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全球5G倡议 | 《5G移动无线通信技术》之三

简介: 这本书全面地介绍了全球范围内对5G应用和需求、网络架构和关键技术的研究成果。对于在通信行业的专家、学者、工程师和在校学生,以及关心移动无线通信技术 5G技术和应用的读者都有较高的参考价值。
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第二节:如何实现海量数据的处理?

全球5G倡议

全球范围内有很多 5G 的论坛和研究项目组。2011 年欧洲第一个开展了 5G 研究 [23], 不久之后中国、韩国、日本开始了各自的研究活动。这些活动和时间表归纳在图 1.6 中。
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3.1 METIS 和 5G-PPP

METIS [24] 是欧盟第一个完整的 5G 项目,并对全球的 5G 发展产生了深远的影响。 METIS 属于欧洲框架 7 项目(FP7),项目准备始于 2011 年 4 月,正式启动于 2012 年 11 月 1 日,中止于 2015 年 4 月 30 日。
METIS 项目的原始诉求是为全球的 5G 研究建立参照体系,包括确定 5G 的应用 场景、测试用例和重要性能指标。目前这些成果被商界和学术界广泛引用。其主要成 果是筛选了 5G 的主要技术元素。欧洲通过该项目在 5G 的研发方面获得了明显的领先 地位。
5G 公私合作伙伴(5G-PPP) [25] 是欧盟框架 73 项目中 5G 后续项目。欧洲的 ICT 行业和欧洲委员会(EC)于 2013 年 12 月签署了商业协议,组建 5G 基础设施公私合作项 目(5G-PPP)。该项目主要是技术研究,其 2014–2020 年预算为 14 亿欧元。欧洲委员会 和 ICT 产业各出资一半(7 亿欧元)。5G-PPP 在设备制造企业、电信运营商、服务提供商和中小企业以及研究人员之间架起了桥梁。
根据与 METIS 签署的谅解备忘录,5G-PPP 项目内 METIS-II 于 2015 年 7 月启 动。METIS-II 致力于开发设计 5G 无线接入网络,其目标是进行足够的细节研究,支撑 3GPP R14 版本的标准化工作。METIS-II 将提出技术建议,并有效地集成当前开发的 5G 技术元素以及与原有 LTE-A 技术演进的集成。为了实现这一目标,METIS-II 非常重视 和 5G-PPP 的其他项目,以及全球其他 5G 项目的合作和讨论。讨论的范围包括 5G 应用 场景和需求、重要 5G 技术元素、频谱规划和无线网络性能等。
5G-PPP 项目的目标是确保欧洲在特定领域的领先,并在这些领域开发潜在的 新的市场,例如智慧城市、电子医疗、智能交通、教育或者娱乐和媒体 [25]。5G-PPP 的终极目标是设计第五代通信网络和服务。5G-PPP 的第一个子项目开始于 2015 年 7 月。

3.2 中国:5G 推进组

IMT-2020(5G)推进组于 2013 年 2 月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委 员会、科学技术部联合推动成立,组织国内的企业和高校等成员开展 5G 的研发和产业 推进,是聚合移动通信领域产学研用力量、推动第五代移动通信技术研究、开展国际交 流与合作的基础工作平台。

3.3 韩国:5G 论坛

韩国的 5G 论坛 [28] 也是公私合作项目,成立于 2013 年 5 月。该项目的主要目 标是发展和提出国家的 5G 战略,并对技术创新作出战略规划。成员包括 ETRI,SK Telecom,KT,LG- 爱立信和三星公司。这个论坛也对中小企业开放。其目标之一是确 保 2018 年平昌冬奥会部分 5G 实验网预商用。

3.4 日本:ARIB 2020 和未来专项

ARIB 2020 和未来专项成立于 2013 年 9 月,目的是研究面向 2020 和未来的陆地移 动通信技术,也是成立于 2006 年的先进无线通信研究委员会(ADWICS)的一个子委 员会。这个组织的目标是研究系统概念、基本功能和移动通信的分布式架构。预期输出 包括白皮书,向 ITU 及其他 5G 组织提交的文件。2014 年,该项目发布了第一个白皮书 描述了 5G 的愿景,“面向 2020 和未来的移动通信系统”[29]。

3.5 其他 5G 倡议

其他的 5G 倡议相对于上述项目在规模和影响力方面较小。其中几个是北美 4G(4G Americas)项目、Surrey 大学创新中心、纽约大学无线研究中心。

3.6 物联网的活动

全球范围内开展了大量的物联网倡议,覆盖了物联网的诸多方面。其中工业物联网 共同体(IIC) [30] 和工业 4.0[31] 是和 5G 最紧密相关的项目。IIC 成立于 2014 年,把组织 机构和必要的技术结合在一起,加速工业互联网的成长。主要目标是 [30]:

  • 为现实应用创建新的工业用例和测试床;
  • 影响全球工业互联网系统的标准化进程。

工业 4.0 是德国 2013 年发起的倡议,目的在于保持德国工业制造的竞争力和保持全 球市场领导力,致力于在产品中集成物联网和服务,特别是整个生产流程中创建网络管 理,实现智能工厂环境 [31]。

3.7标准化活动

下面简要介绍 5G 在 ITU、3GPP 和 IEEE 的标准化工作。

3.8 ITU-R

2012 年 ITU 无线通信部分(ITU-R)在 5D 工作组(WP5D)的领导下启动了“面 向 2020 和未来 IMT”的项目,提出了 5G 移动通信空中接口的要求。WP5D 制定了工作 计划、时间表、流程和交付内容。需要强调的是 WP5D 暂时使用“IMT-2020”这一术语 代表5G。根据时间表的要求,需要在2020年完成“IMT-2020技术规范”。至2015年9月, 已经完成下列三个报告。

  • 未来陆地 IMT 系统的技术趋势 [32]:这个报告介绍了 2015—2020 年陆地 IMT 系统的技术趋势,包括一系列可能被用于未来系统设计的技术。
  • 超越 2020 的 IMT 建议和愿景 [19]:该报告描述了 2020 年和未来的长期愿景,并 对未来 IMT 的开发提出了框架建议和总体目标。
  • 高于 6 GHz 的 IMT 可行性分析 [33]:这份报告提供了 IMT 在高于 6 GHz 频段部 署的可行性。该报告被 WRC 2015 参照,将新增的 400 MHz 频谱分配给IMT使用,详见第 12 章。

3.9 3GPP

3GPP 已经确认了 5G 标准化时间表,现阶段计划延续到 2020 年 [34]。5G 无线网络 的主要需求的研究项目和范围于 2015 年 12 月开始,2016 年 3 月开始相应的 5G 新的无 线接入标准。此外, 3GPP在LTE 9[35] 和GSM 36 引入了海量机器类通信的有关需求, 即增强覆盖、低功耗和低成本终端。在 LTE 系统中,机器类通信被称作 LTE-M 和 NBIoT,在 GSM 系统中被称为增强覆盖的 GSM 物联网(EC-GSM-IoT)。

3.10 IEEE

在国际电气和电子工程师协会(IEEE)中,主要负责局域网和城域网的是 IEEE 802 标准委员会。特别是负责无线个人区域网络的 IEEE 802.15 项目(WPAN) [33] 和无 线局域网(WLAN)的 IEEE 802.11 项目 [39]。IEEE 802.11 技术在最初设计时使用频段 在 2.4 GHz。后来 IEEE 802.11 开发了吉比特标准,IEEE 802.11ac 可以部署在更高的频 段,例如 5 GHz 频段,以及 IEEE 802.11ad 可以部署在 60 GHz 毫米波频段。这些系统的 商用部署始于 2013 年,可以预见,到 2019 年的今后几年采用 6 GHz 以下(例如 IEEE 802.11ax)和毫米波频段(例如 IEEE 802.11ay)的系统将会实现高达若干 Gbit/s 的速率。 IEEE 很有可能会基于其高速率技术提交 IMT-2020 的技术方案。IEEE 802.11p 是针对车 辆应用的技术,预计 2017 年之后会获得在车联网 V2V 通信领域的广泛应用。在物联网领域IEEE也表现活跃。IEEE 802.11ah 支持在 1GHz 以下频段部署覆盖增强的 Wi-Fi。 IEEE 802.15.4 标准在低速个人通信网络(LR-WPAN)较为领先。这一标准被 Zigbee 联盟进一步拓展为专用网格连接技术,并被国际自动化协会(ISA)采纳,用于协同和同 步操作,即 ISA100.11a 规范。预计 5G 系统会联合使用由 IEEE 制定的空中接口。这些 接口和 5G 之间的接口的设计需要十分仔细,包括身份管理、移动性、安全性和业务。

3.11 本书的内容介绍

5G 构成的主要目模块如图 1.7所示:无线接入、固定和原有无线接入技术(例如 LTE)、核心网、云计算、数据分析和安全性。本书涵盖的内容在图 1.7中标记为灰色, 5G 无线接入和用例在第 2 章介绍。包括 LTE 的原有系统的作用在不同的章节有简要介 绍。核心网和云计算(包括网络功能虚拟化)的简介在第 3 章介绍。数据分析和安全性超出了本书的范围。
本书内容组织如下。

  • 第 2 章总结了目前定义的 5G 用例和需求,以及 5G 的系统概念。
  • 第 3 章给出了 5G 架构需要考虑的主要问题。
  • 第 4 章讲述 5G 的重要用例之一,即机器类通信。
  • 第 5 章介绍设备和设备通信。
  • 第 6 章介绍有可能分配的从 10 GHz 到 100 GHz 大量频谱的毫米波技术,这些频 谱可以用于无线回传和接入。
  • 第 7 章简要介绍 5G 最可能采用的无线接入技术。
  • 第 8 章重点介绍 5G 的重点技术之一,即大规模 MIMO。
  • 第 9 章讨论多点协同发送,特别是 5G 如何更好地实现联合发射。
  • 第 10 章聚焦中继器和无线网络编码技术。
  • 第 11 章介绍 5G 干扰和移动管理相关的技术。
  • 第11章讨论5G频谱,特别是预期的5G频谱组成和需求,以及预期的频谱接入模式。
  • 第 13 章介绍 5G 信道模型的主要挑战和新的信道模型。
  • 第 14 章提供了 5G 仿真的指导建议,以此来统一假设条件、方法和参考用例。

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第四节:5G映射到的领域

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