LTE网络的相关知识

信令流程——管理流程高效简洁

       (6)支持端到端的QoS。传输网络层向无线网络层提供适当的QoS。

从网络侧到无线侧,3GPP和WLAN实现更精细化、更深度融合。最初,网络侧提供有助于网络发现和选择的数据及策略,实现辅助网络发现和选择。在无线侧,LTE与WLAN从融合到聚合。LTE与WLAN融合是指通过RAN系统广播或专用信令发送WLAN详细信息,辅助接入网选择和业务路由。在LTE-A
Pro阶段,3GPP进一步研究LTE与WLAN的聚合,即采用载波聚合或双连接架构,在无线侧将LTE和WLAN无线资源进行聚合,实现在支持WLAN接入的同时,WLAN对核心网是透明的。

基于上下文感知的业务分发和MEC

图 13:5G NR 原生地支持所有频谱类型

网络架构——扁平化架构降低“时延”

      
(7)QoS机制需要考虑存在的多种业务类型,保证有效的带宽使用率,例如:控制平面业务,用户平面业务,以及Q&M业务。

引入全维多天线进一步提升系统容量。基于OFDM的LTE易于引入多天线技术,从LTE最初版本R8到LTE-A
Pro即R13/R14,多天线技术持续增强。基于有源天线的全维多天线可以在水平波束赋形基础上进行垂直波束赋形,从而实现密集城市中对不同楼层的覆盖,支持高阶多用户MIMO,实现小区内和小区间干扰协调。LTE-A
ProR13版本支持最大16端口的全维MIMO,R14在R13基础上进一步扩展端口能力,支持最大32端口的全维MIMO。未来的5G系统将支持更多端口的全维多天线,如64端口、128端口。

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图6 LTE演进中的时延降低

图 1:5G 的应用领域

对于管理而言,这一机制值得思考与借鉴。每条命令、每项工作的完成达成的目的多少直接决定了效率的高低。抓要点、理关键,必然可以做到事半而功倍。而“事件转周期”的上报方式,可以引入日常的工作汇报中,兼顾了内容的全面和流程的简洁。

       通信网络中一些网元的解释:

在移动宽带基本业务能力方面,LTE-A
Pro及演进的能力基本匹配5G需求,但面向5G的虚拟现实等时延敏感型业务,LTE-A
Pro技术还需要进一步优化。

3D-MIMO无论是在提升接收和发送的效率、多用户MIMO的配对用户数,还是在降低小区间的干扰方面,相对于传统天线都有更好的性能,是5G提升频谱效率的最核心技术。

○ 能耗少(Low power
consumption):可以通过单载波波形,实现高能效上行链路传输。

LTE网络系统结构最大的特点就是“扁平化”。网络层级的减少直接保证了LTE的时延要求(控制面时延小于100ms,用户面时延小于10ms)。这一点同样可以引入我们日常工作的组织架构中,减少节点,让沟通更加顺畅,必然让我们的工作“时延”减小。

       (3)尽可能不通过增加额外的回程开销,最小化“单点失败”的出现机会。

载波聚合有效地利用各种离散频谱。LTE向更多载波数、不同类型频谱、更多技术间的载波聚合发展。LTE-AR10阶段支持5个载波的聚合(即支持100Mhz带宽),LTE-A
Pro中支持32个载波的聚合,即最大640Mhz带宽,支持的峰值速率达到10Gbps,系统吞吐量达到2Gbps。

如图2所示,3D-MIMO一般采用大规模的二维天线阵列,不仅天线端口数较多,而且可以在水平和垂直维度灵活调整波束方向,形成更窄、更精确的指向性波束,从而极大地提升终端接收信号能量,增强小区覆盖。传统的2D-MIMO天线端口数较少,导致波束较宽,并且只能在水平维度调整波束方向,无法将垂直维度的能量集中于终端,且仅能在水平维度区分用户也导致其同时同频可服务的用户数受限。3D-MIMO可充分利用垂直和水平维度的天线自由度,同时同频服务更多的用户,极大地提升系统容量,还可通过多个小区垂直维波束方向的协调,起到降低小区间干扰的目的。

目前 LTE
网络的编码还不足以应对未来的数据传输需求,因此迫切需要一种更高效的信道编码设计,以提高数据传输速率,并利用更大的编码信息块契合移动宽带流量配置,同时,还要继续提高现有信道编码技术(如
LTE Turbo)的性能极限。

       (2)提高频谱效率(达到Release 6的2~4倍)。

1.LTE与WLAN深度融合

为了满足5G的需求,3GPP从网络架构、无线帧的设计、3D-MIMO、非正交多址、协议状态转换等方面对5G系统进行了全新的设计,在传输效率、时延等方面都有大幅的性能提升。考虑到5G的商用要到2020年,真正形成实际网络能力还需时日,将这些5G技术提早应用到现有的4G网络,并提早发挥作用,是5G技术4G化的最大吸引力。目前移动通信行业的专家们正致力于此,3D-MIMO、MEC技术等已在4G网络中开始应用,对现有核心网的SDN/NFV改造也已经开始试点,基于上下文感知的业务分发和轻连接正在3GPP标准化。相信这些技术终将会在4G网络的演进中得到验证和应用,为4G的发展做出应用的贡献。

  1. 通过 OFDM 加窗提高多路传输效率(Enabling efficient services
    multiplexing with windowed OFDM)

在LTE中,调度是指为上下行链路分配时隙资源,基本目标是在满足QoS的前提下,利用不同UE之间的信道质量及其他条件的不同,尽可能最大化系统容量。“正比公平算法”综合考虑了小区容量及用户业务的QoS,兼顾调度用户的公平性。每一个团队的工作都需要合理地调度每一个人才能取得最优的结果、最大的成功。而对于团队成员的调度无外于两种主要方式:惩罚和激励。适度的惩罚和激励是积极的,能持续提高效率。过度惩罚是无效的,一个经常被否定的成员,有多少工作热情也会荡然无存。只有合理的调度才能使团队的成员互为呼应,默契配合,有序而不乱。

       (3)核心网中不再有电路域,EPC成为移动电信业务的基本承载网络。

移动宽带能力的进一步提升

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图1 基于SDN/NFV的网络切片

  1. 自包含集成子帧(Self-contained integrated subframe)

OFDM——众人拾柴火焰高

      
(4)减小控制平面时延,UE从待机状态到开始传输数据时延不超过100ms(不包括下行寻呼时延)。

技术和资源整合

在时延降低方面,3GPP也已经在进行轻连接的标准化,通过引入连接态和空闲态之外的非激活态,可以进一步提升终端的节能效果,同时降低终端接入的时延。

对无线通信稍有了解的人应该知道,频率越高,能传输的信息量也越大,也就是体验到的网速更快。正是因为这一优势,我们把目光聚焦在了频率极高的毫米波上(目前毫米波主要应用于射电天文学、遥感等领域)。全新
5G 技术正首次将频率大于 24 GHz
以上频段应用于移动宽带通信。大量可用的高频段频谱可提供极致数据传输速度和容量,这将重塑移动体验。但毫米波的利用并非易事,使用毫米波频段传输更容易造成路径受阻与损耗。通常情况下,毫米波频段传输的信号甚至无法穿透墙体(回想一下你家的
5GHz Wi-Fi 有多容易被墙体屏蔽),此外,它还面临着波形和能量消耗等问题。

OFDM,即正交频分复用技术,它是LTE的关键技术之一,采用多个频率并行发送,以实现宽带的传输,各个子载波相互交叠,相互正交,从而极大地提高了频谱的效率。对于工作而言,即“1+1>2”的高效协作。小溪只能泛起小小的浪花,大海才能迸发出惊涛骇浪。个人之于团队,正如小溪之于大海。每个人都有自己的优点,同时,也有着自身的不足,虽说勤能补拙,然而,要求每个人都做到这一点却不是那么容易的事情。在一个团队里,利用每一个成员的知识和技能协同工作,充分发挥个人优势,那么,这个团队将无比强大。

      
LTE(Long Term Evolution,长期演进) 就是3GPP的长期演进,是3G与4G技术之间的一个过渡,是3.9G的全球标准,它增强了3G的空中接入技术,采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准,为降低用户面延迟,取消了无线网络控制器(RNC),采用扁平网络结构。在20MHz频谱带宽下能提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能,提高小区容量和降低系统延迟。

业界广泛认为移动通信十年一个周期,目前第四代移动通信技术LTE已在全球大规模商用,第五代移动通信的技术研究和标准化提上议程。目前移动通信界已达成共识,5G阶段将有全新的空中接口和网络架构,同时LTE-Advanced将会持续演进,并将成为5G重要的一部分,此外,5G新空中接口将与LTE-Advanced增强技术紧密配合,提升整网性能。

5G网络需要针对用户的行为、偏好和终端、网络的状态和能力,提供最佳的用户体验,实现以用户为中心的网络部署,5G网络架构的主要设计理念如图5所示。

4G 的到来仿佛还在昨日,5G 却已近在咫尺。根据 3GPP 的规划, 5G
的大规模测试和部署,最早将于 2019 年开始。也就是说,很快我们就可以享受到
5G 带来的全新体验。然而作为全球通信标准,5G
的意义当然不局限于网速更快,移动宽带体验更优,它的使命在于连接新行业,催生新服务,比如推进工业自动化、大规模物联网、智能家居、自动驾驶等。这些行业和服务都对网络提出了更高的要求,要求网络更可靠、低时延、广覆盖、更安全。各行各业迥异的需求迫切呼唤一种灵活、高效、可扩展的全新网络。5G
应运而生。

LTE系统每条信令都相当于2G、3G系统2~3条的信令内容。尤其特别的是这一系统的事件上报方式与2G、3G均有所不同。在LTE系统中,事件被触发并上报后转为周期上报。这一方式可有效防止因报告遗失或内部流程的失败造成的影响,也可以起到重试的作用,更重要的是,一次事件报可能内容并不全,通过事件转周期可以得到更为完整的结果。

       (2)基于分组业务的网络架构,支持实时以及会话类业务。

随着产业的整合,越来越多的设备提供商具备多技术研发能力,这为多技术间深度融合提供了基础和动力。随着LTE-A系统自身能力的逐步完善和稳定,3GPP开始研究如何能更好地实现LTE与WLAN技术的融合,提升用户体验和网络服务质量。最初,蜂窝技术通过统一业务和网络管理、策略控制、无线资源管理等紧方式实现与WLAN的融合发展,WLAN作为一种无线技术融入蜂窝网络。随着越来越多的LTE-A和WLAN双模基站设备的规划与研发,两个技术间信息的共享使得更深度融合成为可能,目标实现智能分流控制、无缝漫游及无缝业务分流,运营商在设备、网络部署和资费上,整合蜂窝和WLAN资源。

4G在全球市场已经广为普及,在深刻地改变着人们生活的同时,也在不断创造新的需求,推动着4G技术的演进和发展。而5G大规模商用将在2020年以后,在此之前的市场需求只能由4G及其演进技术来满足。目前,3GPP已经在考虑将面向5G应用的技术提前引入到4G系统,在不影响后向兼容的条件下,对4G系统的技术能力、服务效率进行提升和增强,使其尽可能地满足5G网络的要求,并且在现有4G网络上早日应用。

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电信技术业务移动化、宽带化和IP化的趋势日益明显,移动通信技术处于网络技术演进的关键时期。LTE系统作为下一代移动通信的统一标准,具有高频谱效率、高峰值速率、高移动性和网络架构扁平化等多种优势。这一高效的网络系统带给我们的不仅仅是良好的网络感知,透过它的运行模式更带给我们对工作方式的思考。

      
LTE采用扁平化、IP化的网络结构,E-UTRAN用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB结构,各网络节点之间的接口使用IP传输,通过IMS承载综合业务,原UTRAN的CS域业务均可由LTE网络的PS域承载。其中,E-UTRAN由eNB构成;EPC由MME,S-GW以及P-GW构成。相对UMTS得网络结构而言,LTE网络结构进行了大幅度简化。

4G的普及与应用为移动互联网的发展打开了大门,伴随着消费电子产品的进步与发展,移动通信技术正时刻改变着人们的生活,同时也刺激着移动通信需求的进一步发展。5G作为面向2020年及以后的移动通信系统,其应用将深入社会各个领域,作为基础设施为未来社会提供全方位的服务,促进各行各业的转型与升级。

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调度算法——团队激励机制

        LTE网络架构的需求:

发送端在单用户信道编码之后,进入核心的码本映射模块,包括调制映射、码域扩展和功率优化,这3个部分也可联合设计,以获得额外编码增益。在接收端经过多用户联合检测后的软信息可输入单用户纠错编码的译码模块进行译码,也可以将信道译码的结果返回代入多用户联合检测器进行大迭代译码,进一步提升性能。在这个通用结构图中,上下行多接入的区别在于多用户信号叠加的位置不同,下行多用户信号在经过信道前,在发送端叠加,而上行多用户信号则在经过无线信道后,在接收端叠加。

简单归纳起来,OFDM 有以下优势:

       LTE对空口和接入网的技术指标包括:

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图2 3D-MIMO的技术原理

  1. 先进的信道编码设计(Advanced channel coding design)

【嵌牛导读】:随着LTE技术标准的完善和成熟,各运营商在LTE技术上投入的不断加大,对LTE系统核心网网络架构各部分网元功能的分析变得至关重要,本文通过分析各网元的功能,实现对核心网架构的一个简单介绍。

3D-MIMO

  1. 灵活的框架设计(A flexible framework)

  2. 先进的新型无线技术(Advanced wireless technologies)。

       (1)峰值数据速率,下行达到100Mbit/s,上行50Mbit/s。

在逻辑功能上,基于核心网与无线网的功能重构,促使核心网专注于用户签约与策略管理以及集中控制。而其用户面与业务承载功能继续下沉,业务承载的管理与业务数据的路由和分发可部署在更靠近用户的接入网,从而构建更加优化的业务通道,使得业务的路由通道更加简化,避免业务瓶颈,降低集中传输负荷。同时,基于对数据和业务内容的精细化感知,接入网不仅可以在本地生成、映射、缓存、分发数据,还可实现业务的本地就近智能分发和推送。

目前,通过 OFDM 子载波之间的 15 kHz 间隔(固定的 OFDM 参数配置),LTE
最高可支持 20 MHz
的载波带宽。为了支持更丰富的频谱类型/带(为了连接尽可能丰富的设备,5G
将利用所有能利用的频谱,如毫米微波、非授权频段)和部署方式。5G NR
将引入可扩展的 OFDM 间隔参数配置。这一点至关重要,因为当 FFT(Fast
Fourier
Transform,快速傅里叶变换)为更大带宽扩展尺寸时,必须保证不会增加处理的复杂性。而为了支持多种部署模式的不同信道宽度,如上图所示,5G
NR
必须适应同一部署下不同的参数配置,在统一的框架下提高多路传输效率。另外,5G
NR 也能跨参数实现载波聚合,比如聚合毫米波和 6GHz
以下频段的载波,因而也就具有更强的连接性能。

       (8)最小化时延抖动,比如针对分组通信的TCP/IP。

对比4G
OFDMA正交多址的物理层过程,5G新型非正交多址物理层过程引入新模块变化的动机主要有如下几个方面:通过新的(多维)调制映射设计,获得编码增益和成型增益,提升接入频谱效率;通过(稀疏)码域扩展,获得分集增益,增强传输顽健性,也白化小区内或小区间数据流间的干扰;通过非正交层间的功率优化,最大化多用户叠加的容量区。

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S-GW(Signaling Gateway,服务网关)负责UE用户平面数据的传送、转发和路由切换等,同时也作为eNodeB之间互相传递期间用户平面的移动锚,以及作为LTE和其他3GPP技术的移动性锚。另一方面S-GW提供面向E-UTRAN的接口,连接NO.7信令网与IP网的设备,主要完成传统个PSTN/ISDN/PLMN侧的七号信令与3GPP R4罗侧IP信令的传输层信令转换。

5G技术4G用

显然,5G NR 的设计是一项大工程,搭建 5G NR
不可能也不必从零开始,事实上,5G 将在很大程度上以 4G LTE
为基础,充分利用和创新现有的先进技术。Qualcomm 认为,要实现 5G NR
的搭建,有三类关键技术不可或缺:

      
(5)如果需要提高系统性能,不排除无线网络层(RNL)与传输网络层之间的交互。

5G网络架构最大的特征就是基于SDN/NFV技术,通过面向服务的云化网络,实现端到端的网络切片,从而实现业务的灵活和快速部署,基于SDN/NFV的网络切片如图1所示。而无线网络为了满足低时延、高速率、高效率等众多需求,除基站的架构需要引入CU/DU分离之外,还需要引入许多新的技术和设计。

除此之外,5G NR 同样支持同一频率下以不同的 TTI 进行多路传输。比如,高
Qos要求的移动宽带服务可以选择使用 500 µs 的TTI,而不是像 LTE
时代只能用标准 TTI,同时,另一个对时延很敏感的服务可以用上更短的
TTI,比如 140 µs,而不是非得等到下一个子帧到来,也就是 500 µs
以后。也就是说上一次传输结束以后,两者可以同时开始,从而节省了等待时间。

       EPC核心网架构的特征:

业务下沉与业务数据本地化处理

  1. 通过子载波间隔扩展实现可扩展的 OFDM 参数配置(Scalable OFDM numerology
    with scaling of subcarrier spacing)

       (1)控制面与用户面完全分离,网络趋向扁平化。

在可预见的时间内,4G/5G/Wi-Fi等多种网络将长期共存,因此,5G网络架构必须支持多种网络的深度融合,实现对于多种无线技术/资源的统一和协调管理,并基于承载与信令分离,信令与制式解耦,实现与接入方式无关的统一控制,使得无线资源的利用达到最大化。同时,未来的终端也将普遍具备多制式、多无线的同时连接和传输能力。在多维度业务接纳与控制的基础上,5G网络将基于时延容忍度、丢包敏感度以及不同的APP、业务提供商,支持精确的网络选择与无线传输路径与方式,实现最佳资源匹配。

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为了实现这一目标,除了要考虑空中接口技术的严禁之外,还需要考虑网络体系结构的改进。对无线接入网网络架构的研究就是要找出最优的网络结构并考虑介入网内以及接入网与核心网之间的功能划分,以期望实现更高的数据速率、更低的时延。

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图4 新的去激活状态

图 8:5G NR 独立集成子帧

【嵌牛提问】:什么是LTE核心网?其主要网络架构又是什么?

以智能无线管道为目标,通过引入更精细化的业务与用户区分机制,根据业务场景、用户能力、用户偏好及网络能力等,自适应配置空口技术、系统参数等,实现端到端的精细而多样化的网络连接、业务和内容区分与处理。5G网络架构将能支持基于对业务与用户的预测、分析、响应和处理能力,实现自适应的空口接入与管理、端到端的精细而多样化的业务和内容区分与处理,提供更精准、更完备的用户个性化、定制化的资源配置和网络服务,以满足多样化的用户及业务需求,并确保一致的、高质量的用户体验。

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(2)支持3GPP与非3GPP(如Wi-Fi、WiMAX等)的多种方式的接入,并支持用户在3GPP网络和非3GPP网络之间的漫游和切换。

用户为中心的网络

图 10:毫米波

【嵌牛鼻子】:LTE 核心网

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图3 5G定义的子帧格式

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       (1)单一网络结构。

时延缩短

二.灵活的框架设计

       (3)接入网时延(用户平面UE-RNC-UE)时延不超过10ms。

至于其它5G技术的4G用,如非正交多址等,3GPP已讨论过功率域的非正交多址接入(NOMA),而码域的非正交技术也可能得到应用。

○ 频率局域化(Frequency
localization):可以通过加窗和滤波,提升频率局域化,最大限度减少信号干扰。

       LTE网络整体结构:

更快速的状态转换

前文提到,5G
将被应用于大规模物联网,这意味着会有数十亿设备在相互连接,5G
势必要提高多路传输的效率,以应对大规模物联网的挑战。为了相邻频带不相互干扰,频带内和频带外信号辐射必须尽可能小。OFDM
能实现波形后处理(post-processing),如时域加窗或频域滤波,来提升频率局域化。如下图,利用
5G NR OFDM 的参数配置,5G 可以在相同的频道内进行多路传输。

      
P-GW(Packet data networks gateway,分组数据网网关)管理用户设备(UE)和外部分组数据网络之间的连接。一个UE可以与访问多个PDN的多个PGW同步连接。PGW执行政策的实施,为每个用户进行数据包过滤、计费支持、合法拦截和数据包筛选。分组数据网网关也是推动对处理器和带宽性能增加需求的关键网络元素。

5G技术如雨后春笋

我们在开头提到过,5G
必然是在充分利用现有技术的基础之上,充分创新才能实现的,而 4G LTE
正是目前最先进的移动网络平台,5G 在演进的同时,LTE
本身也还在不断进化(比如最近实现的千兆级4G+),5G
不可避免地要利用目前用在 4G LTE 上的先进技术,如载波聚合,MIMO
技术,非共享频谱的利用,等等;可以说,5G 在很大程度上是以 4G 为基础的。

      
MME(Mobility Management Entity,移动管理设备)提供了用于LTE接入网络的主要控制,并在核心网络的移动性管理,包括寻呼、安全控制、核心网的承载控制以及终端在空闲状态的移动性控制等。它跟踪负责身份验证、移动性,以及与传统接入2G/3G接入网络的互通性的用户设备(UE)。

自包含帧结构

使用共享频谱和非授权频谱,可将 5G
扩展到多个维度,实现更大容量、使用更多频谱、支持新的部署场景。这不仅将使拥有授权频谱的移动运营商受益,而且会为没有授权频谱的厂商创造机会,如有线运营商、企业和物联网垂直行业,使他们能够充分利用
5G NR 技术。5G NR
原生地支持所有频谱类型,并通过前向兼容灵活地利用全新的频谱共享模式。这为在
5G
中创新的使用频谱共享技术创造了机遇。我们在频谱共享技术领域,同样走在前沿,比如
LTE-U,LAA, LWA, CBRS, LSA, 还有MulteFire,这些技术已经用在了 LTE 上,5G
NR 将在这基础上加以创新。

      
当前,全球无线通信正呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势,移动通信行业的竞争极为激烈。在现有技术还没有大规模商用之前,一些无线宽带接入技术也开始提供部分的移动功能,通过宽带移动化,试图进入移动通信市场。为了维持在移动通信行业中的竞争力和主导地位,3GPP组织在2004年11月启动了长期演进过程LTE以实现3G技术向4G的平滑过渡。3GPP计划的目标是:更高的数据速率、更低的延时、改进的系统容量和覆盖范围以及较低的成本。

此外,为了保持移动通信产业的可持续发展,5G还需要进一步提升网络建设、部署、运营方面的效率和便捷程度,如相比4G,频谱效率提升5~15倍,能源效率提升百倍,成本效率提升百倍以上。

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【嵌牛正文】:

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图5 5G无线网络架构

三.先进的新型无线技术(Advanced wireless technologies)

作者:张成哲    班级:1402019    学号:14020199042

LTE详细定义了各种基于线阵的MIMO和智能天线的模式,在4G网络中得到了大规模应用,特别是在TD-LTE网络中,8天线得到了很好的普及和验证。随着5G技术的研究,3D-MIMO技术成为业界的热点,为此3GPP也进行了相关的研究和标准化(FD-MIMO)工作。特别对于TD-LTE系统来说,利用信道的互易性,可以基于实现而不对标准有任何改动,就可以把3D-MIMO技术引入到TD-LTE网络当中,既能兼容已有的终端,又能大幅提升现有网络的容量。TD-LTE产品研发进展领先的企业,如中兴、华为都已经发布了支持128天线、64个独立射频通道的2.6GHz的3D-MIMO商用产品,并开始在中国移动的4G网络中部署。现网测试表明,3D-MIMO技术可大幅度提升网络容量,网络负荷越高,容量增益越大。

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       (4)尽可能简化和最小化引入的接口数目。

3D-MIMO

图 6:5G NR 可针对不同服务进行高效多路传输

轻连接(light connection)

○ 频谱效率高(High spectral efficiency:):可以高效使用
MIMO,提高数据传输效率。

用户与业务内容的智能感知

图 4:可扩展子载波

面对5G提出的更高频谱效率、更大容量、更多连接以及更低时延的总体需求,5G多址的资源利用效率必须更高。因此,在近两年的国内外5G研究中,资源非独占的用户多址接入方式广受关注。在这种多址接入方式下,没有哪一个资源维度下用户是具有独占性的,因此在接收端必须进行多个用户信号的联合检测。得益于芯片工艺和数据处理能力的提升,接收端的多用户联合检测已成为可实施的方案。

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5G将提供光纤般的无线接入速度,“零时延”的使用体验,使信息突破时空限制,可即时予以呈现;5G将提供千亿设备的连接能力、极佳的交互体验,实现人与万物的智能互联;5G将提供超高流量密度、超高移动性的连接支持,让用户随时随地获得一致的性能体验;同时,超过百倍的能效提升和极低的比特成本,也将保证产业可持续发展。超高速率、超低时延、超高移动性、超强连接能力、超高流量密度,加上能效和成本超百倍改善,5G最终将实现“信息随心至,万物触手及”的愿景。

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5G系统为了进一步降低发送的时延,对时隙的结构和收发的反馈进行了新的设计。对于TDD系统,通过引入更多的上下行转换点,缩短发送和反馈之间的响应时间,这种帧结构的设计也叫自包含的帧结构;对于FDD系统,则可以通过更短的调度和传输周期,缩短传输时延,5G定义的子帧格式如图3所示。

作为下一代蜂窝网络,5G 网络以 5G NR (New Radio) 统一空中接口(unified
air
interface)为基础,为满足未来十年及以后不断扩展的全球连接需求而设计。5G
NR
技术旨在支持各种设备类型、服务和部署,并将充分利用各种可用频段和各类频谱。

面向服务的云化网络使能端到端网络切片

图 2:5G NR 关键技术

为了实现5G的发展目标,ITU、3GPP、NGMN等组织启动了面向5G的研究和标准化工作。3GPP在2015年启动了有关5G的相关讨论,分别从网络架构和无线接入网的角度开始了5G的研究和标准化。5G新技术主要有以下几个方面的特征。

相比当前的 4G LTE 网络,5G NR
将使时延降低一个数量级。目前LTE网络中,TTI固定在 1 ms。为此,3GPP 在 4G
演进的过程中提出一个降低时延的项目。尽管技术细节还不得而知,但这一项目的规划目标就是要将一次傅里叶变换的时延降低为目前的
1/8(即从1.14ms降低至 143µs。而为了支持“长时延需求”的服务,5G NR
的灵活框架设计可以向上或向下扩展 TTI(即使用更长或更短的
TTI),依具体需求而变。

【编辑推荐】

  1. 频谱共享(Spectrum sharing techniques)

5G新型多址的设计将从物理层最基本的调制、映射等模块出发,引入功率域和码率的混合非正交编码叠加,同时在接收端引入多用户联合检测来实现非正交数据层的译码。

图 12:频谱共享

支持多网融合与多连接传输

模块化同样支持不同类型的子帧为未来的各种新服务进行多路传输,配合 5G NR
框架支持空白子帧和空白频率资源的设计,使其拥有向前兼容性——未来的新型服务可以以同步或非同步状态部署在同一频率内。

非正交多址

自包含集成子帧是另一项关键技术,对降低时延、向前兼容和其他一系列5G特性意义重大。通过把数据的传输(transmission)和确认(acknowledgement)包含在一个子帧内,时延可显著降低。下图展示的是一个
TDD
下行链路子帧,从网络到设备的数据传输和从设备发回的确认信号都在同一个子帧内。而且通过
5G NR 独立集成子帧,每个 TTI
都以模块化处理完成,比如同意下载→数据下行→保护间隔→上行确认。

5G为了实现更低的控制面时延,如10ms,在4G已有的连接态和空闲态中引入了一个新的中间状态,叫去激活态,如图4所示。该状态保留核心网的连接状态,而删除无线侧的连接状态,当需要时,可以快速建立无线侧的连接,从而大幅降低从原空闲态到连接态的转换时延。

不过 OFDM 体系也需要创新改造,才能满足 5G 的需求:

在4G网络的实际业务拓展过程中,为满足企业级用户的应用需求,以及垂直行业的应用需求,4G网络需要进行一些针对位置和特定环境的业务部署优化,以提升网络的效率和用户体验,也即需要引入MEC技术。但是对于现有的4G网络来说,无线侧对业务是无感知的,也就是说无线网对业务的感知是通过核心网来被动感知的,业务的发送不能真正做到无线侧的智能化。可以在网络中靠近无线侧的地方增加DPI的功能,对业务的内容等进行解析,使MEC能更好地适配业务的传输。但是这种方式的处理效率较低,3GPP开始考虑基于用户上下文的业务发送优化,即终端可以主动上报用户业务的相关信息,基站可以据此进行传输优化,大大提升传输的可靠性。目前针对视频业务的优化已进行详细的标准制定,有望在4G演进中走向应用。

显然,要实现 5G 的大范围服务,仅有基于 OFDM
优化的波形和多址接入技术是远远不够的。设计 5G NR
的同时,我们还在设计一种灵活的 5G 网络架构,以进一步提高 5G
服务多路传输的效率。这种灵活性即体现在频域,更体现在时域上,5G NR
的框架能充分满足 5G 的不同的服务和应用场景。

3GPP已经在LTE
R14中考虑了进一步降低传输时延的技术方案,允许将LTE的传输间隔(TTI)由原有的1ms进一步缩短,比如FDD可以支持2个OFDM符号长度的TTI,而TDD可以支持0.5ms的TTI传输,优化后的传输时延可分别降低到1ms和4ms(TDD的配置2)以内。但是,对于4G系统而言,如果网络的结构不随之调整,这样的时延降低对整个端到端网络的时延来说,减少量是微乎其微的,难以真正地满足低时延业务的要求,LTE演进中的时延降低情况如图6所示。

图片 17

为了实现5G发展的愿景,满足未来业务发展的需要,5G应该具备的关键技术能力包括支持0.1~1Gbit/s的用户体验速率和高达10Gbit/s以上的峰值速率,支持每平方千米百万量级的连接数密度,支持毫秒级的端到端时延,支持每平方千米数十Tbit/s的流量密度,支持500km/h以上的移动速率。

图 3:基于 OFDM 优化的波形

图 9:大规模 MIMO

  1. 大规模 MIMO(Massive MIMO)

1.基于 OFDM 优化的波形和多址接入(Optimized OFDM-based waveforms and
multiple access,Orthogonal Frequency Division
Multiplexing,正交频分复用),

图片 18

一.基于 OFDM 优化的波形和多址接入(Optimized OFDM-based waveforms and
multiple access)

  1. 毫米波

5G NR 设计过程中最重要的一项决定,就是采用基于 OFDM
优化的波形和多址接入技术,因为 OFDM 技术被当今的 4G LTE 和 Wi-Fi
系统广泛采用,因其可扩展至大带宽应用,而具有高频谱效率和较低的数据复杂性,因此能够很好地满足
5G 要求。 OFDM
技术家族可实现多种增强功能,例如通过加窗或滤波增强频率本地化、在不同用户与服务间提高多路传输效率,以及创建单载波
OFDM 波形,实现高能效上行链路传输。

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○ 杂度低(Low complexity):可以兼容低复杂度的信号接收器,比如移动设备

图 5: 5G NR 不同频谱的带宽和子载波间隔

  1. 可扩展的时间间隔(Scalable Transmission Time Interval

MIMO(Multiple-Input
Multiple-Output)技术是目前无线通信领域的一个重要创新研究项目,通过智能使用多根天线,发射或接受更多的信号空间流,能显著提高信道容量;而通过智能波束成型,将射频的能量集中在一个方向上,可以提高信号的覆盖范围。这两项优势足以使其成为
5G NR 的核心技术之一,因此我们一直在努力推进 MIMO 技术的演化,比如从 2×2
提高到了目前 4×4
MIMO。但更多的天线也意为着占用更多的空间,要在空间有限的设备中容纳进更多天线显然不现实,所以,只能在基站端叠加更多
MIMO。从目前的理论来看,5G NR 可以在基站端使用最多 256
根天线,而通过天线的二维排布,可以实现 3D
波束成型,从而提高信道容量和覆盖。

图 7:5G NR 灵活的框架设计

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