移动通信原理与系统——第八章 第五代移动通信

NFV基础设施（NFVI）
虚拟计算
虚拟存储
虚拟网络
虚拟化层
计算
存储
网络
图6 NFV架构
NFV 管理
和 编排
NFV优势
✓ NFV 是从运营商角度出发 提出的一种软件和硬件分 离的架构，将虚拟化技术 引入到电信领域，采用通 用平台来完成专用平台的 功能。
✓ NFV 能 实 现 软 件 的灵 活 加 载，从而可以在数据中心 、网络节点和用户端等不 同位置灵活地部署配置， 加快网络部署和调整的速 度，降低业务部署的复杂 度，提高网络设备的统一 化、通用化、适配性等。
同发展，实现网络变革。 ✓ 新型基础设施平台将引入互联网和虚拟化技术，设计实现基于通用设
施的新型基础设施平台，关键技术是NFV和SDN。 ✓ 新型的5G网络架构包含接入、控制和转发三个功能平面。
核心网 接入网
转发功能 控制功能 接入功能
5G网络逻辑架构
分布式组网 集中式组网 动态自组织网
Mesh网 Wi-Fi
➢ 增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband, eMBB）场景 ➢ 海量机器通信（Massive Machine Type Communications, mMTC）
场景 ➢ 超 高 可 靠 、 低 时 延 通 信 （ Ultra Reliable and Low Latency
➢ mMTC应用场景
• mMTC主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感 和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特 点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超密集连接的 支持能力，满足每平方公里100万连接数密度的指标要求，而且还要保 证终端的超低功耗和超低成本。
• mMTC的特点是低成本、低能耗、小数据量、大量连接数。
• 类场景及应用：智能抄表、智能农业、物流、追踪、车队管理等大规模 物联网业务。
➢ uRLLC应用场景 • uRLLC主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，对时 延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延 和接近100%的业务可靠性保证。 • URLLC的特点是高可靠、低时延、极高的可用性。 • 场景及应用：工业应用和控制、无人驾驶、远程制造、远程培训、远程 手术等需要低时延、高可靠连接的业务。
年以及未来移动数据流量需求的主要技术手段。此项技术通过更加“ 密集化”的无线网络基础设施部署获得更高的频率复用，从而在局部 热点区域实现百倍量级的系统容量提升。
➢ 挑战：持续的网络密度提升将带来新的挑战，如：干扰、移动性、
回传资源、装置成本等。
➢ 主要研究方向：
✓ 接入和回传联合设计：包括混合分层回传、多跳多路径的回传、自回 传技术和灵活回传技术。
空口时延：1ms
超高可靠低时延通信（uRLLC）端到端时延：ms数量级
可靠性：接近100%
传统的移动通信系统重点关注用户峰值速率，而5G系统关键性能指标更加 丰富
指标 用户体 峰值
流量
名称 验速率 速率
密度
4G 10Mbps 1Gbps 0.1Gbps/km
5G 100Mbps 20Gbps 10Gbps/km
移动通信
第八章 第五代移动通信系统
目录
8.1 5G移动通信概述 8.1.1 概述 8.1.2 5G的应用场景 8.1.3 5G的技术需求
8.2 5G移动通信关键技术 8.2.1 5G空口关键技术 8.2.2 5G关键网络技术
8.3 5G移动通信发展趋势
掌握5G移动通信的三大应用场景和技术需求 掌握第五代移动通信的空口关键技术 掌握第五代移动通信的网络关键技术 了解未来无线移动通信技术的发展趋势
及对应用的编排和资源管理 ✓ 控制层负责数据平面资源的处理，维护
网络状态、网络拓扑等 ✓ 数据转发层则处理和转发基于流表的数
据，以及收集设备状态
Mobile Communication Theory
8.2.2 5G网络关键技术
4.网络供能虚拟化(NFV)
虚拟网络功能（VNF） VNF VNF VNF VNF VNF
Mobile Communication Theory
8.2.2 5G网络关键技术
5.网络切片
网络运营商 根据模板设计网路切片
2
网络编排功能
3
4
5
创 建 分 配
实 例 化
监 控 管 理
vMSE
vEPC
设 备 厂 商 网络切片模板注册
1
vIMS
基础设施运营商
虚拟资 源1
云化基础设施
虚拟资 源2
虚拟资 源3
源利用率，可用于低功率节点的微基站，也可以应用于低功率的中继节
点。
f
f
t 小基站A
t 小基站B
f
f
t
t
小基站A
小基站B
图10 时域及频域的灵活资源分配
Mobile Communication Theory
8.2.1 5G空口关键技术
3.大规模天线
➢ 概述：大规模天线技术（Massive MIMO）的基础是MIMO技术。3GPP
提升 10倍 20倍 100倍
连接数 密度 105/km2
106/km2
10倍
空口 时延 10ms
1ms
10倍
移动性
能效 频谱效率
350km/h
1倍
1倍
500km/h
100倍提升 （网络侧）
3-5倍提 升
1.43倍
100倍
3-5倍
8.2 5G移动通信关键技术
5G关键技术
空口技术 网络技术
8.2.1 5G空口关键技术
5G面临的挑战和关键技术如表所示 ➢第一个场景主要满足未来的移动互联网业务需求； ➢后两个场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景。
应用场景
关键指标
100Mbps用户体验速率
增强型移动宽带（eMBB） 峰值速率：数十Gbps
流量密度：数十Tbps/km2
海量机器通信（eMTC）
连接数：106/km2 超低功耗，超低成本
图7 灵活的网络切片
虚拟资 源4
网络切片的特点
✓ 网络切片是利用虚拟化技术将 5G 网 络 物 理 基 础 设 施 资 源 根 据场景需求虚拟化为多个相互 独立、平行的虚拟网络切片。
✓ 每个网络切片按照业务场景的 需要和话务模型进行网络功能 的定制裁剪和相应网络资源的 编排管理。
✓ 一个网络切片可以视为一个实 例 化 的 5G 核 心 网 架 构 ， 在 一 个网络切片内，运营商可以进 一步对虚拟资源进行灵活的分 割，按需创建子网络。
接入平面
网络能力开放 网络资源管理 网络集中控制调度
控制逻辑
控制平面
内容存储分发 业务使能 分布转发 数据中心
转发平面
Mobile Commun图ic3ati5oGn网T络he逻or辑y架构
8.2.2 5G网络关键技术
2.超密集组网（UDN） ➢ 概述：超密集组网（Ultra dense network，UDN）将是满足2020
✓ 基站可以在三维空间形成具有高空间分辨的高增益窄细波束，提供灵活的 空间复用能力，改善接收信号强度并更好地抑制用户间干扰，从而实现更 高的系统容量和频谱效率。
➢ 挑战：大规模天线的实用化，满足大规模天线在灵活部署、易于运维等
实际需求方面，仍面临许多挑战：天线的非理想特性、信道信息的获取、多 用户传输的挑战等。
Communications, uRLLC）场景
➢ 增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband, eMBB）场景 • 5G在eMBB中对移动宽带通信提出了更高的要求： ✓既要满足连续广域覆盖，在满足用户移动性和业务连续性的前提下， 无论用户静止还是高速移动、处于覆盖中心还是边缘，都能随时随地 获得100Mbps以上的体验速度； ✓又要满足热点地区高容量，面向室内外密集人群等热点区域，为用户 提供1Gbps的极高数据传输速率，满足数十Tbps/平方公里的极高流 量密度需求。 • eMBB包括以下各类场景及应用：VR/AR、4K/8K超高视频等更高速率、 更高频谱效率的移动宽带业务。
1.新型多址接入技术
➢ 多址接入技术是移动通信系统中满足多用户同时通信的重要手段，然而4G 系 统的单链路性能已经接近理论容量上限。
➢ 以SCMA、PDMA、MUSA、NOMA为代表的非正交的新型多址技术可以不仅 能提升系统频谱效率，还可以增加有限资源下的用户连接数，增加系统接入 容量、降低延时。
（ 1 ） SCMA是 一 种 基 于 码 本 的 、 频 谱 效 率 接 近 最 优 的 新 型 非 正 交 多 址 接 入 方 案 。 SCMA适合于小数据包、低功耗、低成本的物联网业务应用。 （2）PDMA是一种可以在功率域、码域、空域、频域和时域同时或选择性应用的新 型非正交多址接入方案。PDMA适用于5G中提升频谱效率和系统容量的连续广域覆盖 场景和热点高容量场景。 （3）MUSA是一种基于码域叠加的新型非正交多址接入方案。理论表明，MUSA可 将接入网络过载能力提升300%以上，能服务5G海量连接和万物互联。 （4）NOMA是在发送端采用非正交发送方法，主动引入干扰信息，在接收端通过串 行干扰消除接收机实现正确解调。对于低延时或低功耗的业务场景，可以更好地实现 免调度竞争接入，实现低延时通信，并且减少射频开启时间，降低设备功耗。
Release10已经能够支持8个天线端口进行传输，5G中天线数目进一步增加 仍将是MIMO技术演进的重要方向。当MIMO系统中的发送端天线端口数目 增加到上百甚至更多是，就构成了大规模天线（Massive MIMO）系统。
➢ 基本原理：
✓ 当基站天线数远大于用户天线数时，基站与各个用户的信道将趋于正交。 用户间干扰将趋于零，巨大阵列增益能提升每个用户的信噪比，从而能够 在相同的时频资源上支持更多用户传输。
网络业务
数据转发层
网络设备
控制数据平面接口 如：OpenFlow
网络设备
网络设备
网络设备
网络设备
图5 SDN典型架构
SDN特性
✓ 控制面与转发面分离 ✓ 控制面集中化 ✓ 开放的可编程接口
SDN架构
SDN的典型架构分为应用层、制层、数据转 发层（转发层）三个层面。 ✓ 应用层包括各种不同的业务和应用，以
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8.2.1 5G空口关键技术
4.高频通信（6~100GHz）
面对5G数百亿级的设备连接数和更高速率和带宽的需求，现有无线通 信频谱资源愈加紧张，拥有更多频谱资源的6GHz以上的高频段越来越受 到重视，成为研究的热点。
✓ 优点：具有更加丰富的空闲频谱资源，可利用的频谱范围宽，传播方 向性强，抗干扰性好，安全性高，频率复用性高。
按照ITU的要求，5G移动通信系统需支持如下关键能力指标： ➢20G bit/s的峰值速率； ➢100M bit/s~1G bit/s的用户体验速率； ➢每平方公里100万的连接数密度； ➢1 ms的空口时延； ➢相对4G提升3到5倍频谱效率、100倍能效； ➢500 km/h的移动性； ➢每平方米10 Mbit/s的流量密度等。
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8.2.1 5G空口关键技术
2.灵活双工
传统LTE系统中 FDD 的固定成对频谱使用和TDD 的固定上下行时
隙配比已经不能够有效支撑业务动态不对称特性。灵活双工充分考虑了
业务总量增长和上下行业务不对称特性，有机地将TDD、FDD 和全双工
融合，根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提高系统资
✓ 干扰管理和抑制技术：基于接收机和基于发射机。 ✓ 小区虚拟化技术：以用户为中心的虚拟化小区技术、虚拟层技术和软
扇区技术。
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8.2.2 5G网络关键技术
3. 软件定义网络(SDN)
应用层
业务应用
API
API
API
控制层
网络操作系统
SDN 控制软件
✓ 缺点：传播损耗较大，墙壁等障碍物衰减很大，收发系统的频偏会较 大。同时由于高频段波长较小，所以元器件的尺寸就小，器件加工精 度要求高。
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8.2.2 5G网络关键技术
1. 新型网络架构
➢ 总体设计:通过基础设施平台和网络构架两个方面的技术创新和协
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8.1.1 5G移动通信概述
4G网络进入大规模商用，5G成为 全球研发的热点
ITU提出工作计划，预计于2020年 底完成标准制定
3GPP将在R15阶段完成5G标准工作 制定
世界主要各国均开展5G相关项目
5G移动通信网络最大的特点是能够同时满足三个场景 的通信需求