5G系统概念 | 《5G移动无线通信技术》之七

简介: 本节介绍满足上述要求的 5G 系统概念。为了达到这些要求,系统需要一个灵活的 平台。5G 不是为某一个“杀手级应用”设计的系统,而是面向众多甚至至今尚未可知 的用例。垂直行业(如汽车、能源、工业制造等)特别需要能够基于同一平台获得定制 方案的灵活性。因此,上述用例可以用来指引 5G 系统的研发,但是系统概念设计并不 限于上述用例。

第六节:5G的要求和主要性能指标

5G系统概念

本节介绍满足上述要求的 5G 系统概念。为了达到这些要求,系统需要一个灵活的 平台。5G 不是为某一个“杀手级应用”设计的系统,而是面向众多甚至至今尚未可知 的用例。垂直行业(如汽车、能源、工业制造等)特别需要能够基于同一平台获得定制 方案的灵活性。因此,上述用例可以用来指引 5G 系统的研发,但是系统概念设计并不 限于上述用例。

7.1 概念简介

因为系统要求十分广泛,过去几代技术采用的通用型方法并不适用于 5G,因此, 这里提出的 5G 概念概括了主要的用例特性和要求,并把技术元素混合到如图 2.2 所示 的 4 个赋能工具支持的 3 个 5G 通信服务中。单个用例可以被理解为“基本功能”的“线性组合”。每一个通用服务包括特定服务的功能,主要的赋能工具包括支持多于一个 通用服务的共同功能。更多的细节可以参考文献 [9] 和后续章节。
三个一般服务如下。
(1)极限移动宽带(xMBB),提供极高的数据速率和低时延通信,以及极端的 覆盖能力。xMBB 提供覆盖范围内一致的 用户体验,当用户数增加时性能将会适当 下降。xMBB 还支持可靠通信服务,例如 国家安全和公共安全服务(NSPS)。
(2)海量机器类通信(mMTC),为数以百亿计的网络设备提供无线连接。相对 于数据速率,随着连接设备数增长,连接 的可扩展性、高效小数据量发送以及广阔区域和深度覆盖被置于优先位置。

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(3)超可靠机器类通信(uMTC),提供超可靠低时延通信连接的网络服务。要求包 括极高的可用性、极低的时延和可靠性。例如,V2X 通信和工业制造应用。可靠性和低 时延优先于对数据速率的要求。 一般的 5G 服务不需要采用相同的空中接口。选择的形式取决于设计和 5G 服务的组 合。基于 OFDM 的灵活的空中接口更适合 xMBB 服务,而新的空中接口,例如 FBMC 和 UF-OFDM 或许更适合 uMTC 服务,这些服务需要快速的同步。空中接口候选技术包 括 OFDM、UF-OFDM 和 FBMC,具体内容参考第 7 章。
四个主要的赋能工具如下。
(1)动态无线接入网络(DyRAN)提供无线接入网络(RAN)从而适应用户需求 和 5G 业务组合的时空变化。DyRAN 同时协同其他元素,如:

  • 超密网络;
  • 移动网络(游牧节点和移动中继节点);
  • 天线波束;
  • 作为临时接入节点的终端设备;
  • 作为接入和回传使用的 D2D 通信链接。

(2)极简系统控制面(LSCP),提供新的极简控制信令,确保时延和可靠性,支持 频谱的灵活性,允许数据面和控制面分离,支持大量多种具有不同能力的终端,并确保 高能效性能。
(3)内容本地化和数据流,允许实时和缓冲内容的分流、汇聚和分发。这些操作的 本地化降低了时延和回传的负载,同时提供汇聚功能,如传感器信息的本地汇聚。
(4)频谱工具箱提供了一套解决方案,允许 5G 一般服务可以在不同的管理框架、 频谱使用 / 共享的条件下在不同频段部署。
在服务和赋能工具之间存在重叠部分,根据最终设计决定,有些功能或许既属于服 务,也是赋能工具。然而,系统设计的期望是实现尽可能多的公共功能,而不会引起不 可接受的性能下降,同时最小化系统设计复杂度。LTE 演进在 5G 将起到重要作用,尤其是提供广域覆盖方面。LTE 演进可以被视为另一个 5G 通信服务。5G 系统可以被工作 定义为一个可以提供一般服务的公共网络,同时灵活支持不同的服务组合。当用户的需求改变时,运营商应当能够改变相应的服务。频谱的使用不应当为某类服务固化,当不需要占用的时候应当可以重耕。
为了支持这一5G系统概念,架构需要足够的灵活性来强化系统的不同特征,如覆盖、 容量和时延,系统的架构在后续章节介绍。

7.2 极限移动宽带

极限移动宽带(xMBB)一般 5G 服务是当前移动宽带业务的延伸,提供多用途的 通信服务,来支持需要高速率、低时延的新应用。同时能够实现覆盖范围内一致的用户 体验,如图 2.3 所示。xMBB 需要满足远远超越 2020 年用例的数据流量和速率,即达到每用户吉比特每秒量级的速率,满足增强现实和虚拟现实,或者超高清视频的要求。除了高数据速率,低时延也是必要的,例如与云计算结合的感知互联网应用 [10]。为了获得较高的用户数据速率,系统的峰值速率必须提高,同时往往伴随着网络密度增加。同等重要的是在任何地方都可以获得适中的数据速率。极限移动宽带网络表现为在期望的覆 盖区域内,任何地方都可以获得 50 ~ 100Mbit/s 的可靠速率。在密集人群区域,当用户数增长时,极限移动宽带网络速率将会适度下降,时延的也会有所上升。
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在基础设施受灾损坏的条件下(例如自然灾害) ,xMBB 的极限覆盖能力和 DyRAN, 允许 NSPS 作为 xMBB 一种模式建立可靠的通信连接。极限移动宽带网络同样需要在移 动条件下展现顽健性,并且确保提供无缝的高要求的应用服务,其 QoE 要求和静止用户 的 QoE 相当,如汽车和高速列车场景。 实现极限移动宽带网络的一些重要的方案包括引入新的频谱,新的频谱接入方式, 增加网络密度,提高频谱利用率(包括本地的流量),以及高移动用户的顽健性。因此 需要一个新的适合密集部署的空中接口接入新频段。极限移动宽带网络空中接口可以采用与无线接入、D2D、无线回传相同的接口。

7.2.1 引入新频谱和新的频谱接入方式

为了满足流量要求,需要获得更多的频谱和更为灵活有效的频谱利用技术,具体内容见第 12 章。连续的频谱更受青睐,因为这样可以降低实现难度,避免载波聚合。
厘米波(cmW)和毫米波(mmW)对于 xMBB 和 5G 都很重要。解决方案需要适 应具体的频率范围和实际部署策略。例如,对高频段,波束赋形是必要的技术用来克服 由于路径损耗大导致的接收信号强度的下降,因此厘米波(cmW)适合采用多天线技术 达到覆盖的要求。
xMBB 需要支持在传统频段灵活的频谱使用,在厘米波(cmW)和毫米波(mmW) 采用授权接入、分享授权接入(LSA)和辅助授权接入(LAA)。为了实现一致的用户体验, 需要多连接技术。该技术通过紧密集成 6GHz 以上新的空中接口和现有不同的系统,如 LTE 系统来实现。

7.2.2 密集部署新的空中接口

xMBB 需要考虑密度不断增加的超密集网络(UDN)部署。网络密度增加的结果是 单站的激活用户数下降,因此 UDN 不会工作在高负荷的状态。第 7 章介绍了基于协同 OFDM 的新的空中接口,可以实现灵活的频谱利用和短距离通信,这个接口不仅优化了 传统蜂窝系统,也优化了 D2D 和无线回传应用,可以协调地工作在 3GHz 到 100GHz, 以及厘米波(cmW)和毫米波(mmW)频段(参见第 6 章),最终在 UDN 网络中实现 频谱利用的优化。

7.2.3 频谱效率和高级天线系统

最有希望提升频谱利用率的技术是高级多天线系统,例如,大规模多入多出(MIMO) 和多点协同(CoMP)技术,见第 8 章和第 9 章。在 xMBB 系统中多天线技术既可以通过提升频谱效率在给定区域实现极高的数据速率,也可以提升极限覆盖,以及在密集人群中实现中等速率要求。对于 xMBB,OFDM 是受青睐的解决方案,因为这一方案已经 很好地验证了 MIMO 技术,并且简化了反向互操作。在 xMBB 中,使用附加滤波器技术(如 UFOFDM 或者 FBMC)对频谱效率提升作用有限。附加滤波器在混合业务的场景有明显优势。

7.2.4 用户数

在初始阶段为了支持高的用户数,xMBB 可以先占用分配给 mMTC 的物理资源, 见第 4 章。在初始阶段之后,调度器再进行公平调度。当连接数很大时,采用 DyRAN、 D2D 通信和本地化流量技术也可以提升 QoE。

7.2.5 用户移动性

干扰识别和抑制技术、移动管理和预测技术、切换优化和内容觉察技术都可以提升 xMBB 性能,见第 11 章。

7.2.6 主要赋能工具的链接

DyRAN 在 UDN 网络里提供短距离通信,通过提高信号干扰噪声比(SINR)来提 升速率和容量。网络密度增加会产生新的三维和多层的干扰环境,需要加以处理,见第 11 章。在 xMBB 中利用 D2D 通信实现本地设备和周围设施的信息交换,以及本地化的 内容和数据流可以提升系统性能,见第 5 章。 频谱工具箱允许 xMBB 工作在传统频谱、cmW 和 mmW 频段,以授权接入、LSA 和 LAA 方式部署,见第 12 章。 极简系统控制面支持频谱灵活性和低能耗运行,见后续章节。
第八节:机器通信

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