《电子技术应用》

5G移动通信系统概述

2017年电子技术应用第8期 作者:黄宇红,王晓云,刘光毅
2017/8/22 13:32:00

黄宇红,王晓云,刘光毅

(中国移动通信研究院,北京100053)


    摘  要: 4G的成功应用带来了移动互联网的空前繁荣,在为人们提供极大生活便利的同时,也在深刻地改变着人们的行为习惯,培育着众多的新应用和新需求。除了服务于人的需求,人们也期望移动通信能够渗透到各行各业,带来社会各行各业的转型升级。为了满足这些发展需求,5G将带来超高的频谱利用效率、超低的业务时延、超高的连接数密度、超低的功耗等,实现“信息随心至,万物触手及”的未来发展愿景。概述5G的应用场景和能力需求,并结合需求详细介绍5G空中接口新技术和网络结构方面的全新变化。

    关键词: 5G;大规模MIMO非正交多址;网络切片

    中图分类号: TN929.53

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.179003


    中文引用格式: 黄宇红,王晓云,刘光毅. 5G移动通信系统概述[J].电子技术应用,2017,43(8):3-7.

    英文引用格式: Huang Yuhong,Wang Xiaoyun,Liu Guangyi. Overview of 5G mobile communication system[J].Application of Electronic Technique,2017,43(8):3-7.

0 引言

    4G的普及与应用为移动互联网的发展打开了大门,伴随着消费电子产品的进步与发展,移动通信技术正无时无刻地改变着人们的生活,同时也刺激着移动通信需求的进一步发展。5G作为面向2020年及以后的移动通信系统,其应用将深入到社会的各个领域,作为基础设施为未来社会提供全方位的服务,促进各行各业的转型与升级。

    为此,5G将提供光纤般的接入速度,“零”时延的使用体验,使信息突破时空限制,为用户即时呈现;5G将提供千亿设备的连接能力,极佳的交互体验,实现人与万物的智能互联;5G将提供超高流量密度、超高移动性支持,让用户随时随地获得一致的性能体验;同时,超过百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低,也将保证产业的可持续发展。超高速率、超低时延、超高移动性、超强连接能力、超高流量密度,加上能效和成本超百倍改善,5G最终将实现“信息随心至,万物触手及”的愿景[1]

1 5G应用场景和需求

    身临其境的移动互联网和无处不在的移动物联网是5G发展的主要驱动力。根据IMT-2020(5G)推进组的预测[1],2010年到2020年全球移动数据流量增长将超过200倍,2010年到2030年将增长近20 000倍,其中热点区域的增长速度更快,达到十年千倍;同时,到2030年,包括物联网设备在内的全球联网设备总数将达到1 000亿量级,其中我国超过200亿。

    5G的应用场景由相关地点和该地点发生的业务组成。5G应用场景主要包括移动互联网和移动物联网两大类,而移动互联网类又可以抽象为低移动性高速率和高移动性广覆盖两个子类;移动物联网类可以抽象为低功耗大连接和低时延高可靠两个子类,如图1所示。其中:

    (1)低移动性高速率类应用场景主要包括办公室、密集住宅区、城市热点如CBD和大型集会等,其对应的主要业务有高清视频、虚拟现实、增强现实以及云存储等。这类应用场景的主要挑战在于高速率、高连接密度等;

    (2)高移动性广覆盖类应用场景主要发生在高铁、快速路以及地铁等对移动性要求较高的地点,其对应的主要业务有网页浏览、实时在线游戏、云端办公等,主要挑战在于有一定移动性的前提下保持一定的体验速率;

    (3)低功耗大连接类应用场景主要面向传感器类应用,包括环境监测、智能报表和可穿戴设备等方面,主要挑战在于连接数巨大且功耗要求低;

    (4)低时延高可靠类应用场景主要包括工业及医疗行业的自动控制类业务、交通行业的自动驾驶、智能电网等,主要挑战在于时延和移动性等方面的要求。

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    基于对上述四类场景的分析,5G的整体需求可以用下面的“5G之花”来表征。如图2,花瓣代表了5G的六大性能指标,体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力,其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值,分别体现为:5G要支持0.1~1 Gb/s的用户体验速率、每平方公里一百万的连接数密度、毫秒级的端到端时延、每平方公里数十Tb/s的流量密度、每小时500 km以上的移动性和数十Gb/s的峰值速率。其中,用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的3个性能指标。需要注意的是,并非所有的性能指标都需要同时满足。另外,绿叶代表了3个效率指标,是实现5G可持续发展的基本保障,具体表现为,相比4G,5G的频谱效率提升5~15倍,能效和成本效率提升百倍以上,以满足移动通信产业的可持续发展的需求。

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2 5G空口新技术

    为了满足5G对系统整体传输效率的要求,5G空中接口需要采用一系列的新技术来提升无线传输的效率,达到3~5倍于4G系统的频谱效率,以及现有空口时延的1/5等。

2.1 3D-MIMO(Massive MIMO)

    如图3所示,3D-MIMO[2]一般采用大规模的二维天线阵列,不仅天线端口数较多,而且可以在水平和垂直维度灵活调整波束方向,形成更窄、更精确的指向性波束,从而极大地提升终端接收信号能量,增强小区覆盖;而传统的2D-MIMO天线端口数较少,导致波束较宽,并且只能在水平维度调整波束方向,无法将垂直维的能量集中于终端,且仅能在水平维度区分用户也导致其同时同频可服务的用户数受限;3D-MIMO可充分利用垂直和水平维的天线自由度,同时同频服务更多的用户,极大地提升系统容量,还可通过多个小区垂直维波束方向的协调,起到降低小区间干扰的目的。

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    3D-MIMO无论是在提升接收和发送的效率,提升多用户MIMO的配对用户数,还是降低小区间的干扰方面,都相对于传统的天线有更好的性能,是5G提升频谱效率的最核心的技术。

2.2 非正交多址[3]

    面对5H通信中提出的更高频谱效率、更大容量、更多连接,以及更低时延的总体需求,5G多址的资源利用必须更为有效。因此,在近两年的国内外5G研究当中,资源非独占的用户多址接入方式广受关注。在这种多址接入方式下,没有任何一个资源维度下用户是具有独占性的,因此在接收端必须进行多个用户信号的联合检测。得益于芯片工艺和数据处理能力的提升,接收端的多用户联合检测已成为可实施的方案。

    5G新型多址的设计将从物理层最基本的调制映射等模块出发,引入功率域和码率的混合非正交编码叠加,同时在接收端引入多用户联合检测来实现非正交数据层的译码,其统一框架如图4所示。发送端在单用户信道编码之后,进入核心的码本映射模块,包括调制映射、码域扩展和功率优化,这三个部分也可联合设计,获得额外编码增益;在接收端经过多用户联合检测后的软信息可输入单用户纠错编码的译码模块进行译码,也可以将信道译码的结果返回代入多用户联合检测器进行大迭代译码,进一步提升性能。在这个通用结构图中,上下行多接入的区别在于多用户信号叠加的位置不同,下行多用户信号在过信道前,在发送端叠加,而上行多用户信号则在经过无线信道后,在接收端叠加。

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    对比4G OFDMA正交多址的物理层过程,5G新型非正交多址物理层过程引入新模块变化的动机主要有如下几个方面:

    (1)通过新的(多维)调制映射设计,获得编码增益和成型增益,提升接入频谱效率;

    (2)通过(稀疏)码域扩展,获得分集增益,增强传输鲁棒性,也白化小区内或小区间数据流间的干扰(interference whitening);

    (3)通过非正交层间的功率优化,最大化多用户叠加的容量区。

2.3 自包含帧结构[4]

    5G系统为了进一步降低发送的时延,对时隙的结构和收发的反馈进行了新的设计。对于TDD系统,通过引入更多的上下行转换点,缩短发送和反馈之间的响应时间,这种帧结构的设计也叫自包含的帧结构。对于FDD,则可以通过更短的调度和传输周期,缩短传输时延。

    5G定义的子帧格式如图5,这种帧结构可以大大缩短收发之间的时间间隔,对于TDD而言,还可以提升上行信道探测的有效信息,进一步提升下行的MIMO的传输和检测效率,从而提升系统频谱效率。

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2.4 更快速的状态转换[5]

    5G为了实现更低的控制面时延,如10 ms,在4G已有的连接态和空闲态中引入了一个新的中间状态,称为去激活状态。该状态保留核心网的连接状态,而删除无线侧的连接状态,当需要时,可以快速建立无线侧的连接,从而大幅降低从原空闲态到连接态的转换时延。新的去激活状态如图6。

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3 5G网络新技术

    为了支持灵活的应用场景,和差异化的网络能力需求,5G需要更加灵活有效的网络架构,满足未来运营商灵活组网、快速业务部署的需求。下面介绍5G的新技术特征[6]

3.1 三云一层的网络架构

    现有的4G网络结构单一而不灵活,很难满足未来5G多场景、差异化QoS需求等实际部署需求。 面向未来的5G网络,基于控制与转发分离和控制功能重构的技术设计新兴网络架构,提高接入网在面向5G发杂场景下的整体接入性能。简化核心网结构,提供灵活高效的控制转发功能,支持高智能运营,开放网络能力,提升全网整体服务水平。控制功能的抽离和聚合,有利于通过网络控制平面从全局视角来感知和调度资源,实现网络连接的可编程。三云一层网络架构如图7。

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3.2 面向服务的云化网络使能端到端网络切片

    5G网络架构最大的特征就是基于SDN/NFV技术,通过面向服务的云化网络,实现端到端的网络切片,从而实现业务的灵活和快速部署。同时,通过硬件和软件的解耦,可以方便快捷地把网元功能部署在网络中的任意需要的位置,对通用硬件资源实现按需分配和动态伸缩,既以达到最优的资源利用率,也可以实现网络的动态、快速和按需部署。基于SDN/NFV的网络切片如图8。

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3.3 用户为中心的无线网络[7]

    5G网络需要针对用户的行为、偏好和终端、网络的状态和能力,提供最佳的用户体现,实现以用户为中心的网络,如图9所示。

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    5G无线网络架构的主要设计理念如下:

    (1)用户与业务内容的智能感知

    以智能无线管道为目标,通过引入更精细化的业务与用户区分机制,根据业务场景、用户能力、用户偏好及网络能力等,自适应配置空口技术、系统参数等,实现端到端的精细而多样化的网络连接、业务和内容区分与处理。5G网络架构将能支持基于对业务与用户的预测、分析、响应和处理能力,实现自适应的空口接入与管理、端到端的精细而多样化的业务和内容区分与处理,提供更精准、更完备的用户个性化、定制化的资源配置和网络服务,以满足多样化的用户及业务需求,并确保一致的、高质量的用户体验。

    (2)业务下沉与业务数据本地化处理(MEC)

    在逻辑功能上,基于核心网与无线网的功能重构,促使核心网专注于用户签约与策略管理以及集中控制,而其用户面与业务承载功能继续下沉,业务承载的管理与业务数据的路由和分发可部署在更靠近用户的接入网,从而构建更加优化的业务通道,使得业务的路由通道更加简化,避免业务瓶颈,降低集中传输的负荷。同时,基于对数据和业务内容的精细化感知,接入网不仅可以在本地生成、映射、缓存、分发数据,还可实现业务的本地就近智能分发和推送。

    (3)支持多网融合与多连接传输

    在可见的时间内,4G/5G/WiFi等多种网络将长期共存,因此,5G网络架构必须支持多种网络的深度融合,实现对于多种无线技术/资源的统一和协调管理,并基于承载与信令分离,信令与制式解耦,实现与接入方式无关的统一的控制,使得无线资源的利用达到最大化。同时,未来的终端也将普遍具备多制式多无线的同时连接和传输能力。在多维度业务接纳与控制的基础上,5G网络将基于时延容忍度、丢包敏感度以及不同的APP、业务提供商,支持精确的网络选择与无线传输路径与方式,实现最佳资源匹配。

4 总结

    5G为移动通信技术的发展描绘了一个美好的蓝图。为了实现5G要求的超高频率效率、超低时延、超高连接数密度、超低能耗,5G需要在空中接口技术和网络架构方面做出巨大的变革,包括引入大规模天线、非正交多址、自包含的帧结构、新的协议状态、三云一层的网络架构、端到端的网络切片、以用户为中心的网络新技术等。

参考文献

[1] IMT-2020(5G)推进组[OL].[2017-07-07].http://www.imt-2020.org.cn/zh.

[2] Liu Guangyi,Hou Xueying,Jin Jing,et al.3D-MIMO with massive antennas paves the way for 5G enhanced Mobile Broadband: from system design to field trials[J].IEEE Journal on Selected Area on Communications,2017.

[3] Zhang Jinfang,Lu Lei,Sun Yuntao,et al.PoC of SCMA-based uplink Grant-Free transmission in UCNC for 5G[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communication,2017,35(6):1353-1361.

[4] 3GPP TR 38.802.Study on New Radio(NR) access technology,physical layer aspects(Release 14)[R].2016.

[5] 3GPP TR 38.804.Study on New Radio(NR) access technology,radio interface protocol aspects(Release 14)[R].2016.

[6] IMT-2020 5G网络技术白皮书[R].2016.

[7] 刘光毅,方敏,关皓,等.5G移动通信系统:从演进到革命[M].北京:人民邮电出版社,2016.

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