物聯(lián)網(wǎng)為什么需要5G？

摘要：5G，這個(gè)詞，我想每個(gè)接觸ICT行業(yè)的朋友都有聽過，可5G的到來，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的幫助究竟是什么？

我相信，95%的ICT從業(yè)者對(duì)5G這一概念沒有一個(gè)清晰的認(rèn)知。

這一期文章的主題主要是普及一些5G關(guān)鍵技術(shù)的介紹。

一、移動(dòng)通信概述

1.移動(dòng)通信發(fā)展歷程

1G 模擬制式語音業(yè)務(wù)NMT TACS AMPS NAMTS

2G 數(shù)字制式 語音業(yè)務(wù) 低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)10kbps～200kbps GSM CDMA

3G 移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù) 2Mbps～50Mbps TD-SCDMA WCDMA CDMA2000

4G 移動(dòng)寬帶 100Mbps～1Gbps TD-LTE FDD LTE

5G 萬物互聯(lián)

2.4G和5G的“野心”

A.4G設(shè)計(jì)目標(biāo)

三高

高峰值速率：下行峰值100Mbps，上行峰值50Mbps

高頻譜效率：頻譜效率是3G的3～5倍

高移動(dòng)：支持350km/h（在某些頻段甚至支持500km/h

兩低

低時(shí)延：控制面IDLE-> ACTIVE:<100ms,用戶面?zhèn)鬏敚?10ms

低成本：SON（自組織網(wǎng)絡(luò)），支持多頻段靈活配置

一架構(gòu)

以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo)，系統(tǒng)在整體架構(gòu)上是基于分組交換的扁平化架構(gòu)

B.5G設(shè)計(jì)目標(biāo)

聚焦多元化需求：eMBB+uRLLC+eMTC

用戶體驗(yàn)速率

頻譜效率

移動(dòng)性

時(shí)延

連接數(shù)密（設(shè)備/平方公里）

網(wǎng)絡(luò)功耗效率

區(qū)域流量能力

峰值速率

3.實(shí)現(xiàn)“野心”的關(guān)鍵

頻譜資源

頻譜資源變化：更大帶寬、更高利用率

頻譜資源： 4G 20MHz 5G 400MHz

傳輸帶寬： 4G保護(hù)帶寬占比約10%頻譜利用率約90% 5G 保護(hù)帶寬占比2%～3% 頻譜利用率約98%

系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)：傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)至4G

系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)：5G NFV（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能虛擬化）

關(guān)鍵技術(shù)

4G VS 5G

雙工方式：TDD/ FDD——靈活雙工、全雙工

多址技術(shù)：OFDMA/SC-OFDMA——OFDMA/SC-FDMA/NOMA

天線技術(shù)：傳統(tǒng)MIMO——Massive MIMO

調(diào)制方式：64QAM——1024QAM

4.5G前景展望

使能更多新興垂直行業(yè)應(yīng)用！

案例 智能電網(wǎng)：監(jiān)控和控制 故障自恢復(fù) 時(shí)延要求5～50ms 可靠性要求 非常高

無人機(jī)：公共安全 農(nóng)林 時(shí)延要求10～30ms 可靠性要求 高

智能醫(yī)療：遠(yuǎn)程手術(shù) 時(shí)延要求10～100ms 可靠性要求 高

智能制造：機(jī)器人通信與控制 時(shí)延要求 10～100ms 可靠性要求非常高

······

二、5G網(wǎng)絡(luò)概述

1.移動(dòng)業(yè)務(wù)需求趨勢(shì)及業(yè)務(wù)場(chǎng)景

A.5G時(shí)代面臨的挑戰(zhàn)

MBB數(shù)據(jù)流量雪崩式增長(zhǎng) 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用所帶來的流量爆炸性增長(zhǎng) 10年1000倍

聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量巨大增長(zhǎng) 具備通信能力的機(jī)器 2020年有1000億聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

應(yīng)用場(chǎng)景和需求的多樣性 設(shè)備與設(shè)備之間的通信 比如車與車之間的通信 由于機(jī)器通信所帶來新需求和新特性

高速率=良好的用戶體驗(yàn)

流媒體VR視頻的帶寬需求

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)——5G

B.不同制式所支持連接數(shù)

3G每小區(qū)支持100個(gè)連接

4G每小區(qū)支持1000個(gè)連接

5G每平方公里支持1百萬個(gè)連接

有了5G，十字路口不再擁塞

自動(dòng)駕駛對(duì)低時(shí)延的需求

C.5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)

時(shí)延 1毫秒 端到端時(shí)延 30～50x

吞吐量 10Gbps每個(gè)連接速率

連接數(shù) 1000K每平方公里連接數(shù)

D.5G法定名稱“ IMT-2020 ”

ITU對(duì)IMT2020愿景的描述

eMBB（增強(qiáng)型MBB）10Gbit/s

mMTC（海量連接的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)）1百萬連接每平方公里

uRLLC (超高可靠性與超低時(shí)延業(yè)務(wù)）1ms

NGMN對(duì)5G愿景的描述

5G是一個(gè)端到端、全移動(dòng)的、全連接的生態(tài)系統(tǒng)，提供全覆蓋的一致性體驗(yàn)，提供可持續(xù)的商用模型，通過現(xiàn)有的和即將涌現(xiàn)的創(chuàng)新，為用戶和合作伙伴創(chuàng)造價(jià)值

增強(qiáng)的寬帶接入eMBB

虛擬現(xiàn)實(shí)VR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR 3D全息

大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）

Huawei&ofo共享單車應(yīng)用案例

根據(jù)華為預(yù)計(jì)，到2017年底，全球?qū)⒂?0張NB-IoT商用網(wǎng)絡(luò)

智慧城市

智慧T-mobile “智能暖氣表”NB-IoT應(yīng)用案例

極致的實(shí)時(shí)通信

觸覺互聯(lián)網(wǎng)

自動(dòng)化交通控制和駕駛

5G關(guān)鍵的能力

5G=平臺(tái)

5G網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)

超高清分片

語音分片

實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)分片

IoT業(yè)務(wù)分片

產(chǎn)業(yè)需求定義分片的QoS

基站

NFV（統(tǒng)一控制平面）+SDN（多業(yè)務(wù)的用戶平面 ）

Telco-OS

開發(fā)者

消費(fèi)者

合作伙伴

運(yùn)營(yíng)商

5G對(duì)未來的定義

5G=10Gbps + 1ms時(shí)延 +100萬連接/每平方公里

2.5G協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化及當(dāng)前進(jìn)展

5G從3GPP Release15開始

5G包括：新空口 LTE Advanced Pro演進(jìn)

下一代核心網(wǎng)NextGen Core

EPC演進(jìn)

研究5G的主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織

ITU-R Visions Group

EU

Germany-5G Lab Germany at TU Dresden

UK-5G Innovation Centre(5GIC)at University of Surrey

US

Intel Strategic Research Alliance (ISRA)

China

Japan

Korea

研究5G的主要國(guó)際非標(biāo)準(zhǔn)組織

OTSA

3GPP

3.5G全球商用計(jì)劃

家庭寬帶最后一公里接入

車聯(lián)網(wǎng)正在成為國(guó)家的戰(zhàn)略關(guān)注點(diǎn)

未來將持續(xù)探索新興垂直行業(yè)應(yīng)用

今天的長(zhǎng)尾將是明天的主體 如AR/MR（長(zhǎng)尾效應(yīng)）

三、5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

1.增強(qiáng)覆蓋技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)頻譜

增加帶寬是增加容量和傳輸速率最直接的方法，5G最大帶寬將會(huì)達(dá)到1GHz，考慮到目前頻率占用情況，5G將不得不使用高頻進(jìn)行通信

a.5G主頻段 以3.5GHz為主

b.5G擴(kuò)展頻段毫米波 以28/39/60/73GHz

高頻通信的挑戰(zhàn)

高頻波長(zhǎng)相比低頻傳播損耗更大、繞射能力更弱

頻段越高，上下行覆蓋差異越明顯，上行覆蓋受限

高頻通信的解決方案-提高發(fā)射功率

高頻通信的解決方案-上下行解耦 NR中基站下行使用高頻段進(jìn)行通信，上行可以視UE覆蓋情況選擇與LTE共享低頻資源進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)NR上下行頻段解耦

UE基于覆蓋情況選擇合適的上行頻點(diǎn)

IDLE態(tài)通過系統(tǒng)消息獲取f1,f2相關(guān)信息，并根據(jù)實(shí)際測(cè)量進(jìn)行選擇

連接態(tài)通過測(cè)量報(bào)告上報(bào)，由基站通過信令指示

上下行解耦要求5G NR和LTE協(xié)同

上下行解耦站形

BBU5900

a.設(shè)備緊湊，連接簡(jiǎn)單

b.新建站點(diǎn)或改造eNB

c.適合有較多空閑槽位場(chǎng)景

槽位多，可擴(kuò)展性好 需要兩根光纖，成本高

a.BBU3910

b.BBU5900

槽位多，可擴(kuò)展性好 增加框間基帶板HEI接口，接口流量大

a.BBU3910

b.BBU5900

2.提高效率技術(shù)

A.NR頻譜效率提升技術(shù)

頻譜效率即單位時(shí)間內(nèi)每Hz中bit數(shù)的提升，5G中用的頻譜效率提升方法包括：

a.新波形技術(shù)、新多址技術(shù)

NR無線新波形（華為FOFDM）

Filtered-OFDM是一項(xiàng)基礎(chǔ)波形技術(shù)，與OFDM最大的區(qū)別就是子載波帶寬可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的需求

4G（OFDM）：子載波帶寬是固定的，15kHz 固定子載波間隔 10%保護(hù)帶寬

5G（F-OFDM）：子載波帶寬是不固定的，可以靈活真的不同QoE應(yīng)用的報(bào)文大小 靈活子載波間隔（方便空口做網(wǎng)絡(luò)切片） 1個(gè)子載波的最小保護(hù)帶寬

b.NR上行新波形（CP-OFDM）

NR上行支持兩種波形，CP-OFDM和DFT-S-OFDM，使用CP-OFDM時(shí)，基站可以不用為UE分配頻域連續(xù)的子載波

c.NR新多址技術(shù)（華為SCMA）

1G：FDMA

2G：TDMA+FDMA

3G：CDMA

4G：OFDMA

5G：SCMA 新型多址接入技術(shù)

通過使用擴(kuò)頻技術(shù)在4個(gè)子載波上承載6個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，提升頻譜的使用效率

B.新調(diào)制技術(shù)、新編碼技術(shù)

a.新調(diào)制技術(shù)（256QAM）

3GPP R12協(xié)議中新增了下行256QAM，相對(duì)于64QAM支持每符號(hào)攜帶8個(gè)bit位，支持更大的TBDS傳輸，理論峰值頻譜效率提升33%。相同頻譜效率下256QAM碼率更低，解調(diào)可靠性更高

b.NR新編碼技術(shù)（Polar+LDPC）

LDPC Code（業(yè)務(wù)信道）

LTE Turbo

NR LDPC

Polar Code(控制信道）

Polar碼高可靠的編碼方式無誤碼平臺(tái)從而減少重傳，同時(shí)降低信噪比需求以提升覆蓋

C.靈活雙工與全雙工

a.靈活雙工技術(shù)

根據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)整上下行子幀

相鄰小區(qū)會(huì)進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)消除

b.全雙工技術(shù)

目前TDD/FDD制式是分別在不同的時(shí)間/頻率資源上分別進(jìn)行收發(fā)

全雙工將指收發(fā)雙方在同一時(shí)頻資源進(jìn)行數(shù)傳

發(fā)送端和接收端同時(shí)收發(fā)，發(fā)送端把信息傳遞給接收端，接收端進(jìn)行相關(guān)干擾消除運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)同時(shí)收發(fā)

D.Massive MIMO

水平的4流加BF 8T8RVS 64T64R

立體16流更窄的波束+MU BF

E.Massive MIMO增益（上行MU-MIMO）

多用戶虛擬MIMO

通過多個(gè)UE配對(duì)復(fù)用相同的上行時(shí)頻資源，同時(shí)傳輸多流數(shù)據(jù)，從而提高小區(qū)的平均下行吞吐率

F.Massive MIMO增益（3D BF）

三維波束賦形簡(jiǎn)稱3D BF，增強(qiáng)用戶的覆蓋

相對(duì)于傳統(tǒng)波束只能在水平方向跟隨目標(biāo)UE調(diào)整方向，3D BF的窄波束在水平方向和垂直方向都能隨著目標(biāo)UE的位置進(jìn)行調(diào)整

G.Massive MIMO增益（MU BF）

多用戶虛擬BF

eNOdeB根據(jù)配對(duì)條件進(jìn)行UE配對(duì)，實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)頻資源上傳多個(gè)用戶下行數(shù)據(jù)流，從而提高下行傳輸?shù)念l譜效率和提高小區(qū)吞吐量

H.Massive MIMO的應(yīng)用場(chǎng)景

城區(qū)、高校流量高低（CBD等）

高樓覆蓋場(chǎng)景

重大活動(dòng)保障場(chǎng)景

3.降低時(shí)延技術(shù)

A.NR低時(shí)延保障技術(shù)分析

a.RAN時(shí)延因素

空口傳輸 TTI長(zhǎng)度決定

處理 HARQ RTT決定

重傳 TDD上行配比

無線信號(hào) 上、下行覆蓋差 上、下行干擾

b.方案 縮短TTI

免去授權(quán)調(diào)度、靈活雙工或者全雙工

用戶面下沉

c.方案

優(yōu)化無線覆蓋

B.NR時(shí)隙聚合調(diào)度

Slot Aggregation：NR中調(diào)度周期可以靈活變的，且一次可以調(diào)度多個(gè)時(shí)隙，以適應(yīng)不用業(yè)務(wù)需求，降低無線時(shí)延

C.NR免授權(quán)調(diào)度

免授權(quán)調(diào)度：由于調(diào)度存在RTT時(shí)延，NR中對(duì)于時(shí)延比較敏感的業(yè)務(wù)提出免調(diào)度的過程，終端有需求直接發(fā)送

D.NR侵入式空口調(diào)度（EAI）Embed Air Interface

eMBB和uRLLC業(yè)務(wù)共存時(shí)，EAI機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)uRLLC業(yè)務(wù)對(duì)eMBB資源打孔，以保障uRLLC對(duì)時(shí)延的要求

4.5G異步HARQ技術(shù)

HARQ：混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求

5G上下行鏈路采用異步HARQ協(xié)議：重傳在上一次傳輸之后的任何可用時(shí)間上進(jìn)行，接收端需要被告知具體的進(jìn)程號(hào)

5.D2D 通信 （Device to Device）

D2D通信，基站分配頻譜用于終端與終端直接互聯(lián)進(jìn)行用戶面數(shù)據(jù)傳輸，D2D關(guān)鍵技術(shù)包括：

a.頻譜分配模式

使用蜂窩小區(qū)的剩余資源

復(fù)用蜂窩小區(qū)下行資源

復(fù)用蜂窩小區(qū)上行資源

b.干擾控制

適當(dāng)?shù)墓β士刂疲軌蛟贒2D復(fù)用蜂窩資源時(shí)，有效地協(xié)調(diào)D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)間的干擾

總結(jié)

提升覆蓋技術(shù)：提高UE發(fā)射功率、上下行解耦

提升效率技術(shù)：新波形、新多址、新調(diào)制、新編碼、新雙工、CRS FREE、Massive MIMO

降低時(shí)延技術(shù)：時(shí)隙聚合調(diào)度、免調(diào)度、侵入式空口調(diào)度、異步HARQ、D2D技術(shù)

IoT

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