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2018通信领域研究报告(一)-5G技术大盘点


5G技术大盘点

互联网改变了世界,移动互联网重新塑造了生活,在家不能没有网络,出门不能忘带手机已成为很多人的共同感受。人们对移动互联网的要求是更高速、更便捷、更强大、更便宜,这种没有止境的需求促使着移动互联网技术突飞猛进,技术体制的更新换代也随之越来越快。很多用户刚刚踏入4G的门槛,按照国际电信联盟关于2020年的规划,5G时代很快就要来到了

2015 年的 MWC 上国内外厂商纷纷展示各自在 5G 上的进展之后,5G 就瞬间成为了业界的讨论的焦点,在媒体竭尽溢美之词的同时,芯片商、通信设备商以及电信运营商无一例外开始倾其所有布局下一代通信技术,目的就是抢占话语权。


5G4G对比:

4G虽然比3G更快,但现阶段的速率提升不过10倍左右,应用模式也没有根本性的变化,其实并没有给用户带来太深刻的感受。但是,5G的综合性能将会比4G提升千倍,在这种超高速移动网络的支撑下,将会诞生出许多全新的应用,会彻底改变移动互联网的生态,那将是移动通信的一场革命。

5G速率将高达10Gbps,由于速率极快,高清视频即点即播,缓冲等待将成为历史。远程互动的3D虚拟现实游戏将兴起,画质精美操控顺畅,会带给用户身临其境的全新感受。人均月流量大约有36TB,用户不必担心资费问题,虽然流量增加了上千,但总体资费并不会提高

众所周知,随着连接到无线网络设备的数量的增加,频谱资源稀缺的问题日渐突出。至少就现在而言,我们还只能在极其狭窄的频谱上共享有限的带宽,这极大的影响了用户的体验。

那么 5G 提供的几十个 Gbps 峰值速度如何实现呢?

对于数消费者而言,5G 的价值在于它拥有比
4g+
LTE
更快的速度(峰值速率可达几十 Gbps),例如你可以在一秒钟内下载一部高清电影,而 4G LTE 可能要 10 分钟。也正是因为这一得天独厚的优势,业界普遍认为 5G 将在无人驾驶汽车、VR
以及物联网等领域发挥重要作用。

4G 相比,5G 的提升是全方位的,按照 3GPP 的定义,5G 具备高性能、低延迟与高容量特性,而这些优点主要体现在毫米波、小基站、Massive MIMO、全双工以及波束成形这五大技术上。


1,毫米波

众所周知,无线传输增加传输速率一般有两种方法,一是增加频谱利用率,二是增加频谱带宽。5G 使用毫米波(26.5300GHz)就是通过第二种方法来提升速率,以 28GHz 频段为例,其可用频谱带宽达到了 1GHz,而 60GHz 频段每个信道的可用信号带宽则为 2GHz

在移动通信的历史上,这是首次开启新的频带资源。在此之前,毫米波只在卫星和雷达系统上被应用,但现在已经有运营商开始使用毫米波在基站之间做测试。

当然,毫米波最大的缺点就是穿透力差、衰减大,因此要让毫米波频段下的 5G 通信在高楼林立的环境下传输并不容易,而小基站将解决这一问题。


2,小基站

上文提到毫米波的穿透力差并且在空气中的衰减很大,但因为毫米波的频率很高,波长很短,这就意味着其天线尺寸可以做得很小,这是部署小基站的基础。

可以预见的是,未来 5G 移动通信将不再依赖大型基站的布建架构,大量的小型基站将成为新的趋势,它可以覆盖大基站无法触及的末梢通信。

因为体积的大幅缩小,我们设置可以在 250 米左右部署一个小基站,这样排列下来,运营商可以在每个城市中部署数千个小基站以形成密集网络,每个基站可以从其它基站接收信号并向任何位置的用户发送数据。当然,你大可不必担心功耗问题,雷锋网之前曾报道过:小基站不仅在规模上要远远小于大基站,功耗上也大大缩小了。

除了通过毫米波广播之外,5G 基站还将拥有比现在蜂窝网络基站多得多的天线,也就是 Massive
MIMO
技术。


3,Massive MIMO

现有的 4G 基站只有十几根天线,但 5G 基站可以支持上百根天线,这些天线可以通过 Massive MIMO 技术形成大规模天线阵列,这就意味着基站可以同时从更多用户发送和接收信号,从而将移动网络的容量提升数十倍倍或更大。

MIMOMultiple-Input Multiple-Output)的意思是多输入多输出,实际上这种技术已经在一些 4G 基站上得到了应用。 但到目前为止,Massive MIMO 仅在实验室和几个现场试验中进行了测试。

隆德大学教授 Ove Edfors 曾指出,“Massive MIMO 开启了无线通讯的新方向——当传统系统使用时域或频域为不同用户之间实现资源共享时,Massive MIMO 则导入了空间域 (spatial domain) 的途径,其方式是在基地台采用大量的天线以及为其进行同步处理,如此则可同时在频谱效益与能源效率方面取得几十倍的增益。

毋庸置疑,Massive MIMO 5G 能否实现商用的关键技术,但是多天线也势必会带来更多的干扰,而波束成形就是解决这一问题的关键。


4,波束成形

Massive MIMO 的主要挑战是减少干扰,但正是因为 Massive MIMO 技术每个天线阵列集成了更多的天线,如果能有效地控制这些天线,让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强,就可以形成一个很窄的波束,而不是全向发射,有限的能量都集中在特定方向上进行传输,不仅传输距离更远了,而且还避免了信号的干扰,这种将无线信号(电磁波)按特定方向传播的技术叫做波束成形 (beamforming)

这一技术的优势不仅如此,它可以提升频谱利用率,通过这一技术我们可以同时从多个天线发送更多信息;在大规模天线基站,我们甚至可以通过信号处理算法来计算出信号的传输的最佳路径,并且最终移动终端的位置。因此,波束成形可以解决毫米波信号被障碍物阻挡以及远距离衰减的问题。

除此之外,雷锋网 (公众号:雷锋网) 最后要提到 5G 的另一大特色——全双工技术。


5,全双工

全双工技术是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作,使得通信两端在上、下行可以在相同时间使用相同的频率,突破了现有的频分双工FDD)和时分双工(TDD)模式,这是通信节点实现双向通信的关键之一,也是 5G 所需的高吞吐量和低延迟的关键技术。

在同一信道上同时接收和发送,这无疑大大提升了频谱效率。但是 5G 要使用这一颠覆性技术也面临着不小的挑战,根据《移动通信》之前发布的资料显示,主要有一下三大挑战:

1. 电路板件设计,自干扰消除电路需满足宽频(大于 100MHZ)和多 MIMO(多于 32 天线)的条件,且要求尺寸小、功耗低以及成本不能太高。

2. 物理层、MAC 层的优化设计问题,比如编码、调制、同步、检测、侦听、冲突避免、ACK 等,尤其是针对 MIMO 的物理层优化。

3. 对全双工和半双工之间动态切换的控制面优化,以及对现有结构和控制信令的优化问题。

因此,雷锋网想说的是,尽管 5G 的势头远远超过了之前的 4G,但 5G 的未来仍充满了不确定性,现在我们需要等待的是这些技术从实验阶段走向实用。


5G的关键技术

1,网络切片

  • [韩国,釜山,2017年3月31日] 在3GPP SA2第120次会议上, 确定了采用独立网络切片选择功能(NSSF,NetworkSlice Selection Function)的架构设计,同时也确定了网络切片的标准化定义。

  • 什么是
    网络切片,本质上就是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络,每一个虚拟网络根据不同的服务需求,比如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分,以灵活的应对不同的网络应用场景。
  • 网络切片是5G网络的标志性技术之一。它通过构建定制化的网络功能及组网以满足不同业务场景的功能及性能要求,极大提升了5G网络架构的灵活性。
  • “网络切片是一个提供特定网络能力和特性的逻辑网络。”
  • “网络切片实例是一个部署的网络切片,包括一些网络功能实例及所需的资源(例如计算、存储及网络)。”
  • 网络切片实例的定义是本次SA2会议争论的焦点之一。该定义的引入将更清楚的区分网络切片的逻辑概念与具体实现,使得切片标准定义时能有效的考虑后期的部署和引入。
  • “网络切片选择功能(NSSF)”实现了为终端选择网络切片实例的能力,引入独立的NSSF有助于实现网络功能的解耦与隔离,简化接入和移动性管理功能设计,实现网络切片的灵活部署及统一运营,得到了中国移动等公司的积极倡导和推动。但它的引入可能引入新的接口及网元形态,被一些公司认为引入了复杂性。围绕5G架构中是否引入独立NSSF已经在3GPP进行了前后一年的争论。为平息这个争论,意大利电信、中兴、中国移动等公司在会前进行了充分的对比分析和方案阐述,最终以21:7的表决结果为这个争论画上了句号。

  • 为什么需要网络切片?
  • 支持不同关系域(如不同行业)的隔离;
  • 支持差异化的应用场景和需求;
  • 为同一网络功能提供多个实例,独立运行;
  • 降低市场引入时间。


  • 2,新空口

  • 为了应对未来5G业务的多样性、长尾性和不确定性,需要考虑统一的新空口,以极大的灵活性适配各类业务,并且面向未来。那么,5G新空口应该怎么设计呢?见下图

  • 首先,5G技术要引入新的空口技术,进一步提升频谱利用效率。
  • 第二,5G将进一步促进多天线技术的持续演进,进一步成倍提升系统容量。
  • 第三,5G将引入全双工,即同时发同时收技术,不再区分TDD和FDD。
  • 最后,5G将不仅仅支撑移动互联网,还要支撑各种差异化需求的垂直业务。5G将建立一套灵活的空口,根据不同的业务差异化需求适配相应的波形、多址和复用技术,从而实现频谱效率最大化。

  • 3, CloudRAN

  • 无线基站自80年代诞生以来,整个RAN的架构总共经过了三代:
  • 第一代(2007年及以前,传统RAN):运营商建网的时候对每一种接入制式都各有一套单独的设计,有一套单独的硬件,有一支独立的运营队伍
  • 第二代(2007年至今,SingleRAN):2007年,华为发布SingleRAN解决方案,不同制式共硬件,共传输,共网管,运营商的部署和维护成本得到了极大的降低;
  • 第三代(2016年之后,CloudRAN):把云的技术引入到无线接入网,CloudRAN可以来支持不同空口技术的接入
  • 4,三种编码

    5G三种编码背后代表的各企业利益

  • LDPC,包括高通在内的一些美国企业主推;
  • Polar,包括华为在内的一些中国企业主推;
  • Turbo,包括法国在内的一些欧洲国家的企业主推。

  • 5G数据信道和控制信道的编码方案将是LDPC和Polar的双雄竞争,从技术角度而言,二者难分伯仲,而市场、专利、产业链成熟度将成为重要砝码。


    LDPC码提出时间早,其相关的专利已纷纷到期或接近到期,而Polar码最为年轻,专利年限相对较长;LDPC已得到广泛应用,产业成熟度非常高,而Polar码相对年轻。2016年11月18日,在美国内华达州里诺刚刚结束的3GPP RAN1#87次会议上,3GPP最终确定了5G eMBB(增强移动宽带)场景的信道编码技术方案,其中,Polar码作为控制信道的编码方案;LDPC码作为数据信道的编码方案。


    LDPC码即低密度奇偶校验码,1963年由MIT的Gallager博士提出,是一种具有稀疏校验矩阵的线性分组码,算法较成熟。


    Polar码即极化码,2008年由土耳其教授Erdal Arikan提出。Polar码基于信道极化理论,在解码时将信道分为无噪信道和全噪信道,将有用的信息分到无噪信道,将垃圾信息分到全信道。在理论速度上,Polar码可以拥有无限逼近香农极限的速率,相比LDPC码,Polar码在网络性能上更有优势,并且编码和驿码复杂度较低。


    Turbo码BerrouGlavieuxThitimajshima在1993年提出,是一种并行级联卷积码。Turbo码将分量码和随机交织器巧妙结合起来,采用并行级联的结构,实现了随机编码的思想,采用软输入软输出的迭代译码方法,达到了接近香农限的性能。

    三,中国试图引领世界

    19974月,国际电信联盟向世界各国发出征集函,征集第三代移动通信技术标准。中国为了打破在国际电信标准上没有话语权,只能做世界工厂的困局,递交了TD-SCDMA标准,经过举国的努力,最终被国际电信联盟吸纳为3G技术标准之一,实现了历史性突破,从此走上了力争主导国际标准的道路。

    进入4G时代后,分别有LTE FDDTD-LTE两个国际技术标准,中国政府选定了TD-LTE,并早于LTE FDD一年发放了牌照,目的就是为了发挥相对优势,在引领国际电信业方面占据更大的主动。如果不采取这种策略,而是在欧洲相对更有优势的LTE FDD标准后面跟跑,就会越追越追不上。

    中国的电信业实力很强大,在全球四大电信设备商中中国企业就占了2家,华为第一中兴第四,互联网商也在飞速进步,联想、小米等实力不容小觑,同时中国还是全球第一大消费市场。

    控着全球最庞大的企业集团和最巨大的消费市场,这是中国政府具备的引领世界的硬实力,原来的TDDFDD的份额之比是8:2,自从中国政府布局支持TD-LTE后,两者的份额差距快速缩小。

    2013年初,在政府部门的大力支持下,成立了面向5G移动通信研究与发展的IMT-2020推进组,明确了5G发展远景、业务、频谱与技术需求,研究5G主要技术发展方向及使能技术,形成5G移动通信技术框架,协同产学研用各方力量,积极融入国际5G发展进程,为2015年后全面参与5G移动通信技术标准制定打下坚实的技术基础,中国是全球公认的推进5G最积极的国家之一。

    中国在5G事业的提前布局,使之有望在未来的信息社会中更加深入地引领世界,而引领者会得到更多的市场回报,从而惠及到所有的本国公民,这个前景非常值得我们期待。