物聯網為什麼需要5G？

摘要：5G，這個詞，我想每個接觸ICT行業的朋友都有聽過，可5G的到來，對物聯網行業的幫助究竟是什麼？

 我相信，95%的ICT從業者對5G這一概念沒有一個清晰的認知。

 這一期文章的主題主要是普及一些5G關鍵技術的介紹。

一、移動通信概述

1.移動通信發展曆程

1G 模拟制式語音業務NMT TACS AMPS NAMTS

2G 數字制式 語音業務 低速資料業務10kbps～200kbps GSM CDMA

3G 移動多媒體業務 2Mbps～50Mbps TD-SCDMA WCDMA CDMA2000

4G 移動寬帶 100Mbps～1Gbps TD-LTE FDD LTE

5G 萬物互聯

2.4G和5G的“野心”

A.4G設計目标

三高

高峰值速率：下行峰值100Mbps，上行峰值50Mbps

高頻譜效率：頻譜效率是3G的3～5倍

高移動：支援350km/h（在某些頻段甚至支援500km/h

兩低

低延遲時間：控制面IDLE-> ACTIVE:<100ms,使用者面傳輸：<10ms

低成本：SON（自組織網絡），支援多頻段靈活配置

一架構

以分組域業務為主要目标，系統在整體架構上是基于分組交換的扁平化架構

B.5G設計目标

聚焦多元化需求：eMBB+uRLLC+eMTC

使用者體驗速率

頻譜效率

移動性

時延

連接配接數密（裝置/平方公裡）

網絡功耗效率

區域流量能力

峰值速率

3.實作“野心”的關鍵

頻譜資源

頻譜資源變化：更大帶寬、更高使用率

頻譜資源： 4G 20MHz 5G 400MHz

傳輸帶寬： 4G保護帶寬占比約10%頻譜使用率約90% 5G 保護帶寬占比2%～3% 頻譜使用率約98%

系統架構

系統架構演進：傳統網絡至4G

系統架構演進：5G NFV（網絡裝置功能虛拟化）

關鍵技術

4G VS 5G

雙工方式：TDD/ FDD——靈活雙工、全雙工

多址技術：OFDMA/SC-OFDMA——OFDMA/SC-FDMA/NOMA

天線技術：傳統MIMO——Massive MIMO

調制方式：64QAM——1024QAM

4.5G前景展望

使能更多新興垂直行業應用！

案例 智能電網：監控和控制 故障自恢複 時延要求5～50ms 可靠性要求 非常高

無人機：公共安全 農林 時延要求10～30ms 可靠性要求 高

智能醫療：遠端手術 時延要求10～100ms 可靠性要求 高

智能制造：機器人通信與控制 時延要求 10～100ms 可靠性要求非常高

······

二、5G網絡概述

1.移動業務需求趨勢及業務場景

A.5G時代面臨的挑戰

MBB資料流量雪崩式增長 移動網際網路等新應用所帶來的流量爆炸性增長 10年1000倍

聯網裝置數量巨大增長 具備通信能力的機器 2020年有1000億聯網裝置

應用場景和需求的多樣性 裝置與裝置之間的通信 比如車與車之間的通信 由于機器通信所帶來新需求和新特性

高速率=良好的使用者體驗

流媒體VR視訊的帶寬需求

物聯網通信技術——5G

B.不同制式所支援連接配接數

3G每小區支援100個連接配接

4G每小區支援1000個連接配接

5G每平方公裡支援1百萬個連接配接

有了5G，十字路口不再擁塞

自動駕駛對低延遲時間的需求

C.5G的關鍵性能名額

時延 1毫秒 端到端時延 30～50x

吞吐量 10Gbps每個連接配接速率

連接配接數 1000K每平方公裡連接配接數

D.5G法定名稱“ IMT-2020 ”

ITU對IMT2020願景的描述

eMBB（增強型MBB）10Gbit/s

mMTC（海量連接配接的物聯網業務）1百萬連接配接每平方公裡

uRLLC (超高可靠性與超低延遲時間業務）1ms

NGMN對5G願景的描述

5G是一個端到端、全移動的、全連接配接的生态系統，提供全覆寫的一緻性體驗，提供可持續的商用模型，通過現有的和即将湧現的創新，為使用者和合作夥伴創造價值

增強的寬帶接入eMBB

虛拟現實VR 增強現實AR 3D全息

大規模的物聯網（mMTC）

Huawei&ofo共享單車應用案例

根據華為預計，到2017年底，全球将有30張NB-IoT商用網絡

智慧城市

智慧T-mobile “智能暖氣表”NB-IoT應用案例

極緻的實時通信

觸覺網際網路

自動化交通控制和駕駛

5G關鍵的能力

5G=平台

5G網絡新架構

超高清分片

語音分片

實時業務分片

IoT業務分片

産業需求定義分片的QoS

基站

NFV（統一控制平面）+SDN（多業務的使用者平面 ）

Telco-OS

開發者

消費者

合作夥伴

營運商

5G對未來的定義

5G=10Gbps + 1ms時延 +100萬連接配接/每平方公裡

2.5G協定标準化及目前進展

5G從3GPP Release15開始

5G包括：新空口 LTE Advanced Pro演進

下一代核心網NextGen Core

EPC演進

研究5G的主要國際标準組織

ITU-R Visions Group

EU

Germany-5G Lab Germany at TU Dresden

UK-5G Innovation Centre(5GIC)at University of Surrey

US

Intel Strategic Research Alliance (ISRA)

China

Japan

Korea

研究5G的主要國際非标準組織

OTSA

3GPP

3.5G全球商用計劃

家庭寬帶最後一公裡接入

車聯網正在成為國家的戰略關注點

未來将持續探索新興垂直行業應用

今天的長尾将是明天的主體 如AR/MR（長尾效應）

三、5G網絡關鍵技術

1.增強覆寫技術

5G網絡頻譜

增加帶寬是增加容量和傳輸速率最直接的方法，5G最大帶寬将會達到1GHz，考慮到目前頻率占用情況，5G将不得不使用高頻進行通信

a.5G主頻段 以3.5GHz為主

b.5G擴充頻段毫米波 以28/39/60/73GHz

高頻通信的挑戰

高頻波長相比低頻傳播損耗更大、繞射能力更弱

頻段越高，上下行覆寫差異越明顯，上行覆寫受限

高頻通信的解決方案-提高發射功率

高頻通信的解決方案-上下行解耦 NR中基站下行使用高頻段進行通信，上行可以視UE覆寫情況選擇與LTE共享低頻資源進行通信，進而實作NR上下行頻段解耦

UE基于覆寫情況選擇合适的上行頻點

IDLE态通過系統消息擷取f1,f2相關資訊，并根據實際測量進行選擇

連接配接态通過測量報告上報，由基站通過信令訓示

上下行解耦要求5G NR和LTE協同

上下行解耦站形

BBU5900

a.裝置緊湊，連接配接簡單

b.建立站點或改造eNB

c.适合有較多空閑槽位場景

槽位多，可擴充性好 需要兩根光纖，成本高

a.BBU3910

b.BBU5900

槽位多，可擴充性好 增加框間基帶闆HEI接口，接口流量大

2.提高效率技術

A.NR頻譜效率提升技術

頻譜效率即機關時間内每Hz中bit數的提升，5G中用的頻譜效率提升方法包括：

a.新波形技術、新多址技術

NR無線新波形（華為FOFDM）

Filtered-OFDM是一項基礎波形技術，與OFDM最大的差別就是子載波帶寬可以根據需求進行調整，以适應不同業務的需求

4G（OFDM）：子載波帶寬是固定的，15kHz 固定子載波間隔 10%保護帶寬

5G（F-OFDM）：子載波帶寬是不固定的，可以靈活真的不同QoE應用的封包大小 靈活子載波間隔（友善空口做網絡切片） 1個子載波的最小保護帶寬

b.NR上行新波形（CP-OFDM）

NR上行支援兩種波形，CP-OFDM和DFT-S-OFDM，使用CP-OFDM時，基站可以不用為UE配置設定頻域連續的子載波

c.NR新多址技術（華為SCMA）

1G：FDMA

2G：TDMA+FDMA

3G：CDMA

4G：OFDMA

5G：SCMA 新型多址接入技術

通過使用擴頻技術在4個子載波上承載6個使用者的資料，提升頻譜的使用效率

B.新調制技術、新編碼技術

a.新調制技術（256QAM）

3GPP R12協定中新增了下行256QAM，相對于64QAM支援每符号攜帶8個bit位，支援更大的TBDS傳輸，理論峰值頻譜效率提升33%。相同頻譜效率下256QAM碼率更低，解調可靠性更高

b.NR新編碼技術（Polar+LDPC）

LDPC Code（業務信道）

LTE Turbo

NR LDPC

Polar Code(控制信道）

Polar碼高可靠的編碼方式無誤碼平台進而減少重傳，同時降低信噪比需求以提升覆寫

C.靈活雙工與全雙工

a.靈活雙工技術

根據業務調整上下行子幀

相鄰小區會進行幹擾協調消除

b.全雙工技術

目前TDD/FDD制式是分别在不同的時間/頻率資源上分别進行收發

全雙工将指收發雙方在同一時頻資源進行數傳

發送端和接收端同時收發，發送端把資訊傳遞給接收端，接收端進行相關幹擾消除運算，實作同時收發

D.Massive MIMO

水準的4流加BF 8T8RVS 64T64R

立體16流更窄的波束+MU BF

E.Massive MIMO增益（上行MU-MIMO）

多使用者虛拟MIMO

通過多個UE配對複用相同的上行時頻資源，同時傳輸多流資料，進而提高小區的平均下行吞吐率

F.Massive MIMO增益（3D BF）

三維波束賦形簡稱3D BF，增強使用者的覆寫

相對于傳統波束隻能在水準方向跟随目标UE調整方向，3D BF的窄波束在水準方向和垂直方向都能随着目标UE的位置進行調整

G.Massive MIMO增益（MU BF）

多使用者虛拟BF

eNOdeB根據配對條件進行UE配對，實作在同一時頻資源上傳多個使用者下行資料流，進而提高下行傳輸的頻譜效率和提高小區吞吐量

H.Massive MIMO的應用場景

城區、高校流量高低（CBD等）

高樓覆寫場景

重大活動保障場景

3.降低延遲時間技術

A.NR低延遲時間保障技術分析

a.RAN時延因素

空口傳輸 TTI長度決定

處理 HARQ RTT決定

重傳 TDD上行配比

無線信号 上、下行覆寫差 上、下行幹擾

b.方案 縮短TTI

免去授權排程、靈活雙工或者全雙工

使用者面下沉

c.方案

優化無線覆寫

B.NR時隙聚合排程

Slot Aggregation：NR中排程周期可以靈活變的，且一次可以排程多個時隙，以适應不用業務需求，降低無線時延

C.NR免授權排程

免授權排程：由于排程存在RTT時延，NR中對于時延比較敏感的業務提出免排程的過程，終端有需求直接發送

D.NR侵入式空口排程（EAI）Embed Air Interface

eMBB和uRLLC業務共存時，EAI機制可以實作uRLLC業務對eMBB資源打孔，以保障uRLLC對時延的要求

4.5G異步HARQ技術

HARQ：混合自動重傳請求

5G上下行鍊路采用異步HARQ協定：重傳在上一次傳輸之後的任何可用時間上進行，接收端需要被告知具體的程序号

5.D2D 通信 （Device to Device）

D2D通信，基站配置設定頻譜用于終端與終端直接互聯進行使用者面資料傳輸，D2D關鍵技術包括：

a.頻譜配置設定模式

使用蜂窩小區的剩餘資源

複用蜂窩小區下行資源

複用蜂窩小區上行資源

b.幹擾控制

适當的功率控制，能夠在D2D複用蜂窩資源時，有效地協調D2D與蜂窩網絡間的幹擾

總結

提升覆寫技術：提高UE發射功率、上下行解耦

提升效率技術：新波形、新多址、新調制、新編碼、新雙工、CRS FREE、Massive MIMO

降低延遲時間技術：時隙聚合排程、免排程、侵入式空口排程、異步HARQ、D2D技術

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