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带你读《6G需求与愿景》第一章信息技术及移动通信发展历史1.2 移动通信发展历史(二)

简介: 带你读《6G需求与愿景》第一章信息技术及移动通信发展历史1.2 移动通信发展历史
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1.2.4 第四代移动通信

 

为了克服 3G技术存在的不足,第三代合作伙伴计划(3GPP)于2004年年底启动了下一代移动通信系统的标准化工作,并命名为长期演进(Long Term Evolution,LTE)。而 ITU于 2008年完成了 IMT-2000(即 3G)系统的演进——IMT-Advanced

(即俗称的“4G”)系统的最小性能需求和评估方法等的制定。为了保持3GPP标准的技术优势和市场竞争优势,3GPP于 2008年 4月正式开始了 LTE演进标准——LTE-Advanced(简称为LTE-A)的研究和制定工作,并于2010年 6月通过 ITU的评估,于 2010年 10月正式成为4G的主要技术之一。

IMT-Advanced(即 4G)定义的蜂窝网络系统必须满足以下要求。1)基于全IP(AllIP)分组交换网络。

2)在高速移动性的环境下达到约100Mbit/s的数据速率;在低速移动性的环境下达到约 1Gbit/s的数据速率,即移动/固定无线网络接入的峰值数据速率。

3)能够动态地共享和利用网络资源来支持每单元多用户同时使用。

4)使用 520MHz可扩展的信道带宽,高达 40MHz

5)链路频谱效率的峰值为 15bit/(s·Hz)(下行)和 6.75bit/(s·Hz)(上行)。

6)系统频谱效率下行 3bit/(s·Hz·cell),室内 2.25bit/(s·Hz·cell)7)支持跨不同系统网络的平滑切换。

8)提供高服务质量(QualityofService,QoS),具备支持新一代多媒体的传输能力。

4G以正交频分复用多收发(OFDM-MIMO)天线技术和空分多址(SDMA)技术为基础,采用 Turbo码编码技术,支持 FDD和 TDD两种模式,其网络结构如图 1-4 所示。

image.png

 

图 1-44G网络结构

 

4G网络分为演进的通用移动通信系统陆地无线接入网(E-UTRAN)和演进分组核心网(EvolvedPacketCore,EPC)两部分。首先,接入网的结构更为扁平化,整个网络只有一种基站——eNodeB。eNodeB的功能由 3G阶段的 NodeB、RNC、SGSN、GGSN的部分功能演化而来,新增加了系统接入控制、承载控制、移动性管理、无线资源管理、路由选择等功能,并可以通过 X2接口互联。其次,EPC能够前向兼容已有的系统架构,并将之前的相关实体取代成移动管理实体(Mobile Management Entity,MME)与服务网关(ServingGateway,SGW),将电路域和分组域的业务统一承载在分组域上,实现了核心网的全 IP 化,并将控制面和用户面相分离。

整体而言,4G网络为全 IP化网络,可有效满足移动通信业务的高带宽发展需求。与 3G通信系统相比,4G通信系统数据传输速率更快,且能够更好地对抗无线传输环境中的多径效应,系统容量和频谱效率得到大幅提升。然而,随着经济社会及物联网技术的迅速发展,云计算、智慧城市、车联网等新型网络和业务形态不断产生,对通信技术提出了更高层次的需求。移动通信网络应面向工业制造、智慧交通、智能电网等领域提供个性化的服务,而以高带宽为特性的 4G网络难以满足超低时延、大规模接入和超高带宽等业务需求。面对这些存在的问题,5G技术被提上了日程。

 

1.2.2         第五代移动通信

 

2015年 10月 26—30日,在瑞士日内瓦的决议,并正式确定了5G正式名称为“IMT-2020”。第一个5G标准是3GPP的第15版(Release15),已于2018年 6月冻结,并于 2019年开始了商用部署。2019年被认为是中国 5G元年,在这一年的 6月 6日,工业和信息化部正式向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放了 5G商用牌照,标志着5G时代的正式开启。

与 2G、3G、4G不同,5G并不是一种单一的无线接入技术,而是多种新型无线接入技术和现有 4G后向演进技术集成后的解决方案总称。从某种程度上讲,5G是一个真正意义上的融合网络。5G网络融合了 SDN、NFV、超密集异构网络、自组织网络、内容分发网络、D2D通信、大规模 MIMO、毫米波、多连接等技术,实现了峰值速率、用户体验数据速率、频谱效率、移动性管理、连接数密度、网络能效等指标的全面提升[4]。相对于 4G技术,中国 IMT-2020(5G)推进组设置的 5G关键技术指标要求如图 1-5所示。

                             image.png

图 1-5

中国IMT-2020(5G)推进组设置的 5G关键技术指标要求相对于 4G,5G考虑了更多的性能维度提升,包括:峰值数据速率由 1Gbit/s

提升至 20Gbit/s;城区和城郊用户体验速率达到 100Mbit/s,某些热点地区的用户体验

数据速率提升至 1Gbit/s;频谱效率提升 3倍;支持的移动速度由 350km/h提升至

500km/h;支持极低时延要求服务,端到端时延从 10ms 降低到 1ms;支持更多数量的

设备连接,连接数密度由每平方千米 105个设备提升至每平方千米 106个设备;网

络能效提升100倍;区域通信能力提升100倍,由0.1Mbit(/  s·m2)提升至10Mbit(/  s·m2)。基于上述8个方面能力的增强,5G网络开始具备渗透垂直行业的能力,支持的应用场景涵盖增强型移动宽带(eMBB)、超高可靠和低时延通信(uRLLC)和海量机器类通信(mMTC)三大场景。具体场景特征和关键技术将在第 2章进行详细介绍。

在无线侧,5G融合了多种现有无线通信技术,利用毫米波、大规模 MIMO等技术提升吞吐量,并支持独立组网和非独立组网两种架构。在核心网侧,5G旨在通过单个 5G核心网络满足各种应用的不同需求。因此,5G核心网络需要提供多种新功能,如敏捷资源分配、灵活的网络重构以及对各种平台的开放访问等。5G核心网络的典型演进包括移动边缘计算(MEC)、软件定义网络(SDN)、网络功能虚拟化(NFV)和网络切片等。5G系统的网络结构如图 1-6所示。


image.png

图 1-65G系统的网络结构

 

图 1-6中 UE为用户终端,(R)AN为(无线)接入网络,DN为运营商数据网络,其他部分为 5G 核心网功能实体,其描述见表 1-1。

表 1-1 5G核心网络实体功能描述

 

5G网络功能

中文名称

类似 4GEPC网元

AMF

接入和移动管理功能

MME 中 NAS 的接入控制功能

SMF

会话管理功能

MME、SGW-C、PGW-C 的会话管理功能

UPF

用户平面功能

SGW-U+PGW-U 用户平面功能

UDM

统一数据管理

HSS、SPR 等

PCF

策略控制功能

PCRF

AUSF

认证服务器功能

HSS 中的鉴权功能

NEF

网络能力开放

SCEF

NSSF

网络切片选择功能

5G 新增,用于网络切片选择

NRF

网络注册功能

5G 新增,类似增强 DNS 功能

 

5G核心网借鉴了 IT领域的“微服务”理念,采用了基于服务的架构(ServiceBasedArchitecture,SBA),通过模块化和软件化以实现面向不同场景需求的切片目的。

当前,5G移动网络的最终设计目标是满足终端用户多样化的服务质量(QoS)需求,这就要求网络实体能够实现对网络环境的认知和自主决策。网络层、控制层和管理编排层中的不同网络实体(如无线设备、基站和 SDN控制器)需要做出本地自主决策,包括频谱接入、信道分配、功率控制等,以实现不同网络的不同目标,如吞吐量最大化、时延和能量最小化等。随着移动通信网络规模的不断扩大和复杂化,我们面临着一个更加分散和多样化的网络环境。网络状态的动态性和不确定性,以及异构无线用户之间的共存和耦合,使得网络控制问题变得非常具有挑战性。5G架构难以同时满足三大场景的需求,且资源的调度过程仍然缺乏足够的弹性,难以满足资源随需即用的要求。针对这些问题,提出了 6G需求。

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