰减障碍物衰减很大，收发系统的频偏会较很大，收发系统的频偏会较大。同时由于高频段波长较小，所以元器件的尺寸就小，器件加工精大。同时由于高频段波长较小，所以元器件的尺寸就小，器件加工精度要求高。度要求高。Mobile Communication Theory8.2.2 5G网络关键技术网络关键技术总体设计总体设计:通过基础设施平台和网络构架两个方面的技术创新和协通过基础设施平台和网络构架两个方面的技术创新和协同发展，实现网络变革同发展，实现网络变革。新型基础设施平台将引入互联网和虚拟化技术，设计实现基于通用设新型基础设施平台将引入互联网和虚拟化技术，设计实现基于通用设施的新型基础设施平台
20、，关键技术是施的新型基础设施平台，关键技术是NFV和和SDN。新型的新型的5G网络架构包含接入、控制和转发三个功能平面。网络架构包含接入、控制和转发三个功能平面。Mobile Communication Theory1.新型网络架构8.2.2 5G网络关键技术网络关键技术2.超密集组网（UDN）概述：概述：超密集组网（超密集组网（Ultra dense network，UDN）将是满足）将是满足2020年以及未来移动数据流量需求的主要技术年以及未来移动数据流量需求的主要技术手段。手段。此项技术通过更加此项技术通过更加“密集化密集化”的无线网络基础设施部署获得更高的频率复用，从而在局部的无线网络
21、基础设施部署获得更高的频率复用，从而在局部热点区域实现百倍量级的系统容量热点区域实现百倍量级的系统容量提升。提升。挑战挑战：持续的网络密度提升将带来新的挑战，如：干扰、移动性持续的网络密度提升将带来新的挑战，如：干扰、移动性、回传资源、装置成本等。、回传资源、装置成本等。主要研究方向主要研究方向：接入和回传联合设计接入和回传联合设计：包括包括混合分层回传、多跳多路径的回传、自回混合分层回传、多跳多路径的回传、自回传技术和灵活回传技术。传技术和灵活回传技术。干扰管理和抑制技术干扰管理和抑制技术：基于基于接收机和基于接收机和基于发射机。发射机。小区虚拟化技术小区虚拟化技术：以用户为中心的虚拟化小区
22、技术、虚拟层技术和软以用户为中心的虚拟化小区技术、虚拟层技术和软扇区技术。扇区技术。Mobile Communication Theory8.2.2 5G网络关键技术网络关键技术3.软件定义网络(SDN)Mobile Communication TheorySDN的典型架构分为应用层、制层、数据转发层（转发层）三个层面。应用层包括各种不同的业务和应用，以及对应用的编排和资源管理控制层负责数据平面资源的处理，维护网络状态、网络拓扑等数据转发层则处理和转发基于流表的数据，以及收集设备状态控制面与转发面分离控制面集中化开放的可编程接口Mobile Communication Theory8.2.2
23、5G网络关键技术网络关键技术NFV 是从运营商角度出发提出的一种软件和硬件分离的架构，将虚拟化技术引入到电信领域，采用通用平台来完成专用平台的功能。NFV能实现软件的灵活加载，从而可以在数据中心、网络节点和用户端等不同位置灵活地部署配置，加快网络部署和调整的速度，降低业务部署的复杂度，提高网络设备的统一化、通用化、适配性等。4.网络供能虚拟化(NFV)8.2.2 5G网络关键技术网络关键技术5.网络切片Mobile Communication Theory网络切片是利用虚拟化技术将5G网络物理基础设施资源根据场景需求虚拟化为多个相互独立、平行的虚拟网络切片。每个网络切片按照业务场景的需要和话务
24、模型进行网络功能的定制裁剪和相应网络资源的编排管理。一个网络切片可以视为一个实例化的5G核心网架构，在一个网络切片内，运营商可以进一步对虚拟资源进行灵活的分割，按需创建子网络。8.3 5G移动通信发展趋势移动通信发展趋势Mobile Communication Theory5G来了挑战挑战发展趋势发展趋势挑战挑战 基于基于目前网络、终端、频率以及业务现状，要满足目前网络、终端、频率以及业务现状，要满足5G系统的愿景和系统的愿景和需求，会在频率、技术和运营方面带来了巨大挑战需求，会在频率、技术和运营方面带来了巨大挑战。Mobile Communication Theory 分配足够的频段支持业务
25、发展 灵活的频率使用和无线电规则的调整 提升空口效率 提高覆盖效率和业务能力 降低能耗 降低网络建设和运营成本 提高终端能力并降低功耗 盈利模式 运营模式发展趋势发展趋势演进演进:移移动动通信通信的用户换代需要一个长期的过程，预计到的用户换代需要一个长期的过程，预计到2020年，年，LTE及其演进系统将成为最主流的通信系统，及其演进系统将成为最主流的通信系统，LTE持续演进将是持续演进将是5G系系统的一个重要统的一个重要组成部分组成部分。创新创新：LTE及其演进系统在技术和网络等各方面优化空间有限及其演进系统在技术和网络等各方面优化空间有限，5G发展需要去追求突破性的技术，以满足更长远的未来需
26、求。发展需要去追求突破性的技术，以满足更长远的未来需求。目前目前看到的一些有潜力的创新方向包括看到的一些有潜力的创新方向包括：新：新的频率使用的频率使用方式方式、新新的空口传的空口传输输技术技术、新新的网络的网络架构架构。融合融合：面向面向2020年的年的5G时代将是一个泛技术的时代，各种技术融时代将是一个泛技术的时代，各种技术融合成为一种趋势。融合包括合成为一种趋势。融合包括3个层次的融合：多领域跨界融合、多系个层次的融合：多领域跨界融合、多系统融合、多统融合、多RAT/多层次多层次/多连接融合。多连接融合。Mobile Communication TheoryWireless Supports People Navigating
