【IoT美學】物聯網通信技術——5G

5G，這個詞，我想每個接觸ICT行業的朋友都有聽過，可5G的到來，對物聯網行業的幫助究竟是什么？

我相信，95%的ICT從業者對5G這一概念沒有一個清晰的認知。

這一期文章的主題主要是普及一些5G關鍵技術的介紹。

如果你對這方面感興趣，希望你在評論區留下我們的暗號：拯救小白！

也希望你能get到屬于自己的知識盲點！

一、移動通信概述

1.移動通**展歷程

1G 模擬制式語音業務NMT TACS AMPS NAMTS

2G 數字制式 語音業務 低速數據業務10kbps～200kbps GSM CDMA

3G 移動多媒體業務 2Mbps～50Mbps? TD-SCDMA? WCDMA CDMA2000

4G 移動寬帶 100Mbps～1Gbps?? TD-LTE FDD LTE

5G 萬物互聯

2.4G和5G的“野心”

A.4G設計目標

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：支持350km/h（在某些頻段甚至支持500km/h

兩低

低時延：控制面IDLE-> ACTIVE:<100ms,用戶面傳輸：<10ms

低成本：SON（自組織網絡），支持多頻段靈活配置

一架構

以分組域業務為主要目標，系統在整體架構上是基于分組交換的扁平化架構

B.5G設計目標

聚焦多元化需求：eMBB+uRLLC+eMTC

用戶體驗速率

頻譜效率

移動性

時延

連接數密（設備/平方公里）

網絡功耗效率

區域流量能力

峰值速率

3.實現“野心”的關鍵

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保護帶寬占比約10%頻譜利用率約90%?????? 5G 保護帶寬占比2%～3% 頻譜利用率約98%

系統架構

系統架構演進：傳統網絡至4G

系統架構演進：5G NFV（網絡設備功能虛擬化）

關鍵技術

4G????? VS? ? ? 5G

雙工方式：TDD/ FDD——靈活雙工、全雙工

多址技術：OFDMA/SC-OFDMA——OFDMA/SC-FDMA/NOMA

天線技術：傳統MIMO——Massive MIMO

調制方式：64QAM——1024QAM

4.5G前景展望

使能更多新興垂直行業應用！

案例 智能電網：監控和控制? 故障自恢復? 時延要求5～50ms? 可靠性要求 非常高

無人機：公共安全? 農林? 時延要求10～30ms 可靠性要求 高

智能醫療：遠程手術 時延要求10～100ms 可靠性要求? 高

智能制造：機器人通信與控制? 時延要求 10～100ms? 可靠性要求非常高

······

二、5G網絡概述

1.移動業務需求趨勢及業務場景

A.5G時代面臨的挑戰

MBB數據流量雪崩式增長? 移動互聯網等新應用所帶來的流量爆炸性增長? 10年1000倍

聯網設備數量巨大增長? 具備通信能力的機器?? 2020年有1000億聯網設備

應用場景和需求的多樣性? 設備與設備之間的通信 比如車與車之間的通信?? 由于機器通信所帶來新需求和新特性

高速率=良好的用戶體驗

流媒體VR視頻的帶寬需求

物聯網通信技術——5G

B.不同制式所支持連接數

3G每小區支持100個連接

4G每小區支持1000個連接

5G每平方公里支持1百萬個連接

有了5G，十字路口不再擁塞

自動駕駛對低時延的需求

C.5G的關鍵性能指標

時延 1毫秒? 端到端時延 30～50x

吞吐量? 10Gbps每個連接速率

連接數? 1000K每平方公里連接數

D.5G法定名稱“ IMT-2020 ”

ITU對IMT2020愿景的描述

eMBB（增強型MBB）10Gbit/s

mMTC（海量連接的物聯網業務）1百萬連接每平方公里

uRLLC?(超高可靠性與超低時延業務）1ms

NGMN對5G愿景的描述

5G是一個端到端、全移動的、全連接的生態系統，提供全覆蓋的一致性體驗，提供可持續的商用模型，通過現有的和即將涌現的創新，為用戶和合作伙伴創造價值

增強的寬帶接入eMBB

虛擬現實VR 增強現實AR 3D全息

大規模的物聯網（mMTC）

Huawei&ofo共享單車應用案例

根據華為預計，到2017年底，全球將有30張NB-IoT商用網絡

智慧城市

智慧T-mobile “智能暖氣表”NB-IoT應用案例

極致的實時通信

觸覺互聯網

自動化交通控制和駕駛

5G關鍵的能力

5G=平臺

5G網絡新架構

超高清分片

語音分片

實時業務分片

IoT業務分片

產業需求定義分片的QoS

基站

NFV（統一控制平面）+SDN（多業務的用戶平面 ）

Telco-OS

開發者

消費者

合作伙伴

運營商

5G對未來的定義

5G=10Gbps + 1ms時延 +100萬連接/每平方公里

2.5G協議標準化及當前進展

5G從3GPP Release15開始

5G包括：新空口 LTE Advanced Pro演進

下一代核心網NextGen Core

EPC演進

研究5G的主要國際標準組織

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的主要國際非標準組織

OTSA

3GPP

3.5G全球商用計劃

家庭寬帶最后一公里接入

車聯網正在成為國家的戰略關注點

未來將持續探索新興垂直行業應用

今天的長尾將是明天的主體 如AR/MR（長尾效應）

三、5G網絡關鍵技術

1.增強覆蓋技術

5G網絡頻譜

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

a.5G主頻段 以3.5GHz為主

b.5G擴展頻段毫米波 以28/39/60/73GHz

高頻通信的挑戰

高頻波長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行通信，上行可以視UE覆蓋情況選擇與LTE共享低頻資源進行通信，從而實現NR上下行頻段解耦

UE基于覆蓋情況選擇合適的上行頻點

IDLE態通過系統消息獲取f1,f2相關信息，并根據實際測量進行選擇

連接態通過測量報告上報，由基站通過信令指示

上下行解耦要求5G NR和LTE協同

上下行解耦站形

BBU5900

a.設備緊湊，連接簡單

b.新建站點或改造eNB

c.適合有較多空閑槽位場景

槽位多，可擴展性好? 需要兩根光纖，成本高

a.BBU3910

b.BBU5900

槽位多，可擴展性好? 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

A.NR頻譜效率提升技術

頻譜效率即單位時間內每Hz中bit數的提升，5G中用的頻譜效率提升方法包括：

a.新波形技術、新多址技術

NR無線新波形（華為FOFDM）

Filtered-OFDM是一項基礎波形技術，與OFDM最大的區別就是子載波帶寬可以根據需求進行調整，以適應不同業務的需求

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應用的報文大小????? 靈活子載波間隔（方便空口做網絡切片） 1個子載波的最小保護帶寬

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，基站可以不用為UE分配頻域連續的子載波

c.NR新多址技術（華為SCMA）

1G：FDMA

2G：TDMA+FDMA

3G：CDMA

4G：OFDMA

5G：SCMA? 新型多址接入技術

通過使用擴頻技術在4個子載波上承載6個用戶的數據，提升頻譜的使用效率

B.新調制技術、新編碼技術

a.新調制技術（256QAM）

3GPP R12協議中新增了下行256QAM，相對于64QAM支持每符號攜帶8個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，解調可靠性更高

b.NR新編碼技術（Polar+LDPC）

LDPC Code（業務信道）

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從而減少重傳，同時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

根據業務調整上下行子幀

相鄰小區會進行干擾協調消除

b.全雙工技術

目前TDD/FDD制式是分別在不同的時間/頻率資源上分別進行收發

全雙工將指收發雙方在同一時頻資源進行數傳

發送端和接收端同時收發，發送端把信息傳遞給接收端，接收端進行相關干擾消除運算，實現同時收發

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UE配對復用相同的上行時頻資源，同時傳輸多流數據，從而提高小區的平均下行吞吐率

F.Massive MIMO增益（3D BF）

三維波束賦形簡稱3D BF，增強用戶的覆蓋

相對于傳統波束只能在水平方向跟隨目標UE調整方向，3D BF的窄波束在水平方向和垂直方向都能隨著目標UE的位置進行調整

G.Massive MIMO增益（MU BF）

多用戶虛擬BF

eNOdeB根據配對條件進行UE配對，實現在同一時頻資源上傳多個用戶下行數據流，從而提高下行傳輸的頻譜效率和提高小區吞吐量

H.Massive MIMO的應用場景

城區、高校流量高低（CBD等）

高樓覆蓋場景

重大活動保障場景

3.降低時延技術

A.NR低時延保障技術分析

a.RAN時延因素

空口傳輸?? TTI長度決定

處理? HARQ? RTT決定

重傳? TDD上行配比

無線信號? 上、下行覆蓋差?? 上、下行干擾

b.方案 縮短TTI

免去授權調度、靈活雙工或者全雙工

用戶面下沉

c.方案

優化無線覆蓋

B.NR時隙聚合調度

Slot Aggregation：NR中調度周期可以靈活變的，且一次可以調度多個時隙，以適應不用業務需求，降低無線時延

C.NR免授權調度

免授權調度：由于調度存在RTT時延，NR中對于時延比較敏感的業務提出免調度的過程，終端有需求直接發送

D.NR侵入式空口調度（EAI）Embed Air Interface

eMBB和uRLLC業務共存時，EAI機制可以實現uRLLC業務對eMBB資源打孔，以保障uRLLC對時延的要求

4.5G異步HARQ技術

HARQ：混合自動重傳請求

5G上下行鏈路采用異步HARQ協議：重傳在上一次傳輸之后的任何可用時間上進行，接收端需要被告知具體的進程號

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進行用戶面數據傳輸，D2D關鍵技術包括：

a.頻譜分配模式

使用蜂窩小區的剩余資源

復用蜂窩小區下行資源

復用蜂窩小區上行資源

b.干擾控制

適當的功率控制，能夠在D2D復用蜂窩資源時，有效地協調D2D與蜂窩網絡間的干擾

總結

提升覆蓋技術：提高UE發射功率、上下行解耦

提升效率技術：新波形、新多址、新調制、新編碼、新雙工、CRS FREE、Massive MIMO

降低時延技術：時隙聚合調度、免調度、侵入式空口調度、異步HARQ、D2D技術

5G IoT

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