《移动通信技术及应用（第二版）》 课件 第5章 第五代移动通信（5G）技术简介

第5章第五代移动通信（5G）技术简介《移动通信技术及应用》【本章导读】未来的5G网络将会为“大连接时代”的计算、存储、网络资源以及连接提供一个一体化的分布式平台。这一统一的连接架构可以提供更高的峰值速率、低至毫秒级的时延，以及更低的成本和更高的能效，这将对万物连接时代提供最有力的支撑。2G时代，大多为电脑和电脑的连接；3G/4G时代，开始向人与人之间的连接转变；到了5G时代，人与物、物与物将组成一个连接矩阵，每个人、每个物都会成为互联网上的一个节点，之间交互数据，形成一个大的数据网络。这将从根本上改变我们的生活方式，也将颠覆现阶段的生产方式。本章首先介绍了5G的发展现状、技术路线和网络架构，然后对5G的关键技术进行了较为详尽的阐述；最后介绍了5G的应用场景。【本章要点】什么是5G5G的网络架构5G的关键技术5G的应用场景《移动通信技术及应用》5.25G网络架构5.1什么是5G5.35G的关键技术5.45G的应用场景《移动通信技术及应用》5.1认识移动通信5.1.15G发展现状5G关键能力比前几代移动通信更加丰富，用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G的关键性能指标。然而，与以往只强调峰值速率的情况不同，业界普遍认为用户体验速率是5G最重要的性能指标，它真正体现了用户可获得的真实数据速率，也是与用户感受最密切的性能指标。基于5G主要场景的技术需求，如图5-2所示，5G用户体验速率应达到Gbps量级。5G总体愿景《移动通信技术及应用》5.1认识移动通信5.1.25G的技术路线从技术特征、标准演进和产业发展角度分析，白皮书认为，5G存在新空口和4G演进空口两条技术路线。新空口路线主要面向新场景和新频段进行全新的空口设计，不考虑与4G框架的兼容，通过新的技术方案设计和引入创新技术来满足4G演进路线无法满足的业务需求及挑战,特别是各种物联网场景及高频段需求。4G演进路线通过在现有4G框架的基础上引入增强型新技术，在保证兼容性的同时实现现有系统性能的进一步提升，在一定程度上满足5G场景与业务需求。《移动通信技术及应用》5.1认识移动通信5.1.35G网络架构5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。在无线技术领域，大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点；在网络技术领域，基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的新型网络架构已取得广泛共识。5G网络架构图《移动通信技术及应用》5.25G的关键技术5.2.1毫米波技术5G最显著的特点是高速，按规划速率会高达10～50Gbps，人均月流量大约有36TB，如此高的速率该靠什么资源来支撑呢？必须要靠更大的带宽！带宽用字母B来表示，它就好比是道路宽度，最大速率用C来表示，它就好比是道路的最大车流量。如图5-6所示。显然易见，4车道的最大车流量是2车道的2倍，8车道的是2车道的4倍，这非常好理解。增加车道数是提高最大车流量最直接有效的方法，同样地，提高速率的最直接有效的方法就是增加带宽。道路宽度与车流量《移动通信技术及应用》5.25G的关键技术5.2.2微基站技术假设一个场景，小区中心只立着一盏路灯，阴影面积当然会很大，而如果在小区里均匀设置很多路灯，阴影面积则会小得多了。所以说，将传统的宏基站变成站点更多密度更大的微基站，是解决毫米波“直线问题”的有效方法。这只是微基站的一个原由，还有一个更强大的原由。5G时代的入网设备数量会呈爆炸性的增长，单位面积内的入网设备可能会增至千倍，若延续以往的宏基站覆盖模式，即使基站的带宽再大也无力支撑。这个原由很好理解，以前的宏基站覆盖1000个上网用户，这些用户均分这个基站的速率资源，而进入5G时代后用户的速率要求高多了，一个基站的资源就远远不够分了，只能布设更多的基站。基站微型化则设布设密度会加大，为避免基站之间的频谱互扰，基站的辐射功率谱就会降低，同时手机的辐射功率也会降低，这有两个好外，一是功耗小了待机时间会增加，二是对人体的辐射会降低。微基站数量大幅度增加后，传统的铁塔和楼顶架设方式将会扩展，路灯杆、广告灯箱、楼宇内部的天花板，都会是微基站架设的理想地点。波长缩短到毫米波还会有什么影响呢？还会影响到手机天线的变化，这就是接下来的另一项技术——大规模MIMO技术。

《移动通信技术及应用》5.25G的关键技术5.2.4波束赋形技术中国主导的3G国际标准TD-SCDMA有六大技术特点，其中有一项就是智能天线，在基站上布设天线阵列，通过对射频信号相位的控制，使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄，并指向它所提供服务的手机，而且能跟据手机的移动而转变方向。由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务，这种新形式的无线电波束就不会干扰到其它方向的波束，从而可以在相同的空间中提供更多的通信链路，这种充分利用空间的无线电波束技术是一种空间复用技术，这种技术可以极大地提高基站的服务容量。

《移动通信技术及应用》5.25G的关键技术5.2.5同时同频双工技术全双工技术：同时、同频进行双向通信技术。现在由于技术限制，使用时分或频分方式区分，理论上浪费一半的无线资源。利用该技术，在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号。全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制，使得频谱资源的使用更加灵活。然而，全双工技术需要具备极高的干扰消除能力，这对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时还存在相邻小区同频干扰问题。在多天线及组网场景下，全双工技术的应用难度更大。如图5-10所示。灵活半双工可以分为频域方案和时域方案。频域方案通过调整每个载波的双工方向来实现上下行带宽的动态调整。时域方案通过改变每个子帧的双工方向来控制上下行资源比例。

同时同频双工技术《移动通信技术及应用》5.25G的关键技术5.2.6端到端通信（D2D）技术这是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术，它能够增加蜂窝通信系统频谱效率，降低终端发射功率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。传统的蜂窝通信系统的组网方式是以基站为中心实现小区覆盖，而基站及中继站无法移动，其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务不断增多，传统的以基站为中心的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。D2D技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。

《移动通信技术及应用》5.25G应用场景展望5.3.15G技术场景分析5G是面向2020年及未来的移动通信技术，5G究竟将满足人们怎样的应用需求？畅想未来，5G会拥有哪些主要技术场景？5G概念白皮书指出，连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠，是5G的四大主要技术场景。面向2020年及未来，移动互联网和物联网业务将成为移动通信发展的主要驱动力。5G将满足人们在居住、工作、休闲和交通等领域的多样化业务需求，即便在密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性特征的场景，也可以为用户提供超高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验。与此同时，5G还将渗透到物联网及各种行业领域，与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样化业务需求，实现真正的“万物互联”。5G应用场景如图5-11和图5-12所示。

图5-115G应用场景1图5-125G应用场景2《移动通信技术及应用》5.25G应用场景展望5.3.25G的应用展望1.5G与智能制造在工厂车间中绝大部分的基础设施将继续通过有线连接的同时，打造更智能的工厂、增加工人和支持工厂资产移动性可为大带宽和高安全性的无线解决方案创造机会，并可通过5G实现。5G关键业务型服务能为以下两个特定服务领域提供特定优势：实时闭环通信和免提设备监控。实时闭环通信可支持远程控制设备及制造流程，包括连接机器、机器人和移动设备以便实现整体设备效用（OEE）最大化。工人可利用5G支持的免提设备监控来监测机器和生产线绩效，同时出于安全和/或无菌目的保持免提操作。如果时延方面得到充分改善，工人也能利用可穿戴设备和手势控制进行远程操作。

《移动通信技术及应用》5.35G应用场景展望5.3.25G的应用展望2.5G与智慧农业5G将促进在耕作/农业中更多地使用联网传感器技术，其应用从基本的蓄水设施监控，到可监控土壤湿度和化学成分的专业传感器。过去几年联网传感器技术在耕作/农业中的使用已显著增加，部分原因在于低功耗广域网络（LPWAN）的价位降至具有吸引力水平，从而其提高普及度。其益处包括优化灌溉与施肥日程，以及优化生长和收割的排期。这有助于提高农场运营效率，减少体力劳动需求。此外，还可改善“从农场到市场”的报告和问责制度，提高消费透明度。如许多其他的用例一般，智能农业在严格意义上并非海量物联网用例。鉴于其在农业中拥有广泛的应用，IHSMarkit预计5G还将有许多不同的利用方式。其中包括利用5G关键业务型服务特性的自动化农业设备，以及利用5G增强型移动宽带功能并配备复杂摄像头和传感器套件的无人机用于实时监控作物和畜群。这些只是5G在农业活动效率与生产力方面预计提供的有形效益的诸多方式中的几个例子。《移动通信技术及应用》5.35G应用场景展望5.3.25G的应用展望3.5G与人工智能包括消费和商业应用的广义类别。基本假设是5G将用以支持全部形式的车对万物（V2X），从最初提供更成熟的先进驾驶辅助系统（ADAS）到最终实现完全自主的自动驾驶汽车。超低时延、高可靠性及普及易用等5G关键业务型服务特性对自动驾驶汽车市场的成功至关重要，而增强型移动宽带的特性也对许多数据密集但关键业务程度较低的活动很重要。这将包括能够接收和卸载大量地图绘制、传感器和容迟或非时间关键型数据。此外，到2035年，第5阶段具备完全自动驾驶功能的汽车将在发达国家中得到普及。由于这些汽车将无人工操作，所以能为乘客提供丰富媒体内容显得至关重要。《移动通信技术及应用》5.35G应用场景展望5.3.25G的应用展望3.5G与人工智能

包括消费和商业应用的广义类别。基本假设