移动通信5G移动通信系统与关键技术.pdf

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1、 5G 移动通信系统与关键技术 摘 要 信息和网络技术的快速发展使得无线移动通信网络的数据流量每年呈指数级增长，不断发展。移动网络成为了现代生活的必需品，生活中的实物都与移动网络息息相关，而随着新兴的智能业务发展，亟需更多高速、高效、智能的移动通信技术作为其发展的基础。随着 4G 移动通信网络的普及，不难发现，虽然已经在 3G 基础上进行改善，但仍然难以满足新兴业务的要求，因此 5G 移动通信进入了发展阶段，5G 移动通信技术的发展是为了适应和满足全球智能终端的普及和移动互联网的快速发展。本文首先概述了 5G 移动通信技术，其次分析讨论了几个关键技术要点以及 5G 技术的三大应用场景，最后对

2、5G 的特色应用进行概述讨论。关键词：5G；发展；关键技术；应用场景；特色应用 目 录 目录 一、5G 系统概述.2 二、5G 系统基础知识.3 2.1 5G 系统关键技术.3 2.2 5G 系统三大应用场景.3 2.2.1 uRLLC.3 2.2.2 eMBB.3 2.2.3 mMTC.4 2.3 5G 网络切片.4 三、5G 系统特色业务应用.4 3.1 智慧城市.5 3.2 虚拟现实.5 参考文献.6 3 一、5G 系统概述 由于 4G 蜂窝网络的发展被认为已于 2011 年结束，因此研究界的注意力现在集中在无线通信技术的创新上，因此引入了第五代（5G）技术。每一代技术的发育的周期通常被

3、认为是大约10 年，因此，5G 网络有望在2020 年左右部署。5G 与之前四代系统之间的最大区别在于技术的复合性，并不只是单一的技术，而是当前所有通信技术的综合。作为最新一代移动通信技术，该技术的安全性、覆盖范围以及灵活性得到了极大的提高，峰值速率达到10Gb/s的同时解决了4G网络中存在的问题。凭借最先进的技术和频谱效率，它可以满足当前移动业务流量的需求，并建立一个高度可靠的网络社会。5G 的特点体现在以下几个方面：第一，网络设备的快速扩展将是4G 网络的 100 倍；其次，网络消耗的能量更少，达到了节能的目的；再次，5G 所需的频率比 4G 高约 10 倍，通过压缩等技术，可以有效提高频

4、率利用率。第四，5G移动通信比4G 更可靠，时间延迟减少了近 10 倍。第五，5G 移动通信的用户率有了很大提高，特别是对有特殊需求的企业。第六，5G 移动通信的吞吐量很强。5G 通信系统的发展是 4G 网络通信后发展起来的新一代移动通信系统。其无线覆盖性能良好，极大地提高了系统安全性和用户体验。新一代网络系统的出现将在许多领域得到发展。5G 系统具有一定的灵活性，可以自动调整，以便能够很好地应对未来变化和发展的趋势。目前，5G 移动通信已成为国内外研究的热点。随着移动互联网的蓬勃发展，互联网逐渐成为 5G 移动通信的巨大推动力。移动互联网作为各种通信业务的基础平台，可以通过无线方式为用户提供

5、便利。根据目前业界对 5G 移动通信的估计，5G 的运营将通过一定的无线传输技术在4G 网络的基础上进行更新。此外，新架构的引入使智能系统能够将系统的总吞吐量扩展到 25 倍以上。4G 通信系统场景主要是人与人间的互联，例如高清视频、简单物联网和车联网等等；4.5G 是 4G 的全方位平滑演进，在现有 4G 上通过软件升级或增加一定的硬件来实现，是 5G 的先行者，主要应用场景是物联网，4K 超高清视频、物联网和车联网等等；5G 不仅仅是一次单纯的技术升级，更是为我们提供一个技术平台，从而催生无数新应用和新产业，主要的应用场景是万物互联，包括全息视频、虚拟现实、自动驾驶、物联网、车联网、智能家

6、居和智能穿戴等等 为了提高 5G 运行的传输速度，5G 系统的设计将进一步采用频谱效率技术，如波形设计技术，多天线技术等。在这些无线网络方面，将在此基础上采用一些新兴的网络架构技术，对 5G 移动通信进行新一轮的改进。5G 移动通信主要采用超高能量无线传输技术和高密度无线网络技术。4 二、5G 系统基础知识 2.1 5G 系统关键技术 提到通信技术，我们首先就会想到香农公式：NSBC1log2(1-1)上式中，C是最大传输速率，B是频谱带宽，S是信号功率，N是噪声功率。为了提高最大传输速率C，从公式可以看出共有三种方法：第一，提高高频谱范围，由公式(1-2)可得 C(1-2)上式中，C是最大传

7、输速率，是波长，是频率，为了提高范围，应该降低的值，因此诞生了 5G 关键技术之一，毫米波；第二，提高频谱利用率，通过大幅提高频谱效率 Massive MIMO 以及正交频分复用技术 OFDM 和实现频谱效率 3 倍提升空分多址技术 SCMA；第三，提高传输过程中的效率、空间利用率（CCFD）、3D 波束赋形（控制射频信号相位，控制电磁波精准指向）和 D2D技术（同基站下端对端直接通信）。2.2 5G 系统三大应用场景 最近的第 5 代（5G）新无线电（NR）规范包括用于传输具有不同特性和要求的业务的特征：其一是 uRLLC（超高可靠超低时延通信），超可靠的低延迟通信的目标是在短时间间隔内提供

8、具有高成功概率的间歇性小有效载荷；其二是eMBB（移动宽带增强），该指标专注于大量数据传输，要求高频谱效率；最后是应用于大连接物联网，针对大规模物联网业务的 mMTC（海量机器类通信）。2.2.1 uRLLC uRLLC的基准目标是在1ms内通过空中接口实现32字节有效负载的传输和1-10-5的可靠性1，3GPPRelease-15 规范很容易为这些服务提供初始支持。然而，考虑到需要支持异构服务同时确保无线资源的有效使用，具有不同可靠性要求的上行链路业务的复用已引起关注。uRLLC 特点是高可靠、低时延、极高的可用性。它包括以下各类场景及应用：工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训

9、、远程手术等。2.2.2 eMBB eMBB 和 uRLLC 在下行链路中的有效复用可以通过动态调度来实现，其中高权限 uRLLC 传输打孔 eMBB 分配2。在上行链路中，类似的概念可以与抢占方案一起使用，用于多个用户设备内和针对多个用户设备间之间的业务复用。这 5 样，当 uRLLC 被授权发送时，eMBB 传输暂停。虽然该解决方案对于动态调度传输有效，但是当使用免费方案时，该解决方案不适用。在 NR 中指定为配置授权的无授权传输是具有非常严格要求的上行链路 uRLLC 的主要推动者之一。eMBB 包括以下各类场景及应用：家庭、企业、场馆、移动/固定/无线、非SIM 设备、智能手机、VR/

10、AR、4K/8K UHD、广播等。2.2.3 mMTC 海量机器类通信（mMTC）3的特点是低成本、低能耗、小数据量和大量连接数，在移动网络社会中发挥着重要作用，可以为网络运营商带来可观收入的有效性。mMTC 已成为几种新兴智能服务的主要通信范例：公共安全、医疗保健、工业自动化、无人机/机器人和公用事业和交通运输等等。然而，mMTC 仍处于5G 新无线电（NR）4的早期标准化阶段，需要大量的研究工作才能得到改进，虽然目前学术界和工业合作伙伴提供了许多研究机会作为鼓励目的的例子，但是在未来，仍然要面对技术上的各种挑战。2.3 5G 网络切片 5G 计划的主要目标是创建“一个完整的、自动化的新生态

11、系统，基于越来越多的服务和应用，对移动宽带、机器类型、高可靠性和低延迟通信有不同的要求”。针对不同的场景，对网络资源的需求是不同的，如果使用同一套网络资源，则针对不同的使用场景，很难达到当前最高质量的服务；反之，对每一个不同使用场景都分别建设一个网络提供专业服务，则会因为资源的重复建设而造成资源浪费。因此要通过网络切片技术将物理存在的网络划分为多个虚拟化的网络，又称为多个网络切片，可以针对不同的应用场景提供相应网络功能5。5G 网络切片成为这些技术和业务需求的可靠证明框架解决方案。网络切片允许网络运营商通过公共网络基础设施提供具有特定客户服务功能的安全专用虚拟网络，并包括不同的技术部分和管理域

12、。智能城市服务需要具有高数据处理能力，速度和低延迟的可扩展基础架构所支持的高级请求，能够提供灵活的配置，成本效益和服务定制。每个网络片都包含一组逻辑网络功能，这些功能是为了独立满足已部署用例的要求而创建的。5G slice“支持特定连接类型的通信服务，具有处理该服务的控制和用户平面的特定方式”。网络切片可以最大限度地跨域共享网络资源，为不同的垂直业务创建专用逻辑网络和相关功能的灵活性，通过智能切片和切片生命周期管理提供可配置的 QoS 和 QoE。各大运营商可以通过提供核心网件库以及服务模板，对不同用户的不同需求进行网络的定制和开通，又能够根据当前用户使用情况结合基站负荷等信息进行智能选择。三

13、、5G 系统特色业务应用 作为第一个以用例为推动力的移动通信技术，随着 5G 标准的终结，5G 应 6 用即将呈现井喷之势，将在娱乐6、制造、汽车7、能源、医疗8、交通、教育、养老等各个行业拥有自己的一席之地。本章简述其中两个较为热门的应用。3.1 智慧城市 5G 项目协同带来的创新元素是端到端机制的设计以及作为基于微服务云的应用程序的架构组件，将自动部署在 5G 网络可编程基础架构上。几个项目的地址在 5G 或 LTE 网络中实现网络切片的各种技术挑战，以满足不同垂直业务用例的多样化需求。其中，现有工作的很大一部分集中在无线接入网络（RAN）中的切片，例如 EU 5G PPP 项目 COHE

14、RENT 涉及来自欧洲和美国的贡献者。虚拟网络功能（VNF）的正确链接和放置对于服务创建的网络切片很重要。在服务链中联合考虑主动缓存，以改善视频缓存应用的移动性支持。这种网络功能和应用服务的联合设计将有利于用例通知切片，就像这项工作一样，突出了 MATILDA和 SliceNet 项目之间的智能城市9用例。解决底层基础设施的自动化和自组织能力的举措已经开启，实现不同网络切片之间共享资源的虚拟化。大多数科学文章正在解决与不同用例相关的 5G 系统的要求和挑战或能够支持与智能城市，智能能源，公共安全相关的不同类型应用的框架。3.2 虚拟现实 虚拟现实（VR）10融合了多媒体、传感器、新型显示、互联

15、网和人工智能等众多技术，是引领全球新一轮产业变革的重要力量。当前，我国 VR 消费级市场快速培育，在游戏、娱乐、影视等领域的产品形态更加丰富，商业模式逐渐走向成熟。特别是今年的 5G 商用，为 VR 在更广泛领域的应用开辟了新天地在 6 月 20 日举行的 2019 世界 VR（虚拟现实）产业大会新闻发布会上，工信部电子信息司副司长吴胜武表示，今年 5G 商用为虚拟现实技术在更广泛领域的应用开辟了新天地。在 5G 的协助下，需要实时交流、实时交互的虚拟现实行业应用将被实践和推广。7 参考文献 1 温萍萍.5G 网络中支持 URLLC 业务的数据复制传输技术J.无线互联科技,2018,v.15；

16、No.134(10):26-28.2 杨燕玲,阮丹.eMBB 应用场景下的 5G 无线网络部署方案研究J.广东通信技术,2018,38(10):59-62.3 曹蔚,冯钢,秦爽,等.面向海量机器类通信(mMTC)的无线接入控制J.重庆邮电大学学报（自然科学版）,2017,29(5):579-589.4 周钰哲.全球 5G 进展、趋势分析及启示J.中国无线电,2019,281(1):22-25.5 王华.未来 5G 网络切片技术关键问题分析与探究J.通信电源技术,2019,36(1):188-189.6 申晴.“视”不可挡的 5G 时代 视频娱乐红利如何被引爆?J.通信世界,2018,786(28):20.7 刘华楠.基于 5G 的汽车自动驾驶系统优化设计J.电信快报,2018(3):41-44.8 蒋雅丽.5G 如何赋能医疗?J.通信世界,2018,786(28):24.9 贠天一.5G 到来时智慧城市建设将进入新阶段J.中国战略新兴产业,2018(5).10 周文韬.5G 时代虚拟现实新闻的前景及伦理困境J.传媒观察,2018(6).