认识5G

一、移动通信发展历程

1. 移动通信技术具有代际演进规律

• “G”代表一代
• 每10年一个周期
  

二、5G技术指标

1. 4G与5G的各项指标对比

• 5G对比4G关键性能指标有了相当大程度的提升。
• 总结起来就是5G具有高速率、低时延、大容量、高可靠、海量连接等特点。

2. 技术指标详解

• 流量密度: 单位面积内的总流量数。
• 连接数密度: 指单位面积内可以支持的在线设备总和。
• 时延: 发送端到接收端接收数据之间的间隔。
• 移动性: 支持用户终端的最大移动速度。
• 能源效率: 每消耗单位能量可以传送的数据量。
• 用户体验速率: 单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量。
• 频谱效率: 每小区或单位而积内，单位频谱资源提供的吞吐量。
• 峰值速率: 用户可以获得的最大业务速率。

3. ITU定义的三大应用场景

• eMBB：即增强移动宽带，具备超大带宽和超高速率，实现用户体验速率100 Mbps、移动性500 Km/h;
• mMTC：即低功耗大连接，支持连接数密度100万/平方公里；
• uRLLC：即高可靠低时延，支持单向空口时延最低1ms级别;

三、5G应用场景

1. VR/AR

• VR：虚拟现实技术(Virtual Reality)，又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。
• AR：增强现实（Augmented Reality) ，是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。
• MR：混合现实（Mixed Realit)，它制造的虚拟景象可以进入现实的生活同时能够认识你，比如通过我们的设备，你在眼睛当中看到一个景象可以测量出现实生活中物体的尺度和方位，其最大的特点在于虚拟世界和现实世界可以互动。

2. 车联网

• 自动驾驶
• 远控驾驶
• 编队驾驶

3. 远程医疗

5G使能的医疗设备、Al和云端分析所扮演的角色

• 远程B超
• 远程手术

4. 智慧城市

• 智慧的公共安全：犯罪信息仓库、突发事件响应和,数字监控系纺等。
• 智慧的医疗：电于病历、家庭健康服务和医疗费用管理等。
• 智慧的交通：自动收费、票务管理和运输信息管理等。
• 智慧的公共事业：高速定带网路、智慧的电力、建筑能耗评估监测和水处理/水资源管理等。
• 智慧的市民服务：失业保险金管理、就业服务、家庭服务和住宅信息管理等。
• 智慧的教育与科技
• 智慧建筑

四、5G关键技术

1. 超密集组网

• 5G需要满足热点高容量场景。
• 超密集组网:大量增加小基站，以空间换性能。
  

2. 基站

• 概念：基站即公用移动通信基站，是移动设备接入互联网的接口设备，也是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。

• 分类：一般分为宏基站和小基站。

  • 宏基站：即“铁塔站”，一-般覆盖范围数千米。
  • 小基站：一般覆盖范围在10m~200m，小基站又分为：
    • 家庭基站(Femto cell)，覆盖范围<20m
    • 微基站(Micro cell)，覆盖范围<300m
    • 微微基站(Pico cell,又称皮基站)，覆盖范围<100m
    • 室内基站，覆盖范围<50m
    • 个人基站，覆盖范围<10m

• 小基站优势

  • 体积小，成本低，安装容易，适合深度覆盖；
  • 功率小，干扰小，更小的范围内实现频率复用，提升容量；
  • 距离用户近，提升信号质量和高速率。
    

• 部署架构

  • 宏基站+微基站
  • 微基站+微基站

• 关键技术

  • 多连接技术
  • 无线回传技术

3. 大规模天线阵列（Massive MIMO）

• 与传统天线的区别
  • 传统天线为2、4、8根
  • Massive MIMO天线阵可达64、128、256个天线
• 大规模天线阵列优点
  • 提升了信号可靠性
  • 提升了基站吞吐率
  • 大幅降低对周边基站的干扰
  • 服务更多的移动终端
    

4. 动态自组织网络（SON）

• 概念：动态自组织网络(Self-Organizing Network)指可自动协调相邻小区、自动配置和自优化的网络，以减少网络干扰，提升网络运行效率。
• 与传统网络对比：
  • 在传统蜂窝网络架构下，终端必须通过基站和蜂窝网网关才能与目标端进行通信。在这种架构下，终端在获得数据传输服务前必须首先选择一个服务基站，与服务基站建立并保持连接。
  • 在动态自组织网络中，任何接入网节点，都具备数据存储和转发功能，动态自组网中的每个节点，都具备无线信号收发能力，并且每个节点，都可以与.上一个或多个相邻节点进行无线通信，整个自组网呈网状结构。
  • 在动态自组织网络中，任何节点间(终端与终端、终端与基站、基站与基站等)均通过无线通信，无须任何布线，并具有支持分布式网络的冗余机制和重新路由功能。任何新节点(如终端或基站)的添加，只需要简单的接上电源即可，节点可自动配置，并确定最佳多跳传输路径。

5. 设备到设备通信（D2D）

• 概念： 设备到设备通信(D2D)，指数据传输不通过基站，而是允许–个移动终端设备与另–个移动终端设备直接通信。是一种基于3GPP通信系统的近距离通信技术，主要包括两大功能:
  • Direct discovery:直连发现功能,终端发现周围有可以直连的终端；
  • Direct communication:直连通信,与周围的终端进行数据交互。

6. 软件定义网络（SDN）

• 概念： 软件定义网络（Software Defined Network）是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。
• SDN的核心思想：转发和控制分离，从而实现网络流量的灵活控制。
• SDN网络的新角色：控制器。
• 承上:对上层应用提供网络编程的接口。
• 启下:对下提供对实际物理网络网元的管理。

7. 网络功能虚拟化（NFV）

• 概念： 网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization），一种对于网络架构（network architecture）的概念，利用虚拟化技术，将网络节点阶层的功能，分割成几个功能区块，分别以软件方式实现，不再局限于硬件架构。
  • 软硬件解耦，虚拟化
  • 通过硬件实现网络功能
• NEV的核心思想—软件和专用硬件解耦，软件与通用硬件联姻。
• NFV的核心技术—虚拟化，把通用服务器的CPU、内存、I0等资源切片给多个虚拟机使用。把交换机路由器防火墙的功能作为软件应用运行在虚拟机里来模拟它们的功能。通过openstack来进行管理和编排。
• NFV带来的网络革命—网络瘦身(专用硬件向通用硬件的转化)，业务带宽随需而动。

8. SDN和NFV的深度融合

• 优点
  • SDN是面向网络架构的创新。
  • NFV是面向设备形态的创新。
  • SDNFVS使整个网络可编程、可灵活性。

五、5G面临的挑战

1. 频谱资源

• 5GHz以下的频段已非常拥挤。
• 解决方向:高频段和超高频段。

2. 新业务

• eMBB: AR/VR等传输速率要求高；
• mMTC:对连接数量、耗电/待机要求较高；
• uRLLC:对时延(1ms) 、可靠性(99.999%) 要求很高。

3. 新场景

• 移动热点:大量热点带来的超密组网挑战；
• 物联网络:物联新业务远超人的活动范围；
• 低空/高空覆盖:无人机、飞机航线覆盖等。

4. 终端设备

• 联网终端爆发式增长。
• 终端多模研发、工艺、电池寿命等挑战。

5. 安全挑战

• 三大场景安全挑战
  • eMBB:安全处理性能、二次认证、已知漏洞；
  • mMTC:轻量化安全、海量连接信令风暴；
  • uRLLC:低时延的安全算法、边缘计算、隐私保护。
• 新架构安全挑战
  • SDN、NFV等新安全机制要适应虚拟化、云化的需要。