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第四代蜂窩移動通信網絡
第五代蜂窩移動通信網絡
lL411044 第四代蜂窩移動通信網絡
一、主要特徵
1. 提供更高的傳輸速率，三種環境下能提供的速率分別為:行車或快速移動環境下數十Mbit/s ，室外或步行環境下數十至數百Mbit/s ，室內環境下100Mbitls ~ 1Gbit/s。
2. 支持更高的終端移動速度(250km/h ) 。
3. 全IP網絡架構、承載與控制分離。
4. 提供無處不在的服務、異構網絡協同。
5. 提供更高質量的多媒體業務。
二、網絡結構
4G移動通信網絡主要由用戶設備(UE) 、增強無線接入網(E-UTRAN) 和增強分組核心網(EPC) 三部分組成 ，還包括外圍的IP多媒體系統(IMS) 和中心數據庫設備(HSS) 等。如圖1L411044所示。
相比3G 網絡， 4G網絡有如下特點:
1. 4G E-UTRAN 由多個eNodeB (增強型NodeB) 組成，不再具有3G 中的RNC 網元，
圖l 1L411044 4G 網絡框圖
RNC 的功能分別由eNodeB 和接入網關(MME 、SGW) 實現。 eNodeB間使用X2接口，採用網站( Mesh )的工作方式， X2 的主要作用是儘可能減少由於用戶移動導致的分組丟失。
4G接入網取消了RNC節點，不需要對接入節點進行彙集，網絡更加扁平，部署更簡單、維護更容易；4G接入網取消了RNC 的集中控制，有利於避免單點故障，提高了網絡的穩定性；4G 網絡中eNodeB直接連接MME和SGW ，有助於降低整體系統時延、改善用戶體驗、開展更多業務。
2. 4G EPC 由MME 、SGW 、PGW 、PCRF組成， EPC和E-UTRAN之間使用Sl 接口。 其中， MME負責處理與UE相關的信令消息， SGW是一個終止於E-UTRAN接口的網關， PGW是連接外部數據網的網關， PCRF是策略計費控制單元。
4G EPC實現了控制面和用戶面分離， MME實現控制面功能， SGW實現用戶面功能。4G EPC中， MME和SGW一起實現SGSN功能， PGWW實現GGSN功能。
4G核心網採用全IP的分組網絡，只具有提供分組業務的分組域，不再具有3G核心網的電路域部分，網絡結構更扁平化，網絡協議更簡化，降低了業務時延。對於語音業務的實現，可以通過IMS系統實現VoIP業務。
3. IMS是疊加在分組交換域上的用於支持多媒體業務的子系統，旨在建立一個與接入無關、基於開放的SIP/IP協議及支持多種多媒體業務類型的平臺。 IMS將移動通信網絡技術、傳統固定網絡技術和互聯網技術有機結合起來，為未來的基於全IP網絡多媒體應用提供一個通用的業務智能平臺，是解決移動與固網融合，引入語音、數據、視頻三重融合等差異化業務的重要方式。
三、工作模式
4G LTE定義了頻分雙工(FDD) 和時分雙工(TDD) 兩種方式， 二者的關鍵技術基本一致，主要區別在於無線接入部分的空中接口標準不同。LTE FDD和TD-LTE 的優缺點比較如下:
1. TD-LTE能夠靈活配置頻率、方便使用零散頻段，同時， LTE FDD的上下行鏈路對稱分配，需要佔用更多的帶寬資源。
2. TD-LTE可根據業務不同調整上下行鏈路間轉換點的位置，同時也增加了時間開銷，降低了頻譜效率。
3. TD -LTE具有上下行信道一致性，基站的接收和發送可以共用部分射頻單元，可以降低設備成本;同時， TD -LTE也要應對同頻干擾的挑戰，基站之間、上下行切換都需要嚴格的時間同步，增加了網絡的建設成本。
4. TD一LTE上下行工作於同一頻率，便於利用智能天線、功率控制等技術，同時也減少了信道測量，能有效降低移動終端的處理複雜性。
5. LTE FDD在支持對稱業務時，能充分利用上下行的頻譜資源，但在支持非對稱業務時，頻譜利用率大大降低。
四、4G關鍵技術
1.正交頻分複用
正交頻分複用(OFDM) 技術是一種無線環境下的高速傳輸技術，其主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個4G子載波進行調製，各子載波並行傳輸。儘管總的信道是非平坦的，即具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小於信道的相應帶寬。OFDM技術的優點是可以消除或減小信號波形間的干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高了頻譜利用率，可實現低成本的單波段接收機。
2. 多輸入輸出
多輸入輸出(MIMO) 技術是指利用多發射、多接收天線進行空間分集的技術，它採用的是分立式多天線，能夠有效地將通信鏈路分解成為許多並行的子信道，從而大大提高容量。信息論已經證明，當不同的接收天線和不同的發射天線之間互不相關時， MIMO 系統能夠很好地提高系統的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。例如:當接收天線和發送天線數目都為8根，且平均信噪比為20dB時，鏈路容量可以高達42bps/Hz，這是單天線系統所能達到容量的40多倍。因此，在功率帶寬受限的無線信道中， MIMO技術是實現高數據速率、提高系統容量、提高傳輸質量的空間分集技術。
3. 智能天線
智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。 智能天線應用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分利用移動用戶信號並消除或抑制干擾信號的目的o 這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量。
4. 軟件無線電
軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現各種類型的無線電通信系統的一種具有開放式結構的新技術。軟件元線電的核心思想是在儘可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，並儘可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都儘可能用軟件實現。
5. 基於IP的核心網
4G核心網是一個基於全IP的網絡，可以實現不同網絡間的無縫互聯。4G核心網獨立於各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務，同已有的核心網和PSTN兼容。 4G核心網具有開放的結構，允許各種空中接口接入核心網，同時把業務、控制和傳輸等分開。 IP 與多種無線接入協議相兼容，因此在設計核心網絡時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟採用何種方式和協議。
lL411045 第五代蜂窩移動通信網絡
前幾代移動通信網絡的發展都是以典型的技術特徵為代表，同時誕生出新的業務和應用場景。5G將不同於前幾代移動通信，它不僅是更高速率、更大帶寬、更強能力的空口技術，更是面向業務應用和用戶體驗的智能網絡；5G不再由某項業務能力或者某個典型技術特徵所定義，它將是一個多業務多技術融合的網絡，通過技術演進和創新，滿足未來包含廣泛數據和連接的各種業務的快速發展需要，提升用戶體驗。
一、5G 的業務需求
5G面向的業務形態已經發生了巨大的變化：傳統的語音、短信業務逐步被移動互聯網業務取代；雲計算的發展，使得業務的核心放在雲端，終端和網絡之間主要傳送控制信息；機器與機器通信(M2M)和物聯網(IoT)帶來的海量數據連接，超低時延業務，超高清、虛擬現實業務等，這些都是現有4G技術無法滿足的，期待5G來解決。
1.雲業務的需求
目前雲計算已經成為一種基礎的信息架構，不同於傳統的業務模式，雲計算業務部署在雲端，終端和雲端之間大量採用信令交互，信令的時延、海量的信令數據等，要求5G端到端時延小於5ms，數據速率大於1Gbps。
2. 虛擬現實的需求
虛擬現實(VR) 是利用計算機模擬合成三維視覺、聽覺、嗅覺等感覺的技術，產生一個三維空間的虛擬世界，相應的視頻分辨率要達到人眼的分辨率，要求網絡速度必須達到300Mbps以上，端到端時延小於5ms，移動小區吞吐量大於10Gbps。
3. 高清視頻的需求
現在高清視頻已經成為人們的基本需求，4K視頻將成為5G的標配業務。要保證用戶在任何地方可以欣賞到高清視頻，就要保證移動用戶隨時隨地獲得超高速的、端到端的通信速率。
4. 物聯網的需求
M2M/loT帶來的海量數據連接，要求5G具備充足的支撐能力。M2M業務定位於高可靠、低時延，例如遠程醫療、自動駕駛等遠程精確控制類應用的成功關鍵，要求網絡時延縮短到1ms。
二、5G的技術需求
一般來說，5G的技術包含七個方面的指標，分別是峰值速率、時延、同時連接數、移動性、小區頻譜效率、小區邊緣吞吐量、Bit成本效率。
1. 峰值速率比4G提升20 - 50倍，達到20 - 50Gbps。
2. 要保證用戶在任何地方都具備1Gbps的用戶體驗速率。
3. 5G的時延縮減到4G時延的1/10，即端到端時延減少到5ms ，空口時延減少到1ms。
4. 相比於4G，5G需要提升10倍以上的同時連接數，最終到達同時支持包括M2M/loT在內的120億個連接的能力。
5. 相比於4G，5G需要提升50倍以上的Bit成本效率，每Bit成本大大降低，從而促使網絡的CAPEX和OPEX下降。
三、中國的5G
中國於2013年成立IMT-2020(5G)推進組，開展5G策略、需求、技術、頻譜、標準、知識產權等研究及國際合作，取得了階段性進展。先後發佈了《5G願景與需求》《5G概念》《5G無線技術架構》和《5G網絡技術架構》白皮書。
(一)關鍵指標
5G系統的能力指標包括用戶體驗速率、連接數密度、端到端時延、峰值速率、移動性等關鍵技術指標和頻譜效率、能效、成本效率等性能指標。
具體情況如下：設備密集度達到600萬個/km2；流量密度在20Tbs/km2以上；移動性達到500km/h，實現高鐵運行環境的良好用戶體驗；用戶體驗速率為Gbps量級，傳輸速率在4G的基礎上提高10~100倍；端到端時延降低到4G 的1/10或1/5，達到毫秒級水平；實現百倍能效增加、十倍頻譜效率增加、百倍成本效率增加。
(二)主要場景
5G的主要技術場景有四個：連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠。
連續廣域覆蓋場景面向大範圍覆蓋及移動環境下用戶的基本業務需求；熱點高容量場景主要面向熱點區域的超高速率、超高流量密度的業務需求；低功耗大連接場景面向低成本、低功耗、海量連接的M2M/loT業務需求；低時延高可靠場景主要滿足車聯網、工業控制等對時延和可靠性要求高的業務需求。
(三)核心技術
在核心技術方面，5G不再以單一的多址技術作為主要技術特徵，而是由一組關鍵技術來共同定義，包括大規模天線陣列、超密集組網、全頻譜接入、新型多址技術以及新型網絡架構。
大規模天線陣列可以大幅提升系統頻譜效率；超密集組網通過增加基站部署密度，可實現百倍量級的容量提升；新型多址技術通過發送信號的疊加傳輸來提升系統的接入能力，可有效支撐5G網絡的千億級設備連接需求；全頻譜接入技術通過有效利用各類頻譜資源，有效緩解5G網絡頻譜資源的巨大需求；新型網絡結構，採用SDN 、NFV和雲計算等技術實現更靈活、智能、高效和開放的5G新型網絡。
(四)空口技術
5G將沿著5G新空口(含低頻和高頻)及4G演進兩條技術路線發展，其中5G新空口是主要的演進方向， 4G空口演進是有效補充。
5G新空口將採用新型多址、大規模天線、新波形( FBMC、 SCMA 、PDMA 、MUSA) 、超密集組網和全頻譜接入等 核心技術，在幀結構、信令流程、雙工方式上進行改進，形成面向連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠等場景的空口技術方案。同時，為實現對現有4G網絡的兼容，將通過雙連接(同時使用5G和4G演進空口)等方式共同為用戶提供服務。
(五)新網絡架構
5G 網絡架構需要滿足不同部署場景的要求、具有增強的分佈式移動性管理能力、保證穩定的用戶體驗速率和毫秒級的網絡傳輸時延能力、支持動態靈活的連接和路由機制以及具備更高的服務質量和可靠性。
5G 網絡架構將引入全新的網絡技術， SDN 、NFV將成為5G網絡的重要特徵。
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