Blog.003 5G基础与技术规范
本章目录
1. 简介
1.1 移动通信历程
2. 5G
2.1 5G的基本概念
2.2 4G与5G指标对比
2.3 5G关键技术
2.4 5G技术指标
3. 5G的三大应用场景
3.1 eMBB
3.2 mMTC
3.3 uRLLC
4. 5G面临的新挑战
自从人类社会诞生以来，如何高效、快捷地传输信息始终是人类矢志不渝的追求。从文字到印刷术，从信号塔到无线电，从电话到移动互联网，现代科技发展速度一直取决于信息传播速度，新的信息传播方式往往会带来社会天翻地覆的变化。5G就是最新的移动通信浪潮中现阶段进展。
移动通信的发展历史可以追溯到19世纪。1864年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在，1876年赫兹用实验证实了电磁波的存在，1896年马可尼在英国进行的14.4公里通讯试验成功，从此世界进入了无线电通信的新时代。现代意义上的移动通信开始于20世纪20年代初期。而现代通信技术发展从上世纪20年代起到如今，大致经历了五个阶段。其中从上世纪60年代中期到70年代中期为第四阶段，这一阶段是移动通信的蓬勃发展期，1G也是始于这一时期。
1978年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统(AMPS)，建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1976年美国摩托罗拉公司的工程师马丁·库珀于首先将无线电应用于移动电话。
同年，国际无线电大会批准了800/900MHz频段用于移动电话的频率分配方案。在此之后一直到20世纪80年代中期，许多国家都开始建设基于频分复用技术(FDMA)和模拟调制技术的第一代移动通信系统即1G。
然而由于采用的是模拟技术，1G系统的容量十分有限。此外，安全性和干扰也存在较大的问题。再加上1G系统的先天不足，使得它无法真正大规模普及和应用，价格更是非常昂贵，成为当时的一种奢侈品和财富的象征。
2G的发展
即将迈入21世纪，通信技术也进入到了2G时代，和1G不同2G采用的是数字传输技术。这极大的提高了通信传输的保密性。2G技术基本可被切为两种，一种是基于TDMA所发展出来的以GSM为代表，另一种则是CDMA规格，复用﹙Multiplexing﹚形式的一种。随着2G技术的发展，手机逐渐在人们的生活中变得流行，虽然价格仍然较贵，但并不再是奢侈品。
过渡的2.5G
2G到3G的发展并不像1G到2G那样平滑顺畅，由于3G是个相当浩大的工程，要从2G直接迈向3G不可能一下就衔接得上，因此出现了介于2G和3G之间的衔接技术——2.5G。我们所熟知的HSCSD、WAP、EDGE、蓝牙(Bluetooth)、EPOC等技术都是2.5G技术。
2.5G功能通常与GPRS技术有关，GPRS技术是在GSM的基础上的一种过渡技术。GPRS的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步，GPRS在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务。较2G服务，2.5G无线技术可以提供更高的速率和更多的功能。
3G的发展
随着移动网络的发展，人们对于数据传输速度的要求日趋高涨，而2G网络10几KB每秒的传输速度显然不能满足人们的要求。于是高速数据传输的蜂窝移动通讯技术——3G应运而生。目前3G存在3种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。
中国国内支持国际电联确定三个无线接口标准，分别是中国电信的CDMA2000，中国联通的WCDMA，中国移动的TD-SCDMA。可以说3G的发展进一步促进了智能手机的发展，由于3G的传输速度可以达到几百KB每秒。
通过3G，人们可以在手机上直接浏览电脑网页，收发邮件，进行视频通话，收看直播等，还一度引出了3G手机可否取代PC的设想。
4G的发展
作为3G的延伸，4G近几年被人们所熟知，2008年3月，在国际电信联盟-无线电通信部门(ITU-R)指定一组用于4G标准的要求，命名为IMT-Advanced规范，设置4G服务的峰值速度要求在高速移动的通信(如在火车和汽车上使用)达到100Mbit/s，固定或低速移动的通信(如行人和定点上网的用户)达到1Gbit/s。
该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式(严格意义上来讲，LTE只是3.9G，尽管被宣传为4G无线标准，但它其实并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通讯标准IMT-Advanced，因此在严格意义上其还未达到4G的标准。相对于前几代，4G系统不支持传统的电路交换的电话业务，而是全互联网协议(IP)的通信。4G将为用户提供更快的速度并满足用户更多的需求。
5G的发展
2013年2月，欧盟宣布，将拨款5000万欧元，加快5G移动技术的发展，计划到2020年推出成熟的标准。2014年5月8日，日本电信营运商NTTDoCoMo正式宣布将与Ericsson、Nokia、Samsung等六间厂商共同合作，开始测试5G网络。预计在2015年展开户外测试，并期望于2020年开始运作。
第五代移动通信技术（英语：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，简称5G或5G技术）是最新一代蜂窝移动通信技术。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。
| 指标名称 | 流量密度 | 连接数密度 | 时延 | 移动性 | 能效 | 用户体验速率 | 频谱效率 | 峰值速率 |
| 4G取值 | 0.1 Tbps/Km² | 10万/Km² | 10ms | 350Km/h | 1倍 | 10 Mbps | 1倍 | 1Gbps |
| 5G取值 | 10 Tbps/Km² | 100万/Km² | 1ms | 500Km/h | 100倍提升（网络侧） | 0.1-1 Gbps | 3倍提升（某些场景5倍） | 20Gbps |
（1）大规模MIMO
基站使用几十上百根MIMO天线，波束窄，指向性传输，高增益，抗干扰，提高频谱效率。
（2）同时同频全双工通信技术
是一项通过多重干扰消除实现信息同时同频双向传输的物理层技术，有望成倍提升无线网络容量。利用该技术，在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率（数字通信系统的链路频谱效率定义为净比特率（有用信息速率，不包括纠错码）或最大吞吐量除以通信信道或数据链路的带宽（单位：赫兹））提高1倍。
（3）新型调制技术
滤波器组正交频分复用，支持灵活的参数配置，根据需要配置不同的载波间隔，适应不同传输场景。
（4）超密集组网
超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。未来，面向高频段大带宽，将采用更加密集的网络方案，部署小小区/扇区将高达100个以上。
（5）小基站优势：
- 体积小，成本低，安装容易，适合深度覆盖
- 功率小，干扰小，更小的范围内实现频率复用，提升容量
- 距离用户近，提升信号质量和高速率
（6）软件定义网络（SDN）
- 物理上分离控制平面和转发平面
- 控制器集中管理多台转发设备
- 服务和程序部署在控制器上
（7）自组织网络（SON）
SON的功能主要可以归纳为：自配置，自优化，自愈。
- 自配置：指从设备安装上电到用户设备能够正常接入进行业务操作，在很少或者完全没有工程人员干预的前提下完成；
- 自优化：根据终端UE（User Equipment，用户设备）和基站eNode B（Evolved Node B，演进Node B）的性能测量等网络运行状况，对网络参数进行自我调整优化，以达到提高网络性能和质量和减少网络优化成本的目的；
- 自愈：网络问题的自我治愈，像是治病般的“早发现，早诊断，早治疗”。该功能通过对系统告警和性能的检测发现网络问题，并自检测定位，部分或者全部消除问题，最终实现对网络质量和用户感受的最小化影响。
5G性能指标包括六个方面，包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、移动性、流量密度、用户峰值速率。
（1）用户体验速率：指真实网络环境下用户可获得的最低传输速率；
（2）连接数密度：指单位面积上支持的在线设备总和；
（3）端到端时延：指数据包从源节点开始传输到被目的节点正确接收的时间；
（4）移动性：指满足一定性能要求时，收发双方间的最大相对移动速度；
（5）流量密度：单位面积区域内的总流量；
（6）用户峰值速率：单用户可获得的最高传输速率。
目前，国际标准化组织3GPP已经为5G定义了三大应用场景。其中，eMBB指3D/超高清视频等大流量移动宽带业务，mMTC指大规模物联网业务，URLLC则指如无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。这三大应用场景分别指向不同的领域，涵盖了我们工作和生活的方方面面。
eMBB：大流量移动宽带业务
eMBB（ Enhance Mobile Broadband）即增强移动宽带，是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升，这也是最贴近我们日常生活的应用场景。5G在这方面带来的最直观的感受就是网速的大幅提升，即便是观看4K高清视频，峰值能够达到10Gbps。
3.2 mMTC
mMTC：大规模机器类通信
mMTC将在6GHz以下的频段发展，同时应用在大规模物联网上。目前，在这方面比较可见的发展是NB-IoT。近期随着大范围覆盖的NB-IoT、LoRa等技术标准的出炉，可望让物联网的发展更为广泛。
uRLLC：高可靠、低时延通信
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、远程手术等。uRLLC在无人驾驶业务方面拥有很大潜力。此外，这对于安防行业也十分重要。
例如，工业自动化控制需要时延大约为10ms，这一要求在4G时代难以实现。而在无人驾驶方面，对时延的要求则更高，传输时延需要低至1ms，而且对安全可靠的要求极高。
（1）移动热点：大量热点带来的超密组网挑战；
（2）物联网络：物联新业务远超人的活动范围；
（3）低空、高空覆盖：无人机、飞机航线覆盖等。
（4）频谱资源：
- 5GHz以下的频段已非常拥挤；
- 需要高频段和超高频段。
浙公网安备 33010602011771号