现代接入网技术 课件 第9章广域网接入技术

第9章广域网接入技术

概述5G接入技术NB-IoT9.1概述宽带无线接入是信息和通信技术（InformationandCommunicationTechnology，ICT）领域的一个非常重要的分支，它能够有效地利用无线频率资源为用户提供方便、快捷的高速无线数据服务。宽带无线接入技术是推动移动互联网及智能终端爆发式增长的关键驱动力，而移动互联网及智能终端的快速发展也会推动宽带无线接入技术的快速发展。

经过几十年的飞速发展，移动通信已发展成应用最普及的信息通信技术，全球渗透率接近100%。目前，移动通信已经融入社会生活的每个角落，深刻地改变了人们的沟通、交流乃至生活方式。与此同时，全球移动通信产业也突飞猛进，不仅创造出数万亿元规模的市场规模，还推动了移动互联网和智能终端的飞速发展，成为推动国民经济发展和提高社会信息化水平的重要引擎。9.1.1国际移动通信发展历程移动通信领域一直保持着每10年出现新一代技术的规律。从1979年第一台模拟蜂窝移动电话系统试验成功至今，移动通信已经经历了5个时代，每一代移动通信系统的诞生都有其特定应用需求，并且不断采用创新技术推动整体性能的快速提升。第1代移动通信（1G）出现在20世纪80年代，首次采用蜂窝组网方式，能够为用户提供模拟语音业务，但其业务能力和系统容量都十分有限，而且价格昂贵。大约10年之后，第2代移动通信（2G）诞生，2G首次采用了数字移动通信技术，不仅能够提供高质量的移动通话，而且能够同时支持短信息和低速数据业务，并使得移动通信成本大幅下降，成为普通老百姓用得起的技术。2000年左右，在互联网浪潮的推动下，第3代移动通信（3G）应运而生，3G的数据传输速率可达2Mbit/s至数十Mbit/s，能够支持视频电话等移动多媒体业务。此后，随着移动互联网和智能终端的爆发式增长，3G的传输能力越来越不能满足需求。2010年左右，第4代移动通信（4G/LTE）技术出现，其峰值数据传输速率可达100Mbit/s，能够支持各种移动宽带数据业务，可以较好地满足移动互联网发展的需求。2015年6月，ITU正式确定了5G名称、场景和时间表；WRC15会议则讨论并归纳了可能的频谱资源；3GPP也于2015年年底启动了5G的标准化工作，并在2018年完成了第一个正式版本的独立组网5G标准（3GPPR15）。5G是面向新的移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，5G系统的最大改变就是可实现人与物、物与物之间的通信。

9.1.2我国移动通信发展情况2019年6月6日，工业和信息化部正式发放5G商用牌照，标志着我国正式进入5G时代。我国要力争在5G的国际标准化领域发挥主导作用，从5G设备、芯片、解决方案、终端等5G基础技术开发，到汽车及铁路等移动领域的应用，展示了综合性的愿景。在标准化方面，国内企业在国际移动通信标准化组织3GPP（3rdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）中已具备较高的话语权，主导了TD-SCDMA和TD-LTE的标准化。在2017年12月初，由我国通信企业牵头设计的面向5G独立组网标准（SA）的5G系统架构和流程标准制定完成，这标志着全面实现5G目标的新架构确定。2017年12月底，3GPP的非独立组网标准被冻结。在5G标准制定过程中，中国人在标准化组织中担任的关键职位有30余个，投票权超过23%，文稿数量占30%，牵头项目占40%，我国5G标准话语权得到提升。在产业化方面，我国已建立具有国际竞争力的完整移动通信产业链。在系统设备方面，华为和中兴通讯已排名全球第一和第四，大唐和烽火公司（烽火通信科技股份有限公司）重新组建后成为全球排名第五的系统设备商；华为、小米（小米科技有限责任公司）、OPPO（OPPO广东移动通信有限公司）、vivo（vivo隶属于广东步步高电子工业有限公司）等7家国内终端企业已进入全球前十；海思（海思半导体有限公司）、展讯（展讯通信有限公司）等在移动芯片方面也已进入世界前列。

9.1.3NB-IoT出现随着智能城市、大数据时代的来临，无线通信将实现万物连接。很多企业预计未来全球物联网连接数将是千亿级的时代。目前，已经出现了大量物与物的互联，然而这些互联大多通过蓝牙、Wi-Fi等短距离通信技术实现，并非通过运营商移动通信网络。为了满足不同的物联网业务需求，根据物联网的业务特征和移动通信网络的特点，3GPP根据窄带业务应用场景开展了增强移动通信网络功能的技术研究，以适应蓬勃发展的物联网业务需求。我们正进入万物互联的时代，这对于整个移动通信产业来说是一个巨大的机会，这一点在2016年的世界移动大会上展露无遗。无论是运营商，还是设备商巨头，都纷纷展示了完整的物联网解决方案和在不同垂直行业的应用。

9.25G接入技术4G接入技术的速率虽然比3G更快，但现阶段的速率提升不过19倍左右，应用模式也没有根本性的变化，其实并没有给用户带来太深刻的感受。但是，5G的综合性性能将会比4G提升千倍，在这种超高速移动通信网咯的支撑下，将会诞生许多全新的应用，会彻底改变移动互联网的生态，将是移动通信的一场革命。5G的数据传输速率将高达10Gbit/s，5G的入网设备将会大幅度增多，“万物互联”会成为5G的时代特征。智能家居、智能汽车、智能交通等，智能移动互联网将彻底改变我们的生活方式。5G的最大特点并不是网速的进步，而是移动互联网、智能传感器、大数据技术三者结合产生的爆炸效应，这将是对传统工业和互联网的一次颠覆性革命。5G的关键技术

1．毫米波技术毫米波常用在雷达和卫星领域中，一般不用于移动通信领域，其主要原因是随着波长的变短，无线电波传播的直线性会增强。2．微基站技术基站微型化会使设备密度增大，为避免产生基站之间的频谱互扰现象，基站的辐射功率应降低。这会使得手机的远近效应不再明显，手机开机时的功率控制步骤会简化，而且手机的辐射功率也会减小，在相同能量的情况下，待机时间会延长。3.大规模MIMO大规模MIMO其实就是基站与手机之间有多路信道并行通信，每队天线都独立传送一路消息，经汇集后可成倍的提高速率。4．波束赋形技术充分利用空间的无线电波束赋形技术是一种空间复用技术，可以大幅增大基站的服务容量。5．同时同频全双工技术它通过对收发信号进行处理，可使双工通信建立在同时同频的基础上，理论上信道容量可以增大为原来的2倍。6.M2M技术M2M是机器多机器通信或人对机器通信的简称，主要指通过移动通信网络传递信息从而进行机器与机器或人与机器的数据交换，实现机器之间的互联互通。7．D2D技术D2D（终端到终端通信）是在系统的控制下，终端之间通过复用小区资源直接进行通信的一种技术，这种技术无须基站转接，可直接实现数据交换或服务提供。

1．室外广域覆盖

室外广域覆盖是移动通信系统最基本的覆盖方式，即为移动用户提供连续的、无缝的移动业务，以用户的移动性和业务的连续性作为基本目标。

5G无线网络典型覆盖场景

2.室内热点覆盖室内热点覆盖主要指在城市区域的高档写字楼、星级酒店、大型商务娱乐游乐场等，以提供高速数据传输和大流量密度为目标。3．低功耗数据采集低功耗数据采集是4G向5G演进过程中心拓展的场景，主要针对基于大数据、云计算、智慧城市、智慧农业、智慧水务、森林防火等的以传感和数据采集为目标的应用需要。4.低时延物联网控制低时延物联网控制也是5G新拓展的场景，主要针对基于工业4.0的应用需求，如无人驾驶汽车、无人工厂等。5G无线网络的关键性能指标1．移动性移动性是移动通信系统的重要性能指标，是指在满足一定系统性能的前提下，通信双方的最大相对移动速度。2．时延时延采用OTT或RTT来衡量，OTT是指发送端发送数据到接收端接收数据的时间间隔，RTT是指从发送端发送数据开始到发送端收到来自接收端的确认信息的时间间隔。3．用户感知速率5G时代将构建以用户为中心的移动生态信息系统，首次将用户感知速率作为网络的性能指标。4.峰值速率峰值速率是指用户可以获得的最高业务速率，相比4G网络，5G网络移动通信系统将进一步提升峰值效率，可以达到数十Gbit/s。5.连接数密度5G时代存在大量的物联网应用需求，要求网络具备超千亿台设备的连接能力。6.流量密度流量密度是指单位面积内的总流量数，用来衡量移动通信网络在一定区域范围内的数据传输能力。7．能源效率能源效率是指每消耗单位能量可以传输的数据量。在移动通信系统中，能源消耗主要指基站和移动终端的发送功率，以及整个移动通信系统设备所消耗的功率。

9.2.65G无线网络架构的设计原则1．高度的智能性实现承载和控制相分离，支持用户面和控制面独立扩展与演进，基于集中控制功能，实现多种无线网络覆盖场景下的无线网络智能优化和高效管理。2．网元和架构配置的灵活性物理节点和网络功能解耦，重点关注网络功能的设计，物理网元配置则可灵活采取多种手段，根据网络应用场景进行灵活配置。3．建设和运维成本的高效性5G无线网络的建设和运维成本是一个庞大的数目，只有在成本方面具有高效性的设计方案才能得到商用，成本目标是5G无线网络架构设计过程中首要考虑的目标。根据5G无线网络架构设计原则，在实际5G无线网络架构设计过程中，需要依次考虑5G无线逻辑架构、5G无线部署架构两个层面。5G无线逻辑架构是指根据业务应用特性和需求，灵活选取网络功能集合，明确无线网络功能模块之间的逻辑关系和接口设计。5G无线部署架构是指从5G无线逻辑架构到物理网络节点的映射实现。9.2.75G无线网络架构的设计方案5G无线网络架构是一个多拓扑形态、多层次类型、动态变化的网络，具有连接形态多样化、平台多样化、承载方式多样化、拓扑结构多样化等特点。1．连接形态多样化在5G无线网络架构中，无线设备节点连接形态将兼容多种形式，包括链状连接（如中继通信Relay、RRU基站级联）、网状连接（如基站设备之间的连接）、伞状连接（如一个BBU与多个RRU的连接）、点对点连接（如基站与物联网关的连接）、D2D直通终端之间的连接等。2．平台多样化在5G无线网络架构中，将增加各种新型网关、终端，设备平台能力将更加多样化。根据功能的不同，5G无线设备包括BBU+RRU分布式基站、室外一体化基站、室内微基站、承载用户和控制功能的各种网关设备等。根据设备平台能力的不同，5G无线设备可分为专业平台设备和虚拟化平台设备。根据功率的不同，5G无线设备可分为大功率的BBU+RRU分布式基站、小功率微基站、RRU视频模块、超小功率的物联网传感节点、智能终端等。根据与用户距离的不同，5G无线设备可分为智能终端、聚合网关、无源天线、有源天线、小功率微基站、射频拉远模块RRU、BBU资源池基站等。3．承载方式多样化在5G无线网络架构中，传输承载技术更加多样化，不同的传输承载技术将用在不同的网络场景中。根据承载介质的不同，传输承载包括无线承载和有线承载。无线承载技术具有应用灵活、成本较低、建设周期短等优点，但也存在带宽有限、干扰较大等缺点。有线承载技术具有稳定性好、带宽较大等优点，但也存在建设成本高、建设周期长等缺点。5G无线网络架构设计方案往往会综合考虑多种承载技术。4．拓扑结构多样化随着5G无线网络采用的频段向更高的频段发展，以及多种新型接入技术的商用和低功率即插即用基站的部署，5G无线网络架构将呈现出更好的灵活性，在同一地点的不同时间段会存在较大差异的网络架构和节点间的层级关系。9.3NB-IoT5G、eMTC、NB-IoT、LoRa的比较NB-IoT系统预期能够满足在180kHz的传输带宽下支持覆盖增强（提升20dB的覆盖能力）、超低功耗（5W·h电池可供终端使用10年）、巨量终端接入（单扇区可支持50000个连接）的非时延敏感（上行时延可放宽到10s以上）的低速业务（单用户上行、下行速率至少为160bit/s）需求。NB-IoT的网络架构NB-IoT的部署方式（1）独立部署，即Stand-alone模式，利用独立的频带进行部署，与LTE频带不重叠。（2