《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用（第二版）》 課件 第5章 第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)簡(jiǎn)介

第5章第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)簡(jiǎn)介《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》【本章導(dǎo)讀】未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)為“大連接時(shí)代”的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源以及連接提供一個(gè)一體化的分布式平臺(tái)。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(jí)的時(shí)延，以及更低的成本和更高的能效，這將對(duì)萬(wàn)物連接時(shí)代提供最有力的支撐。2G時(shí)代，大多為電腦和電腦的連接；3G/4G時(shí)代，開(kāi)始向人與人之間的連接轉(zhuǎn)變；到了5G時(shí)代，人與物、物與物將組成一個(gè)連接矩陣，每個(gè)人、每個(gè)物都會(huì)成為互聯(lián)網(wǎng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，之間交互數(shù)據(jù)，形成一個(gè)大的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。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(luò)架構(gòu)，然后對(duì)5G的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為詳盡的闡述；最后介紹了5G的應(yīng)用場(chǎng)景。【本章要點(diǎn)】什么是5G5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G的關(guān)鍵技術(shù)5G的應(yīng)用場(chǎng)景《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.25G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5.1什么是5G5.35G的關(guān)鍵技術(shù)5.45G的應(yīng)用場(chǎng)景《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.1認(rèn)識(shí)移動(dòng)通信5.1.15G發(fā)展現(xiàn)狀5G關(guān)鍵能力比前幾代移動(dòng)通信更加豐富，用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、峰值速率和移動(dòng)性等都將成為5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)。然而，與以往只強(qiáng)調(diào)峰值速率的情況不同，業(yè)界普遍認(rèn)為用戶體驗(yàn)速率是5G最重要的性能指標(biāo)，它真正體現(xiàn)了用戶可獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)速率，也是與用戶感受最密切的性能指標(biāo)?；?G主要場(chǎng)景的技術(shù)需求，如圖5-2所示，5G用戶體驗(yàn)速率應(yīng)達(dá)到Gbps量級(jí)。5G總體愿景《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.1認(rèn)識(shí)移動(dòng)通信5.1.25G的技術(shù)路線從技術(shù)特征、標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度分析，白皮書認(rèn)為，5G存在新空口和4G演進(jìn)空口兩條技術(shù)路線。新空口路線主要面向新場(chǎng)景和新頻段進(jìn)行全新的空口設(shè)計(jì)，不考慮與4G框架的兼容，通過(guò)新的技術(shù)方案設(shè)計(jì)和引入創(chuàng)新技術(shù)來(lái)滿足4G演進(jìn)路線無(wú)法滿足的業(yè)務(wù)需求及挑戰(zhàn),特別是各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景及高頻段需求。4G演進(jìn)路線通過(guò)在現(xiàn)有4G框架的基礎(chǔ)上引入增強(qiáng)型新技術(shù)，在保證兼容性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升，在一定程度上滿足5G場(chǎng)景與業(yè)務(wù)需求。《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.1認(rèn)識(shí)移動(dòng)通信5.1.35G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G技術(shù)創(chuàng)新主要來(lái)源于無(wú)線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩方面。在無(wú)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(diǎn)；在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已取得廣泛共識(shí)。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)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(diǎn)是高速，按規(guī)劃速率會(huì)高達(dá)10～50Gbps，人均月流量大約有36TB，如此高的速率該靠什么資源來(lái)支撐呢？必須要靠更大的帶寬！帶寬用字母B來(lái)表示，它就好比是道路寬度，最大速率用C來(lái)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(jiàn)，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(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.25G的關(guān)鍵技術(shù)5.2.2微基站技術(shù)假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景，小區(qū)中心只立著一盞路燈，陰影面積當(dāng)然會(huì)很大，而如果在小區(qū)里均勻設(shè)置很多路燈，陰影面積則會(huì)小得多了。所以說(shuō)，將傳統(tǒng)的宏基站變成站點(diǎn)更多密度更大的微基站，是解決毫米波“直線問(wèn)題”的有效方法。這只是微基站的一個(gè)原由，還有一個(gè)更強(qiáng)大的原由。5G時(shí)代的入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量會(huì)呈爆炸性的增長(zhǎng)，單位面積內(nèi)的入網(wǎng)設(shè)備可能會(huì)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(wú)力支撐。這個(gè)原由很好理解，以前的宏基站覆蓋1000個(gè)上網(wǎng)用戶，這些用戶均分這個(gè)基站的速率資源，而進(jìn)入5G時(shí)代后用戶的速率要求高多了，一個(gè)基站的資源就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠分了，只能布設(shè)更多的基站?；疚⑿突瘎t設(shè)布設(shè)密度會(huì)加大，為避免基站之間的頻譜互擾，基站的輻射功率譜就會(huì)降低，同時(shí)手機(jī)的輻射功率也會(huì)降低，這有兩個(gè)好外，一是功耗小了待機(jī)時(shí)間會(huì)增加，二是對(duì)人體的輻射會(huì)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(shè)方式將會(huì)擴(kuò)展，路燈桿、廣告燈箱、樓宇內(nèi)部的天花板，都會(huì)是微基站架設(shè)的理想地點(diǎn)。波長(zhǎng)縮短到毫米波還會(huì)有什么影響呢？還會(huì)影響到手機(jī)天線的變化，這就是接下來(lái)的另一項(xiàng)技術(shù)——大規(guī)模MIMO技術(shù)。

《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.25G的關(guān)鍵技術(shù)5.2.4波束賦形技術(shù)中國(guó)主導(dǎo)的3G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA有六大技術(shù)特點(diǎn)，其中有一項(xiàng)就是智能天線，在基站上布設(shè)天線陣列，通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)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(wù)的手機(jī)，而且能跟據(jù)手機(jī)的移動(dòng)而轉(zhuǎn)變方向。由全向的信號(hào)覆蓋變?yōu)榱司珳?zhǔn)指向性服務(wù)，這種新形式的無(wú)線電波束就不會(huì)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(wú)線電波束技術(shù)是一種空間復(fù)用技術(shù)，這種技術(shù)可以極大地提高基站的服務(wù)容量。

《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.25G的關(guān)鍵技術(shù)5.2.5同時(shí)同頻雙工技術(shù)全雙工技術(shù)：同時(shí)、同頻進(jìn)行雙向通信技術(shù)?，F(xiàn)在由于技術(shù)限制，使用時(shí)分或頻分方式區(qū)分，理論上浪費(fèi)一半的無(wú)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(shí)發(fā)射和接收信號(hào)。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(duì)干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)，同時(shí)還存在相鄰小區(qū)同頻干擾問(wèn)題。在多天線及組網(wǎng)場(chǎng)景下，全雙工技術(shù)的應(yīng)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(shí)域方案。頻域方案通過(guò)調(diào)整每個(gè)載波的雙工方向來(lái)實(shí)現(xiàn)上下行帶寬的動(dòng)態(tài)調(diào)整。時(shí)域方案通過(guò)改變每個(gè)子幀的雙工方向來(lái)控制上下行資源比例。

同時(shí)同頻雙工技術(shù)《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)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(guò)復(fù)用小區(qū)資源直接進(jìn)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(wú)線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問(wèn)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(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中繼站無(wú)法移動(dòng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在靈活度上有一定的限制。隨著無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)不斷增多，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)提供方式已無(wú)法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。D2D技術(shù)無(wú)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(luò)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(shí)延和較低的功耗；通過(guò)廣泛分布的終端，能夠改善覆蓋，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用；支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。

《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.25G應(yīng)用場(chǎng)景展望5.3.15G技術(shù)場(chǎng)景分析5G是面向2020年及未來(lái)的移動(dòng)通信技術(shù)，5G究竟將滿足人們?cè)鯓拥膽?yīng)用需求？暢想未來(lái)，5G會(huì)擁有哪些主要技術(shù)場(chǎng)景？5G概念白皮書指出，連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠，是5G的四大主要技術(shù)場(chǎng)景。面向2020年及未來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將成為移動(dòng)通信發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。5G將滿足人們?cè)诰幼?、工作、休閑和交通等領(lǐng)域的多樣化業(yè)務(wù)需求，即便在密集住宅區(qū)、辦公室、體育場(chǎng)、露天集會(huì)、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(dòng)性特征的場(chǎng)景，也可以為用戶提供超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務(wù)體驗(yàn)。與此同時(shí)，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(shè)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(wù)需求，實(shí)現(xiàn)真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”。5G應(yīng)用場(chǎng)景如圖5-11和圖5-12所示。

圖5-115G應(yīng)用場(chǎng)景1圖5-125G應(yīng)用場(chǎng)景2《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.25G應(yīng)用場(chǎng)景展望5.3.25G的應(yīng)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(shè)施將繼續(xù)通過(guò)有線連接的同時(shí)，打造更智能的工廠、增加工人和支持工廠資產(chǎn)移動(dòng)性可為大帶寬和高安全性的無(wú)線解決方案創(chuàng)造機(jī)會(huì)，并可通過(guò)5G實(shí)現(xiàn)。5G關(guān)鍵業(yè)務(wù)型服務(wù)能為以下兩個(gè)特定服務(wù)領(lǐng)域提供特定優(yōu)勢(shì)：實(shí)時(shí)閉環(huán)通信和免提設(shè)備監(jiān)控。實(shí)時(shí)閉環(huán)通信可支持遠(yuǎn)程控制設(shè)備及制造流程，包括連接機(jī)器、機(jī)器人和移動(dòng)設(shè)備以便實(shí)現(xiàn)整體設(shè)備效用（OEE）最大化。工人可利用5G支持的免提設(shè)備監(jiān)控來(lái)監(jiān)測(cè)機(jī)器和生產(chǎn)線績(jī)效，同時(shí)出于安全和/或無(wú)菌目的保持免提操作。如果時(shí)延方面得到充分改善，工人也能利用可穿戴設(shè)備和手勢(shì)控制進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

《移動(dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.35G應(yīng)用場(chǎng)景展望5.3.25G的應(yīng)用展望2.5G與智慧農(nóng)業(yè)5G將促進(jìn)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(yīng)用從基本的蓄水設(shè)施監(jiān)控，到可監(jiān)控土壤濕度和化學(xué)成分的專業(yè)傳感器。過(guò)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(luò)（LPWAN）的價(jià)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(zhǎng)和收割的排期。這有助于提高農(nóng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效率，減少體力勞動(dòng)需求。此外，還可改善“從農(nóng)場(chǎng)到市場(chǎng)”的報(bào)告和問(wèn)責(zé)制度，提高消費(fèi)透明度。如許多其他的用例一般，智能農(nóng)業(yè)在嚴(yán)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(yīng)用，IHSMarkit預(yù)計(jì)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(wù)型服務(wù)特性的自動(dòng)化農(nóng)業(yè)設(shè)備，以及利用5G增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶功能并配備復(fù)雜攝像頭和傳感器套件的無(wú)人機(jī)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控作物和畜群。這些只是5G在農(nóng)業(yè)活動(dòng)效率與生產(chǎn)力方面預(yù)計(jì)提供的有形效益的諸多方式中的幾個(gè)例子?！兑苿?dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.35G應(yīng)用場(chǎng)景展望5.3.25G的應(yīng)用展望3.5G與人工智能包括消費(fèi)和商業(yè)應(yīng)用的廣義類別?；炯僭O(shè)是5G將用以支持全部形式的車對(duì)萬(wàn)物（V2X），從最初提供更成熟的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）到最終實(shí)現(xiàn)完全自主的自動(dòng)駕駛汽車。超低時(shí)延、高可靠性及普及易用等5G關(guān)鍵業(yè)務(wù)型服務(wù)特性對(duì)自動(dòng)駕駛汽車市場(chǎng)的成功至關(guān)重要，而增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶的特性也對(duì)許多數(shù)據(jù)密集但關(guān)鍵業(yè)務(wù)程度較低的活動(dòng)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(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)。此外，到2035年，第5階段具備完全自動(dòng)駕駛功能的汽車將在發(fā)達(dá)國(guó)家中得到普及。由于這些汽車將無(wú)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?dòng)通信技術(shù)及應(yīng)用》5.35G應(yīng)用場(chǎng)景展望5.3.25G的應(yīng)用展望3.5G與人工智能

包括消費(fèi)和商業(yè)應(yīng)用的廣義類別。基本假設(shè)