5G基础课程 第2节 5G的关键技术

目录

5G技术的性能指标：

根据不同的应用场景，5G目前又划分了三个网络：

5G网络架构的设计原则：

5G的关键技术点：

什么是毫米波：

为什么要有小基站：

大规模MINO

波束成型

全双工

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5G技术的性能指标：

峰值速率、体验速率、用户面延迟、移动性、连接密度、能效、频谱效率、区域吞吐量、可靠性、带宽

 

但是，并不说我们的网络就必须要同时满足所有指标。

根据不同的应用场景，5G目前又划分了三个网络：

增强型移动宽带 （eMBB）：一般的应用场景就是5G手机等，对大部分指标要求比较高

大规模机器类型通信（mMTC）：一般应用于工业物联网，设备密集等场景，对连接密度要求高。

超可靠低延时通信（URLCC）：一般应用于自动驾驶技术，通过下图，我们可以此类应用一般要求移动性强、延迟时间短

但是我们知道，一个网络的部署建立就已经够呛了，还要一次性部署三个网络，这实际上是一种非常困难的工程。

为了解决这个问题，5G技术使用网络切片功能。什么是网络切片？后续我们会讲到。为了满足网络切片，我们需要重新设计5G的架构设计原则

 

5G网络架构的设计原则：

1、控制面和用户面分离：可以实现 单方面升级控制面、用户面。使网络更加灵活。只有灵活的网络配置，才有可能实现网络切片

2、网络功能服务化：我们需要做到软件和硬件解耦，从而使用相同的硬件、不同的软件功能去实现不同的网络系统。

3、网络总线接口化：使用标准接口协议，实现任意网络的接口通用化。

4、最小化接入网与核心网关联：该架构由融合核心网络和共同的AN-CN接口定义，该接口集成了不同的接入类型，例如3GPP 接入和非3GPP 接入。

5、网络功能无状态化：其中“计算”资源与“存储”资源分离。

6、网络能力开放：开放接口，非3GPP网络也可以接入。

 

 

5G的关键技术点：

什么是毫米波：

目前大部分手机和设备都在3kHz ~ 6GHz的频段工作，这个波段已经非常拥挤了。为此，专家们把目标放在了 6GHz 到 300GHz 。这个波段就是我们常说的毫米波。

根据3GPP 38.101协议的规定，5G NR主要使用两段频率：FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450MHz——6GHz，又叫sub 6GHz频段；FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz，人们通常叫它毫米波(mmWave)。

但是毫米波的传播距离实在有限。物理定律告诉我们，在发射功率不变的情况下，波长越短，传播距离越短。在很多场景下，这个限制会导致毫米波的传播距离超不过10米。

为此，我们就需要引入一个新的技术：小基站

为什么要有小基站：

传统的4G网络采用的是一个大基站来接收处理附近区域的手机等设备信号。但是对应毫米波而言，由于穿透距离的原因，我们需要在城市、小区等地方建立起许多小基站。

小基站（small cell）是一种从产品形态、发射功率、覆盖范围等方面，都相比传统宏站小得多的基站设备，同时也可以看作是低功率的，既可使用许可频率、也可融合WIFI使用非许可频率接入技术的无线接入点，功率一般在50mw-5w，覆盖范围在10-200米。

大规模MINO

但是建大量的小基站对运营商来说也是一种成本负担，为此，我们需要引进新的技术层面：多进多出（multiple input multiple output，MIMO）是为极大地提高信道容量，MIMO 技术特点是可以在基站端配备几根或者数十根天线阵元，并且这些天线在发送信号时都是相互独立的，同时从发射端传来的信号将会被接收端多根天线阵元接收，然后通过其他技术恢复出有效的原始信号。

波束成型

这涉及通讯理论的多路复用通讯(multiple access)问题，即如何让多个用户通讯但又互不干扰？在大学的通讯理论课本中，会介绍几种经典的复用方式。

第一种是时分复用(time-division multiple access, TDMA，典型应用：中国移动2G)，即让给每个用户分配一个专用的时间段，每个用户只在自己的时间段内通讯。显然，时分复用降低了每个用户的平均数据传输速率，因为在大多数时候用户并不能进行通讯而必须等轮到自己时才能进行数据传输。

第二种经典的复用方法是频分复用(frequency-division multiple access, FDMA，典型应用：中国联通3G)，即把频谱分成多个信道，给每个用户分配一个信道，这样多个用户可以同时通讯而不会互相干扰。然而，这样每个用户只能获得一部分频谱资源，虽然多个用户可以同时通讯但是每个用户无法做到全速传输。

第三种复用方法是码分复用(code-division multiple access, CDMA，典型应用：中国联通3G)，即每个用户被分配一个唯一的m比特码片序列，发送的每个数据比特均被扩展成m位码片（扩频）。每个用户的比特码片序列互相正交，因此每个用户能互不干扰地通讯。码分复用抗干扰能力很强，然而用户需要传输m比特码片才能真正传输1比特数据，因此效率并不高。可以用一个例子来说明时分复用、频分复用和码分复用的区别。

在一个屋子里有许多人要彼此进行通话，为了避免相互干扰，可以采用以下方法：

1) 讲话的人按照顺序轮流进行发言（时分复用）。

2) 讲话的人可以同时发言，但每个人说话的音调不同（频分复用）。

3) 讲话的人采用不同的语言进行交流，只有懂得同一种语言的人才能够相互理解（码分复用）。

当然，这三种方法相互结合，比如不同的人可以按照顺序用不同的语言交流（即中国移动3G的TD-SCDMA）。然而，这三种经典的复用方式都无法充分利用频谱资源，它们要么无法多用户同时间通讯(TDMA)，要么无法使用全部频谱资源(FDMA)，要么需要多比特码元才能传递1比特数据(CDMA)。那么，有没有一种方法可以克服以上多路方式的缺点，让多个用户同时使用全部频谱通讯呢？

在无线通讯中，也可以设法使电磁波按特定方向传播，从而在不同空间方向的用户可以同时使用全部频谱资源不间断地进行通讯，也即空分复用(space-division multiple access，SDMA)。将无线信号（电磁波）只按特定方向传播的技术叫做波束成型(beamforming)。

波束成型可以使信号的能量集中在接收端所在的方向，从而改善频谱利用效率。波束成型配合毫米波技术可以让通讯系统拥有高带宽并且支持大量用户同时通讯，从而使5G系统如虎添翼。

全双工

5G网络要支持不同的场景和多种业务，因此需要5G系统能根据不同的需求，能灵活智能的使用FDD/TDD双工方式，发挥各自优势，全面提升网络性能。5G网络对双工方式的总体要求是：

1）支持对称频谱和非对称频谱

2）支持uplink、downlink、sidelink、backhaul要支持

3）支持灵活双工（flexible dulplex）

4）支持全双工（full dulplex）

5）支持TDD上下行灵活可配置