文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.179003
中文引用格式: 黃宇紅,,王曉云,劉光毅. 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)概述[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,,43(8):3-7.
英文引用格式: Huang Yuhong,Wang Xiaoyun,,Liu Guangyi. Overview of 5G mobile communication system[J].Application of Electronic Technique,,2017,43(8):3-7.
0 引言
4G的普及與應(yīng)用為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打開(kāi)了大門,,伴隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的進(jìn)步與發(fā)展,移動(dòng)通信技術(shù)正無(wú)時(shí)無(wú)刻地改變著人們的生活,,同時(shí)也刺激著移動(dòng)通信需求的進(jìn)一步發(fā)展,。5G作為面向2020年及以后的移動(dòng)通信系統(tǒng),其應(yīng)用將深入到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域,,作為基礎(chǔ)設(shè)施為未來(lái)社會(huì)提供全方位的服務(wù),,促進(jìn)各行各業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí),。
為此,5G將提供光纖般的接入速度,,“零”時(shí)延的使用體驗(yàn),,使信息突破時(shí)空限制,為用戶即時(shí)呈現(xiàn),;5G將提供千億設(shè)備的連接能力,,極佳的交互體驗(yàn),實(shí)現(xiàn)人與萬(wàn)物的智能互聯(lián),;5G將提供超高流量密度,、超高移動(dòng)性支持,讓用戶隨時(shí)隨地獲得一致的性能體驗(yàn),;同時(shí),,超過(guò)百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低,也將保證產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,。超高速率,、超低時(shí)延、超高移動(dòng)性,、超強(qiáng)連接能力,、超高流量密度,加上能效和成本超百倍改善,,5G最終將實(shí)現(xiàn)“信息隨心至,,萬(wàn)物觸手及”的愿景[1]。
1 5G應(yīng)用場(chǎng)景和需求
身臨其境的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)處不在的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)是5G發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力,。根據(jù)IMT-2020(5G)推進(jìn)組的預(yù)測(cè)[1],2010年到2020年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)將超過(guò)200倍,,2010年到2030年將增長(zhǎng)近20 000倍,,其中熱點(diǎn)區(qū)域的增長(zhǎng)速度更快,達(dá)到十年千倍,;同時(shí),,到2030年,包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在內(nèi)的全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總數(shù)將達(dá)到1 000億量級(jí),,其中我國(guó)超過(guò)200億,。
5G的應(yīng)用場(chǎng)景由相關(guān)地點(diǎn)和該地點(diǎn)發(fā)生的業(yè)務(wù)組成。5G應(yīng)用場(chǎng)景主要包括移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)兩大類,,而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)類又可以抽象為低移動(dòng)性高速率和高移動(dòng)性廣覆蓋兩個(gè)子類,;移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)類可以抽象為低功耗大連接和低時(shí)延高可靠?jī)蓚€(gè)子類,如圖1所示,。其中:
(1)低移動(dòng)性高速率類應(yīng)用場(chǎng)景主要包括辦公室,、密集住宅區(qū),、城市熱點(diǎn)如CBD和大型集會(huì)等,其對(duì)應(yīng)的主要業(yè)務(wù)有高清視頻,、虛擬現(xiàn)實(shí),、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及云存儲(chǔ)等。這類應(yīng)用場(chǎng)景的主要挑戰(zhàn)在于高速率,、高連接密度等,;
(2)高移動(dòng)性廣覆蓋類應(yīng)用場(chǎng)景主要發(fā)生在高鐵、快速路以及地鐵等對(duì)移動(dòng)性要求較高的地點(diǎn),,其對(duì)應(yīng)的主要業(yè)務(wù)有網(wǎng)頁(yè)瀏覽,、實(shí)時(shí)在線游戲、云端辦公等,,主要挑戰(zhàn)在于有一定移動(dòng)性的前提下保持一定的體驗(yàn)速率,;
(3)低功耗大連接類應(yīng)用場(chǎng)景主要面向傳感器類應(yīng)用,包括環(huán)境監(jiān)測(cè),、智能報(bào)表和可穿戴設(shè)備等方面,,主要挑戰(zhàn)在于連接數(shù)巨大且功耗要求低;
(4)低時(shí)延高可靠類應(yīng)用場(chǎng)景主要包括工業(yè)及醫(yī)療行業(yè)的自動(dòng)控制類業(yè)務(wù),、交通行業(yè)的自動(dòng)駕駛,、智能電網(wǎng)等,主要挑戰(zhàn)在于時(shí)延和移動(dòng)性等方面的要求,。
基于對(duì)上述四類場(chǎng)景的分析,,5G的整體需求可以用下面的“5G之花”來(lái)表征。如圖2,,花瓣代表了5G的六大性能指標(biāo),,體現(xiàn)了5G滿足未來(lái)多樣化業(yè)務(wù)與場(chǎng)景需求的能力,其中花瓣頂點(diǎn)代表了相應(yīng)指標(biāo)的最大值,,分別體現(xiàn)為:5G要支持0.1~1 Gb/s的用戶體驗(yàn)速率,、每平方公里一百萬(wàn)的連接數(shù)密度、毫秒級(jí)的端到端時(shí)延,、每平方公里數(shù)十Tb/s的流量密度,、每小時(shí)500 km以上的移動(dòng)性和數(shù)十Gb/s的峰值速率。其中,,用戶體驗(yàn)速率,、連接數(shù)密度和時(shí)延為5G最基本的3個(gè)性能指標(biāo)。需要注意的是,,并非所有的性能指標(biāo)都需要同時(shí)滿足,。另外,綠葉代表了3個(gè)效率指標(biāo),是實(shí)現(xiàn)5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障,,具體表現(xiàn)為,,相比4G,5G的頻譜效率提升5~15倍,,能效和成本效率提升百倍以上,,以滿足移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的需求。
2 5G空口新技術(shù)
為了滿足5G對(duì)系統(tǒng)整體傳輸效率的要求,,5G空中接口需要采用一系列的新技術(shù)來(lái)提升無(wú)線傳輸?shù)男?,達(dá)到3~5倍于4G系統(tǒng)的頻譜效率,以及現(xiàn)有空口時(shí)延的1/5等,。
2.1 3D-MIMO(Massive MIMO)
如圖3所示,,3D-MIMO[2]一般采用大規(guī)模的二維天線陣列,不僅天線端口數(shù)較多,,而且可以在水平和垂直維度靈活調(diào)整波束方向,,形成更窄、更精確的指向性波束,,從而極大地提升終端接收信號(hào)能量,,增強(qiáng)小區(qū)覆蓋;而傳統(tǒng)的2D-MIMO天線端口數(shù)較少,,導(dǎo)致波束較寬,,并且只能在水平維度調(diào)整波束方向,無(wú)法將垂直維的能量集中于終端,,且僅能在水平維度區(qū)分用戶也導(dǎo)致其同時(shí)同頻可服務(wù)的用戶數(shù)受限,;3D-MIMO可充分利用垂直和水平維的天線自由度,同時(shí)同頻服務(wù)更多的用戶,,極大地提升系統(tǒng)容量,,還可通過(guò)多個(gè)小區(qū)垂直維波束方向的協(xié)調(diào),起到降低小區(qū)間干擾的目的,。
3D-MIMO無(wú)論是在提升接收和發(fā)送的效率,,提升多用戶MIMO的配對(duì)用戶數(shù),還是降低小區(qū)間的干擾方面,,都相對(duì)于傳統(tǒng)的天線有更好的性能,,是5G提升頻譜效率的最核心的技術(shù),。
2.2 非正交多址[3]
面對(duì)5H通信中提出的更高頻譜效率,、更大容量、更多連接,,以及更低時(shí)延的總體需求,,5G多址的資源利用必須更為有效。因此,,在近兩年的國(guó)內(nèi)外5G研究當(dāng)中,,資源非獨(dú)占的用戶多址接入方式廣受關(guān)注,。在這種多址接入方式下,沒(méi)有任何一個(gè)資源維度下用戶是具有獨(dú)占性的,,因此在接收端必須進(jìn)行多個(gè)用戶信號(hào)的聯(lián)合檢測(cè),。得益于芯片工藝和數(shù)據(jù)處理能力的提升,接收端的多用戶聯(lián)合檢測(cè)已成為可實(shí)施的方案,。
5G新型多址的設(shè)計(jì)將從物理層最基本的調(diào)制映射等模塊出發(fā),,引入功率域和碼率的混合非正交編碼疊加,同時(shí)在接收端引入多用戶聯(lián)合檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)非正交數(shù)據(jù)層的譯碼,,其統(tǒng)一框架如圖4所示,。發(fā)送端在單用戶信道編碼之后,進(jìn)入核心的碼本映射模塊,,包括調(diào)制映射,、碼域擴(kuò)展和功率優(yōu)化,這三個(gè)部分也可聯(lián)合設(shè)計(jì),,獲得額外編碼增益,;在接收端經(jīng)過(guò)多用戶聯(lián)合檢測(cè)后的軟信息可輸入單用戶糾錯(cuò)編碼的譯碼模塊進(jìn)行譯碼,也可以將信道譯碼的結(jié)果返回代入多用戶聯(lián)合檢測(cè)器進(jìn)行大迭代譯碼,,進(jìn)一步提升性能,。在這個(gè)通用結(jié)構(gòu)圖中,上下行多接入的區(qū)別在于多用戶信號(hào)疊加的位置不同,,下行多用戶信號(hào)在過(guò)信道前,,在發(fā)送端疊加,而上行多用戶信號(hào)則在經(jīng)過(guò)無(wú)線信道后,,在接收端疊加,。
對(duì)比4G OFDMA正交多址的物理層過(guò)程,5G新型非正交多址物理層過(guò)程引入新模塊變化的動(dòng)機(jī)主要有如下幾個(gè)方面:
(1)通過(guò)新的(多維)調(diào)制映射設(shè)計(jì),,獲得編碼增益和成型增益,,提升接入頻譜效率;
(2)通過(guò)(稀疏)碼域擴(kuò)展,,獲得分集增益,,增強(qiáng)傳輸魯棒性,也白化小區(qū)內(nèi)或小區(qū)間數(shù)據(jù)流間的干擾(interference whitening),;
(3)通過(guò)非正交層間的功率優(yōu)化,,最大化多用戶疊加的容量區(qū)。
2.3 自包含幀結(jié)構(gòu)[4]
5G系統(tǒng)為了進(jìn)一步降低發(fā)送的時(shí)延,,對(duì)時(shí)隙的結(jié)構(gòu)和收發(fā)的反饋進(jìn)行了新的設(shè)計(jì),。對(duì)于TDD系統(tǒng),通過(guò)引入更多的上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn),縮短發(fā)送和反饋之間的響應(yīng)時(shí)間,,這種幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也叫自包含的幀結(jié)構(gòu),。對(duì)于FDD,則可以通過(guò)更短的調(diào)度和傳輸周期,,縮短傳輸時(shí)延,。
5G定義的子幀格式如圖5,這種幀結(jié)構(gòu)可以大大縮短收發(fā)之間的時(shí)間間隔,,對(duì)于TDD而言,,還可以提升上行信道探測(cè)的有效信息,進(jìn)一步提升下行的MIMO的傳輸和檢測(cè)效率,,從而提升系統(tǒng)頻譜效率,。
2.4 更快速的狀態(tài)轉(zhuǎn)換[5]
5G為了實(shí)現(xiàn)更低的控制面時(shí)延,如10 ms,,在4G已有的連接態(tài)和空閑態(tài)中引入了一個(gè)新的中間狀態(tài),,稱為去激活狀態(tài)。該狀態(tài)保留核心網(wǎng)的連接狀態(tài),,而刪除無(wú)線側(cè)的連接狀態(tài),,當(dāng)需要時(shí),可以快速建立無(wú)線側(cè)的連接,,從而大幅降低從原空閑態(tài)到連接態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)延,。新的去激活狀態(tài)如圖6。
3 5G網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)
為了支持靈活的應(yīng)用場(chǎng)景,,和差異化的網(wǎng)絡(luò)能力需求,,5G需要更加靈活有效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),滿足未來(lái)運(yùn)營(yíng)商靈活組網(wǎng),、快速業(yè)務(wù)部署的需求,。下面介紹5G的新技術(shù)特征[6]。
3.1 三云一層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一而不靈活,,很難滿足未來(lái)5G多場(chǎng)景,、差異化QoS需求等實(shí)際部署需求。 面向未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò),,基于控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離和控制功能重構(gòu)的技術(shù)設(shè)計(jì)新興網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),,提高接入網(wǎng)在面向5G發(fā)雜場(chǎng)景下的整體接入性能。簡(jiǎn)化核心網(wǎng)結(jié)構(gòu),,提供靈活高效的控制轉(zhuǎn)發(fā)功能,,支持高智能運(yùn)營(yíng),開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)能力,,提升全網(wǎng)整體服務(wù)水平,。控制功能的抽離和聚合,,有利于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制平面從全局視角來(lái)感知和調(diào)度資源,,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的可編程。三云一層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7,。
3.2 面向服務(wù)的云化網(wǎng)絡(luò)使能端到端網(wǎng)絡(luò)切片
5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最大的特征就是基于SDN/NFV技術(shù),,通過(guò)面向服務(wù)的云化網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片,,從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的靈活和快速部署,。同時(shí),通過(guò)硬件和軟件的解耦,,可以方便快捷地把網(wǎng)元功能部署在網(wǎng)絡(luò)中的任意需要的位置,,對(duì)通用硬件資源實(shí)現(xiàn)按需分配和動(dòng)態(tài)伸縮,既以達(dá)到最優(yōu)的資源利用率,,也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài),、快速和按需部署?;赟DN/NFV的網(wǎng)絡(luò)切片如圖8,。
3.3 用戶為中心的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[7]
5G網(wǎng)絡(luò)需要針對(duì)用戶的行為、偏好和終端,、網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和能力,,提供最佳的用戶體現(xiàn),實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò),,如圖9所示,。
5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要設(shè)計(jì)理念如下:
(1)用戶與業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能感知
以智能無(wú)線管道為目標(biāo),通過(guò)引入更精細(xì)化的業(yè)務(wù)與用戶區(qū)分機(jī)制,,根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景,、用戶能力、用戶偏好及網(wǎng)絡(luò)能力等,,自適應(yīng)配置空口技術(shù),、系統(tǒng)參數(shù)等,實(shí)現(xiàn)端到端的精細(xì)而多樣化的網(wǎng)絡(luò)連接,、業(yè)務(wù)和內(nèi)容區(qū)分與處理,。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將能支持基于對(duì)業(yè)務(wù)與用戶的預(yù)測(cè)、分析,、響應(yīng)和處理能力,,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的空口接入與管理、端到端的精細(xì)而多樣化的業(yè)務(wù)和內(nèi)容區(qū)分與處理,,提供更精準(zhǔn),、更完備的用戶個(gè)性化,、定制化的資源配置和網(wǎng)絡(luò)服務(wù),以滿足多樣化的用戶及業(yè)務(wù)需求,,并確保一致的,、高質(zhì)量的用戶體驗(yàn)。
(2)業(yè)務(wù)下沉與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地化處理(MEC)
在邏輯功能上,,基于核心網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)的功能重構(gòu),,促使核心網(wǎng)專注于用戶簽約與策略管理以及集中控制,而其用戶面與業(yè)務(wù)承載功能繼續(xù)下沉,,業(yè)務(wù)承載的管理與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的路由和分發(fā)可部署在更靠近用戶的接入網(wǎng),,從而構(gòu)建更加優(yōu)化的業(yè)務(wù)通道,使得業(yè)務(wù)的路由通道更加簡(jiǎn)化,,避免業(yè)務(wù)瓶頸,,降低集中傳輸?shù)呢?fù)荷。同時(shí),,基于對(duì)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)內(nèi)容的精細(xì)化感知,,接入網(wǎng)不僅可以在本地生成、映射,、緩存,、分發(fā)數(shù)據(jù),還可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地就近智能分發(fā)和推送,。
(3)支持多網(wǎng)融合與多連接傳輸
在可見(jiàn)的時(shí)間內(nèi),,4G/5G/WiFi等多種網(wǎng)絡(luò)將長(zhǎng)期共存,因此,,5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須支持多種網(wǎng)絡(luò)的深度融合,,實(shí)現(xiàn)對(duì)于多種無(wú)線技術(shù)/資源的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)管理,并基于承載與信令分離,,信令與制式解耦,,實(shí)現(xiàn)與接入方式無(wú)關(guān)的統(tǒng)一的控制,使得無(wú)線資源的利用達(dá)到最大化,。同時(shí),,未來(lái)的終端也將普遍具備多制式多無(wú)線的同時(shí)連接和傳輸能力。在多維度業(yè)務(wù)接納與控制的基礎(chǔ)上,,5G網(wǎng)絡(luò)將基于時(shí)延容忍度,、丟包敏感度以及不同的APP、業(yè)務(wù)提供商,,支持精確的網(wǎng)絡(luò)選擇與無(wú)線傳輸路徑與方式,,實(shí)現(xiàn)最佳資源匹配。
4 總結(jié)
5G為移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展描繪了一個(gè)美好的藍(lán)圖,。為了實(shí)現(xiàn)5G要求的超高頻率效率,、超低時(shí)延,、超高連接數(shù)密度、超低能耗,,5G需要在空中接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面做出巨大的變革,,包括引入大規(guī)模天線、非正交多址,、自包含的幀結(jié)構(gòu)、新的協(xié)議狀態(tài),、三云一層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),、端到端的網(wǎng)絡(luò)切片、以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)等,。
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作者信息:
黃宇紅,,王曉云,劉光毅
(中國(guó)移動(dòng)通信研究院,,北京100053)