5G无线网络规划与设计|带你读《5G无线网络规划与设计》之一-阿里云开发者社区

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5G无线网络规划与设计|带你读《5G无线网络规划与设计》之一

简介: 随着 3G 和 4G LTE网络的普及,全球移动宽带连接在 2010 年超过了固定宽带。由移动通信产生的经济价值在不断增长,预计到 2020 年将达到 3.7×105 亿美元。在过去 30 多年的时间里,移动通信系统几经变革,对科技和社会产生了巨大影响。如今,世界正处于另一次重大转型的临界点,这一转型将进一步扩大移动网络的作用,以满足新一轮新型用例的需求。5G 应运而生。

第 1 章 5G 发展现状

1.1 移动通信系统的发展

  1. 从 1G 到 4G,连接人与人

根据爱立信 2018 年 11 月发布的报告,相比于 2017 年第四季度,2018 年同期全球移动网络数据流量总量增长约 88%,这是自 2013 年第二季度之后出现的最高增长率(2013 年第二季度增长率为 89%)。移动流量急速增长的原因既有智能手机用户数量的激增,又有用户平均流量的提升。仅 2018 年第四季度,全球移动宽带用户数量增长约 2 200 万,其中中国用户增长数量为 200 万。至此,全球移动宽带用户总量达到了 59 亿。在这其中,LTE 用户数量仍在持续增长中,总量达到 36 亿。2018 年第四季度全球出售智能手机数量约为 3 750万,智能手机用户在移动手机用户中占比已达到 65%。截止到 2018 年第四季度,全球移动手机渗透率达人口总数的 104%。
爱立信发布的报告对未来全球移动通信网使用情况进行了预测,如表 1-1所示,可以看出,未来 5 年内虽然移动通信网用户数量增速平缓,但用户对移动数据流量的需求将出现爆发式增长。
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回顾历史,不难看出,几乎每隔 10 年产生一代新的移动通信系统。20 世纪80 年代,业界推出了基于模拟信号传输的第一代移动通信系统(1G),使人们摆脱了固定电话的限制。虽然只能传递语音信号,但是不可否认,1G 的出现彻底改变了人们的沟通、工作和娱乐方式,并为移动通信系统的扩散和发展奠定了基础。
随着移动电话的迅速发展,模拟信号处理技术的局限性日渐突显:终端设备庞大、服务成本高、网络覆盖不连续、频谱使用效率低等。数字信号处理技术推动了移动通信系统从 1G 到 2G 的变革。最初的 2G 基于时分多址(TDMA,Time Division Multiple Access)技术,有效地解决了 1G 网络的局限性。后来又推出了基于码分多址(CDMA,Code Division Multiple Access)的 2G 通信制式,将可支持的语音呼叫数量增加了 10 倍以上,极大地扩充了 2G 网络的容量。
由于在 2G 时代表现突出,CDMA 受到了广泛重视,成为 3G CDMA2000和宽带码分多址(WCDMA,Wideband CDMA)的基础。3G 进一步增加了语
音容量,但更重要的模式转变是优化了移动网络的数据服务。3G 时代的用户不但能够获得移动语音服务,还可通过网络查询移动设备上的电子邮件、天气和新闻。这一转型为移动宽带奠定了基础,推动了智能手机时代的到来。
4G LTE 采用了全新的全 IP、扁平化的网络架构,带来了更快、更好的移动宽带体验。LTE 底层采用了基于正交频分复用(OFDM,Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)波形和多址接入的新物理空口设计[下行链路使用正交频分复用多址(OFDMA,Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access),上行链路使用单载波频分多址(SC-FDMA,Single-carrier Frequency-DivisionMultiple Access)]。最初的 LTE 系统并未达到国际电信联盟(ITUInternationalTelecommunications Union)对 4G 网络的定义,因此,通常也被称为 3.9G。在此后的演进过程中,LTE 不断引入多输入多输出(MIMO,Multiple-Input and
Multiple-Output)、载波聚合、高阶调制等众多新技术,实现了超高速率的无线数据传输,并有效增加了网络容量以应对激增的数据流量需求。
从数据传输能力的角度看,现在出现的新吉比特 LTE 网络可以提供比第一个具有数据传输功能的 2G 网络快约 10 万倍的峰值速率。随着 3G 和 4G LTE网络的普及,全球移动宽带连接在 2010 年超过了固定宽带。由移动通信产生的经济价值在不断增长,预计到 2020 年将达到 3.7×105 亿美元。在过去 30 多年的时间里,移动通信系统几经变革,对科技和社会产生了巨大影响。如今,世界正处于另一次重大转型的临界点,这一转型将进一步扩大移动网络的作用,以满足新一轮新型用例的需求。
5G 应运而生。

  1. 5G:面向未来创新的新型网络

从 1G 到 4G,现有几代移动通信系统着眼于提供更快、更好的语音和数据传输来服务人与人之间的互联。到了 5G 时代,移动通信系统将会产生数量庞
大的多样性无线连接。通过实现万物互联,5G 将会成为重新定义各种行业的创新平台。依托 5G 这个平台,将会产生各种改变世界的创新用例,例如:
• 身临其境的娱乐和体验;
• 更安全、更自动化的运输;
• 可靠地访问远程医疗服务;
• 提升公共安全和保障;
• 更智能的农业;
• 更有效地利用能源/公用事业;
• 更自动化的制造业;
• 可持续的城市和基础设施;
• 数字化物流和零售。
5G 的潜力不限于此,因为仍有许多新型用例尚未可知。为了应对这些未知的用例,5G 的设计考虑了灵活性和可扩展性,以便为未来的创新提供统一的连接平台。

1.2 推动因素

虽然业界广泛认为 5G 能够以其巨大的潜力刺激大量创新性用例的产生,但就目前而言,除了需要更高的容量和速率,以及减少延迟之外,还没有用于早期 5G 部署的杀手级用例或驱动力。即便如此,仍然不难找到一些可以推动早期 5G 部署和商用的用例。
新的 5G 应用主要有 3 类:增强型移动宽带(eMBB,enhanced MobileBroadBand)、超可靠低时延通信(uRLLC,ultra-Reliable Low Latency Communications)和大规模机器类型通信(mMTC,massive Machine Type Communications)。mMTC 主要通过演进和优化现有的蜂窝技术(如 NB-IoT)来实现,但 uRLLC
和 eMBB 需要新技术来打破带宽和时延的边界,这将解锁需要 5G 基础架构的潜在的新型用例。
不难发现,目前有些应用已经受到 4G 能力的限制。对于这些应用来说,5G 具有重要的意义。然而,这只是一个开始,因为每一次容量和速率的飞升总
会产生不可预测的新型应用,这些应用只能在 5G 网络建设进入较为成熟的阶段才会显现出来。爱立信移动在 2017 年 11 月的报告中介绍了一些用例及其支撑技术,如表 1-2 所示。
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初期的 5G 网络与 4G 网络相比,最大的性能提升是显著增加的带宽和超低的端到端延迟。目前比较明确的、能够从这两方面特性中受益的新兴用例主要有以下几种。
(1)增强现实(AR,Augmented Reality)、混合现实(MR,Mixed Reality)和虚拟现实(VR,Virtual Reality)。
(2)移动多媒体:360°、4K/8K 分辨率的演出或体育赛事直播。
(3)远程教育服务。
1.增强现实、混合现实和虚拟现实
AR、MR 和 VR 设备被认为是具市场潜力的技术。根据 ABI Research 的预测,2021 年全球 AR 智能眼镜设备将达到 4 800 万台、VR 设备将超过 2 亿台。
AR、MR 和 VR 这 3 种现实模式各自有其独特的用例和机遇。虽然 4G 网络能够支撑这些现实技术的基本功能,但是一旦开启大规模商用,必将在短时间内耗尽 4G LTE 的基础设施资源,并使用户体验变得难以接受。5G eMBB 具备支撑 AR、MR 和 VR 大规模商用的能力,将会为这些技术带来新的发展机遇。
智能手机从诞生至今,其性能一直在不断提高,未来也必将发展成能够与VR/AR 头盔配合使用的终端设备。例如,谷歌的 Tango 技术使用一种视觉定位
服务(VPS,Visual Positioning Service)实现室内导航,但是目前这种服务很大程度上依赖本地 Wi-Fi 网络来确定其自身位置以及映射空间。5G 技术能够实现更一致的信号覆盖,这将帮助 VPS 组合相机、蜂窝位置和 GPS 的信息进行更精准的空间映射和定位。
目前,VR 设备的分辨率一般为 1 200×1 080 @ 90 fps(每只眼睛)。为了提高保真度和沉浸感,业界正在积极开发 4K 甚至 8K @ 90~120 fps(每只眼睛)的下一代设备。随着设备升级产生的是对无线数据传输速率的更高需求。考虑不同的数据压缩策略,下一代 VR 设备的视频数据带宽需求将会提高几十倍。
一般来说,AR/MR/VR 设备本身的能力是有限的,通常需要依赖智能手机和可穿戴设备,如三星的 GearVR 和微软的 Hololens。然而智能手机等终端的能力也受到电池、芯片等限制。一种 5G 的革命性用例可以将 AR/MR/VR 传感器的输入上传至云端,并将图形渲染处理从智能终端卸载到云端。在这种情况下,只需要一个更简单、低功耗的用户设备,该设备仅作为传感器的记录器、5G 蜂窝发射器和视频解码器。显然这将显著降低 AR/MR/VR 的使用成本,并实现基于云服务使用时间服务模式的更大的市场潜力。
为了实现下一代 AR/MR/VR 设备和 6 自由度(6DoF,6 Degree of Freedom)视频,预计需要 200 Mbit/s~1 Gbit/s 的流带宽。为避免眩晕则需要低于 10 ms的动作到手机延迟。
2.移动多媒体:360°、4K/8K 分辨率的演出或体育赛事直播
大型的体育赛事和娱乐活动都是非常具有投资价值的。以体育赛事为例,每年定期举办的常规性比赛的观众数量可达数亿,如 2017 年美国超级碗有1.113 亿人观看、F1 赛事全球有 4.25 亿观众。其中潜在的巨大市场价值可见一斑。体育赛事也是展示最新技术的绝佳平台。2018 年平昌冬季奥运会上,韩国启用预商用 5G 系统,提供了同步观赛、360°VR 直播等 5G 体验(与 ITU 定义的 5G 体验尚有差距)。赛事举办方和运营商已经着眼于一系列赛事相关 App的开发,将一进步推广 5G 体验在体育赛事中的应用。日本已经明确将在 2020年东京奥运会上推出全球首个 8K 体育赛事现场直播,下一届奥运会也将成为首个拥有 5G 网络覆盖的体育赛事之一。
智能手机显示器正朝着更高分辨率的高动态范围图像(HDR,HighDynamicRange)品质发展。随着越来越多的消费者拥有高端智能设备,超高清的视频流服务也会越来越丰富。NTT DoCoMo 承诺 2020 年东京奥运会上使用的 5G 网络能够向 VR 设备提供高速率的数据流,使用户体验与运动员一起在
体育场馆内的感受。
另外,当前的 360°视频体验基于 3 个自由度(3DoF),能够允许用户在固定位置旋转地环顾四周。未来的体验将扩展到 6DoF,使用户能够四处走动。显然这类体验将在电子游戏领域大受欢迎。
4K 流媒体对数据速率的需求为 25~75 Mbit/s,目前的 4G LTE 也可以满足。但是,8K 流媒体的数据速率需求预计在 100~500 Mbit/s,具体取决于编码选择和多声道混音。而 6DoF、360°视频带宽需求更大,预计为 400~600 Mbit/s,甚至更高,同时要求延迟不超过 20 ms,具体取决于分辨率、压缩、用户反馈性能预期(快/慢移动)和移动范围等因素。
3.远程教育服务
远程教育服务并不是一个新的概念,借助于个人电脑的远程教育服务已经发展许多年。但是,随着无线网络和移动设备的发展,越来越多的年轻人可以利用移动设备享受各种不同等级的教育服务(如基础教育、再进修等)。远程教育服务对于偏远地区的学龄儿童来说尤为重要。这些学生上学困难、师资极度有限,远程教育能够在一定程度上缓解现有的困难。
5G 移动服务可以利用固定无线接入(FWA,Fixed Wireless Access)技术等向偏远农村地区提供快速连接和高速率传输,提供的高质量视频流将有利于
教师表达完整的文本和图标白板,不会因为数据压缩或低分辨率而丢失细节。同时远端的学生可以根据需求在进行局部放大时仍然能够清晰地阅读。
更进一步地,可以借助 VR 为学生提供原生的课堂风格沉浸式体验,让学生和教师自然有效地进行互动。
上述这些远程教育服务将需要 100~200 Mbit/s 数据速率和低于 20 ms 的端到端延迟,以确保实现舒适的、实时的交互。为了能够服务到偏远地区的学生,还需要全面、可靠的移动网络覆盖。
综上所述,目前比较明确的 5G 用例及需求如表 1-3 所示。
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1.3 5G 标准化现状

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