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5G空口特性与关键技术|带你读《5G空口特性与关键技术》之一

简介: 移动通信是整个通信业领域中发展最快的,它在过去几十年中获得了非常快速的增长。目前,根据 GSMA 的统计,全世界已有超过 50 亿的移动用户和超过 90 亿的移动设备(如图 1-1 所示),在许多国家和地区,手机和各种移动终端已成为人们生活和工作中不可缺少的工具。
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第 1 章 移动通信及 5G 标准化进程概述

1.1 从 1G 到 5G——移动通信系统演进

移动通信是整个通信业领域中发展最快的,它在过去几十年中获得了非常快速的增长。目前,根据 GSMA 的统计,全世界已有超过 50 亿的移动用户和超过 90 亿的移动设备(如图 1-1 所示),在许多国家和地区,手机和各种移动终端已成为人们生活和工作中不可缺少的工具。
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最早期的无线电语音通信可以追溯到 1914 年,采用的是模拟调制方式,当时的无线电通信多为专用的,主要用途为军队、警察、公共安全、紧急通信等。到 1946 年,美国的 AT&T 公司在 25 个城市实现了公共无线电话系统。当时的无线通信系统只是简单采用了以一台无线通信发射机覆盖整个城市的方法,频谱资源没有得到很好的利用,系统的容量也很低。截止到 1976 年左右,纽约市的整个无线电话只有 12 个信道,可同时支持 543 个用户。
为了解决容量问题,AT&T 贝尔实验室在 20 世纪六十年代发明了蜂窝组网的概念,其核心思想是频谱资源的空间复用,即通过控制每个小区的发射功率,同样的频率资源可以被空间上保持一定距离的不同用户使用。蜂窝网小区通信的基本原理如图 1-2 所示。
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在接下来的几十年中,蜂窝网无线通信系统获得了快速发展,并大体上以每十年为一个周期进行更新换代,从 1G 发展到现在的 5G。每一代的更新都在技术、容量、应用和用户体验上较上一代有很大的提升。蜂窝系统的演进时间表如图 1-3 所示。
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1.1.1 1G(1979—)

第一代无线通信系统(1G)出现在 20 世纪 70 年代末 80 年代初,以美国的 AMPS(Advanced Mobile Phone Service)、北欧的NMT(Nordic MobileTelephone)和欧洲的 TACS(Total Access Communication System)为主要代表。1G 系统的第一次商业应用是 1979 年在日本由 NTT 实现的,美国则一直到1983年才开始正式部署 AMPS。
在我国,第一代移动系统的代表是自 1987 年起从欧洲引进的 TACS 系统,引进后在我国获得快速发展,最多时拥有多达 600 万的用户量,当年生活中常见的大哥大即出自于此(见图 1-4)。
1G 采用的是模拟通信制式,采用频率调制(FM)和频分多址(FDMA)的多路复用技术。如在美国,FCC 共为 AMPS 分配了 50MHz 的频谱(其中,上下行各自占据 25MHz 带宽),AMPS 系统的每一个信道采用的都是 30kHz 的调频对语音信号进行调制。
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1G 系统存在很多问题,如:
(1)标准多且不统一。除了 AMPS、NMT、TACS 外,加拿大、德国等国也有各自的系统,这些系统虽然原理接近,但是相互之间难以通用。
(2)安全问题。1G 系统在空中传播的模拟信号是不加密的,任何人都可以
通过模拟接收机轻易截获别人的通话。
(3)频谱效率低。政府分配的频谱资源本身就不多,加上模拟制式本身的
限制,无线通信在当时成了高消费。
(4)服务质量差。模拟制式方式本身造成信号不稳定,相互间干扰严重,
加上没有纠错的功能,严重影响了客户的通话质量。
(5)相互间不可漫游,商务使用和旅行都非常不方便。
正是由于第一代系统的不足,许多国家在第一代系统商用的同时就投入了
第二代系统的研究。

1.1.2 2G(1991—)

第二代移动通信系统(2G)最先于 1991 年在芬兰由 Radionlinja 首次商用。2G 系统以欧洲的 GSM(Global System for Mobile Communication)、美国的D-AMPS(Digital AMPS)、日本的 PDC(Personal Digital Cellular)以及此后不久出现的 IS-95 CDMA 系统(又被称为 cdmaOne)等为主要代表。2G 系统由于采用了先进的数字通信技术,相比 1G 系统大大提高了系统容量和语音通话质量,同时也降低了设备成本和功耗。
欧洲开发的 GSM 是 2G 中最成功的系统。GSM 系统结合了 TDMA、慢跳频(Slow Frequency Hopping)、GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)调制等新的通信技术来传送语音信号,系统容量达到了第一代模拟系统的 3~5倍。该系统首先获得欧洲各国的支持和部署,后来在世界各地获得了巨大的成功。直至今日,第二代的 GSM 系统仍然在世界各地许多运营商的网络中提供语音和低速数据服务,图 1-5 所示为一款诺基亚的第二代 GSM 手机。
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在美国,2G 则分化为两个系统。第一个系统是基于 IS-54 的 D-AMPS(Digital AMPS),采用的是 TDMA/FDMA 和 FSK 调制技术。
该系统将每一个 30kHz 的 AMPS 频道又以TDMA 的方式分为 3 个子信道,提供了相当于 AMPS 模拟系统 3 倍的容量,D-AMPS 可
以兼容美国原有的 AMPS 系统。第二个系统则是由高通公司(Qualcomm)主导推动的 IS-95 CDMA 系统,该系统最早于1995 年在中国香港由 Hutchinson 实现商用,CDMA 采用了技术上更加先进的直接序列 CDMA 技术(Direct-Sequence CDMA),另一种 CDMA 系统为在军事上应用较多的跳频(Frequency-Hopping CDMA)。CDMA 技术在频率利用率、
软切换、抗干扰、过滤背景噪声等方面相对于 TDMA 系统都具有非常大的优势,并且可以提供 10 多倍于 AMPS 的系统容量。但由于 CDMA 在 2G 中的起步较晚,获得的产业链支持相对较少。除此之外,高通的专利收费模式也受到业界争议,因此其在 2G 时代获得的部署范围不如 GSM。 但是 CDMA 作为一种优秀的通信技术在后来的 3G 时代成为主选技术并大放异彩。
2G 系统在最先推出时主要提供语音服务,后来逐步演变增强为也可支持如E-mail、互联网浏览、SMS 等有限的数据服务。基于 GSM 的GPRS(GeneralPacket Radio Service)数据业务通过整合时隙为用户提供 14.4~64kbit/s 传输速率服务,EDGE(Enhanced Data Services for GSM Evolution)则采用了更高阶的调制技术提供更高速率的数据服务。在我国,中国移动和中国联通在 2G 时代部署了 GSM 系统,中国电信则部署了 IS-95 CDMA 系统。
2G 系统基本解决了 1G 系统存在的诸多不足,如信号质量、漫游、安全性等问题,同时提供了更高的容量和最基本的数据通信服务。从 1997 年起,随着用户数的高速增长,系统容量的不足以及数据业务的速率较低等问题日益显现,国际上对于 3G 标准的制定也就进入了实质性阶段。

1.1.3 3G(1999—)

第三代移动通信系统(3G)的主要代表是欧洲的 WCDMA、美国的 cdma2000和中国主导推动的基于时分双工的 TD-SCDMA。这几种标准都是基于 CDMA技术,但是在技术和实现上又各有不同的特点。3G 的第一次商用是由日本的NTT 于 2001 年实现的,采用的是 WCDMA 技术。
3G 系统除了支持语音和短信业务外,还可以更广泛地提供诸如移动互联网、视频电话、移动电视等数据业务。
和 2G 所广泛采用的 TDMA 相比,3G 采用的CDMA 技术具有以下主要特点。
(1)频谱效率高。CDMA 的频谱效率大约是 TDMA 系统的 3 倍。
(2)基站覆盖距离远。在接收端通过采用 RAKE 接收机可以有效地利用无线信道多径效应,CDMA 的链路增益超过 GSM 3~6dB。
(3)同频复用。频率资源可以在不同小区反复使用,大大简化了网络规划。
(4)跨越小区时采用软切换。用户感知好,不易发生切换失败。
WCDMA 和 cdma2000 都采用了频分双工(FDD,Frequency Division Duplex),上下行采用不同的频段进行传送,而 TD-SCDMA 则采用了时分双工(TDD,Time Division Duplex)的方式,上下行采用相同的频段进行传送,TDD 方式在充分利用频谱(尤其是单块的频谱资源)和非对称上下行流量时具有一定优势,但同时也增加了系统的复杂度。
欧洲的 WCDMA 系统和原有的 GSM 有一定的兼容性,由于有 GSM 庞大的用户群以及成熟的产业链做支持,因此在 3G 时代拥有最大的市场。随着智
能手机的发展,移动流量需求上升,WCDMA 后续又演进出 3.5GHz 的 HSPA(High Speed Packet Access),而 cdma2000 则演进出 1×EV-DO(Evolution,DataOnly)支持高速数据服务。
在我国,中国移动在 3G 时代主要部署了 TD-SCDMA 系统,中国联通和中国电信则分别部署了 WCDMA 和 cdma2000 系统。
3G 系统虽然相对 2G 系统拥有诸多技术优势,但是由于在推广初期预期过高,3G 运营牌照拍卖的费用十分高昂,造成运营商反而没钱投入网络建设和部署。此外,原来预想的市场对于无线数据服务的巨大需求和杀手级的应用也没有出现,用户应用仍然主要局限于 E-mail 之类的文本型应用,这些应用并不需要太大的数据流量,因此 3G 初期建设的网络没有得到充分的利用。3G 系统在推广的初期并没达到预期效果。
这种情况一直持续到 2007 年,美国苹果公司推出第一款 iPhone(见图 1-6),自此引发智能手机的革命,引爆了用户对于无线数据业务的巨大需求,情况才得到改观,3G 网络建设和扩容才得以进入快车道。但是与此同时,一种更新的技术标准也出现了,那就是基于 OFDM 技术的 4GLTE 系统
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1.1.4 4G(2009—)

最先出现的第四代移动通信系统(4G)有两个。一个是在美国最先出现的全球互联微波接入(WiMAX,Worldwide Interoperability for Microwave Access),该系统由英特尔公司推动,是从无线局域网 Wi-Fi 演进而来的,采用了和 IEEE802.11a/g 相同的 OFDM 技术。WiMAX 采用了 2005 年完成的 IEEE 802.16e 以及后续演进的 IEEE 802.16m 标准,后来由于各种原因(如对终端移动性的支持较差、产业链不完整以及来自 LTE 的竞争等)而逐步没落。另一个就是目前广泛部署的 LTE,该系统和 WiMAX 有相似之处,同样采用了 20MHz 的系统带宽(LTE 后续通过载波聚合可以达到 5×20MHz)。
世界上第一个商用的 LTE 网络是 2009 年 5 月由爱立信和 TeliaSoNera 在瑞典的斯德哥尔摩启动部署。4G 系统在提供语音通信的同时也提供高速数据服务。
根据双工(Duplex)方式的不同,LTE 系统又分为 FDD-LTE 和 TD-LTE。其最大的区别在于上下行通道分离的双工方式,FDD 上下行采用频分方式,TDD 则采用时分的方式。除此外,FDD-LTE 和 TD-LTE 采用了基本一致的技术和标准。国际上多数运营商部署了 FDD-LTE 系统,TD-LTE 则主要部署于中
国移动以及全球少数的运营商的网络中。
从 3G 到 4G 是一个从低速数据向高速数据传输的演进过程。4G 系统除了提供传统的语音和基本的数据服务外,还提供了移动宽带服务,支持的应用范围涵盖了移动互联网、游戏、HDTV、视频会议、云服务等。

1.1.5 5G(2019—)

LTE 系统虽然技术上非常先进,但是人类社会仍然有不少需求是它无法支持的。此外,LTE 启动也已过去多年了。这些都促使人们从 2012 年左右开始讨论新的一代无线系统—第五代移动通信系统(5G)的愿景。
2015 年 6 月,ITU(国际电信联盟)正式确定了 5G 名称、场景和时间表;WRC15 会议则讨论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 2020 年后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统,5G 系统所带来的最大的改变就是要实现人与物、物与物之间的通信,要实现的是万物互联,推动社会发展。图 1-7 为 ITU-R 定义的 5G 关键能力示意。
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5G 系统的应用场景大体上可以分为 3 类(见图 1-8),而这 3 类应用场景又带来新的技术要求。
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(1)增强移动宽带(eMBB,Enhanced Mobile Broadband)场景:eMBB 可以看成是 4G 移动宽带业务的演进。主要目标为随时随地(包括小区边缘和高速移动等恶劣环境)为用户提供 100Mbit/s 以上的用户体验速率;在局部热点区域提供超过 1Gbit/s 的用户体验速率、数十 Gbit/s 的峰值速率以及数十 Tbit/(s·km2)的流量密度。eMBB 不仅可以提供 LTE 现有的语音和数据服务,还可以实现诸如移动高清、VR/AR 等应用,提升用户体验。在技术上,为了实现这个目标就需要引入新的空口和各种新的技术,如大规模天线(MassiveMIMO)、超密度组网(UDN)等技术,并且需要增加带宽和频率范围等。
(2)海量机器类通信(mMTC,Massive Machine Type Communication)场景:主要面向智慧城市、环境监测、智慧家庭、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景。其主要特点是小数据包、低功耗、大量连接数。这一场景不仅要求网络具有支持超过每平方公里百万连接的连接密度,而且还要保证终端设备的低成本和低功耗。在技术上,为此就需要设计针对此类物联网业务特性的新的空中接口,引入新的多址接入和波形设计,并优化信令和业务流程。
(3)超高可靠低时延通信(URLLC,Ultra Reliable Low Latency Communication)
场景:这一类业务主要包括车联网、工业物联网、远程医疗等应用场景,这类应用要求 1ms 量级的时延和高达 99.999%的可靠性。在技术上,需要设计新的空口、缩短子帧长度、支持新的调度算法和采用更先进的编解码机制以进一步降低传输时延和提高可靠性。
当然,对以上 3 类应用场景的划分是为了简化需求进行的人为划分。实际中出现的应用场景也有可能会介于上述三大类场景之间,这些也都是 5G 系统需要支持的。
总的来讲,5G 的关键技术主要包括新的空中接口技术和网络架构重构两个方面。前者是指新的波形设计/多址技术/信道编解码等物理层技术、新的信令控制流程、新的频段和全频谱接入、大规模天线(Massive MIMO)技术等;后者则是指网络将基于网络功能虚拟化(NFV)/软件定义网络(SDN)向软件化、云化转型,用 IT 方式重构,实现网络切片,提供多样化的服务,以支持低时延和大连接的需要。
5G“三超”(超高速、超低时延、超大连接)的关键能力和万物互联的应用场景将开启人类信息社会的新一轮变革,对社会各领域的渗透与影响也将前所未有。
截至 2018 年 12 月,全球有近 200 家运营商启动了 5G 测试、试验以及部署的计划。多数 5G 试验的应用场景与 AR/VR、固定无线接入、高清视频传输和物联网应用有关。很多国家也已明确 5G 频谱拍卖/分配时间或发布了 5G 推进政策和计划。
在我国,早在 2013 年年初,工业和信息化部、国家发展和改革委员会与科技部就联合成立了 IMT-2020(5G)推进组,还启动了 5G 国家重大专项和“863”计划的 5G 研发项目。工业和信息化部从 2015 年 9 月起组织启动了5G 的技术试验,试验包含关键技术验证、技术方案验证和系统验证 3 个阶段,由运营商、设备商及科研机构共同参与。2019 年 6 月 6 日,工业和信息化部向中国移动、中国电信、中国联通、中国广电发放了 5G 商用牌照,这标志着我国已进入 5G 时代。
综前所述,移动通信的每一代演进都超越并解决了上一代系统的一些问题,除了社会经济发展的需求驱动,通信理论、技术、元器件的发展起到了使
能者的关键作用。1G 建立了首个可用于通话的模拟制式的蜂窝网通信系统;2G实现了从模拟向数字通信的革命性转变、提高了通信容量和安全性;3G 实现了
向数据传输的迈进;4G 时代提供了移动宽带业务;以后的 5G 时代,移动通信将在大幅提升以人为中心的移动互联网业务使用体验的同时,全面支持以物为
中心的物联网业务,实现一个万物互联的理想社会。
展望未来,有一种观点认为,移动通信发展至今已非常成熟,如果 5G 网络能合理地设计部署,我们将不再需要 6G、7G、8G……系统,只需要一些小的改动即可满足未来社会的需要。另一方面,中国、欧洲、美国、日本、韩国等已开始布局 6G 技术研究,但是 6G 相关的技术观点也很多,有的认为使用大于
275GHz 的太赫兹频段实现进一步增强型移动宽带是 6G 的关键,有的认为应该把卫星通信也有效整合起来,以实现人类通信更大的自由度,也有的在研究把人工智能引入移动通信系统。不管怎样,目前,定义的 5G 网络具有很强的灵活性,还没有特别多的应用场景需要改变整个 5G 架构。因此,走好当下的 5G 之路才是最关键的。

1.2 5G 标准化进程

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