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什么是5G移动无线技术

5G移动蜂窝通信系统提供比前几代移动通信系统高得多的性能。
新的5G技术不仅仅是下一代移动通信版本,从1G发展到2G,3G,4G和现在的5G。
相反,5G技术是非常不同的。以前的系统的发展更多地取决于最新技术可以做到的事情。新的5G技术受特定用途广告应用的推动。
5G的需求是为各种应用提供无处不在的连接,如汽车通信,触觉式反馈远程控制,大量视频下载,以及远程传感器等极低数据速率应用,以及所谓的物联网,物联网。
5G移动技术

5G标准化

用于蜂窝系统的5G技术的当前状态非常处于早期开发阶段。很多公司正在研究可用于成为系统一部分的技术。除此之外,一些大学还设立了5G研究单位,专注于开发5G技术
除此之外,标准组织,特别是3GPP已经意识到了这一发展,但尚未积极规划5G系统。
许多用于5G的技术将开始出现在用于4G的系统中,然后随着新的5G蜂窝系统开始以更具体的方式制定,它们将被整合到新的5G蜂窝系统中。
5G技术的主要问题是需求存在如此巨大的变化:对于物联网的小数据要求的超快下载比任何一个系统都无法满足这些需求。因此,可能采用层方法。正如一位评论员所说:5G不仅仅是一种移动技术。它无处不在地访问高和低数据速率服务。
 

5G蜂窝系统概述

随着不同代蜂窝电信的发展,每个人都有了自己的改进。5G技术也是如此。
  • 第一代,1G:   这些手机是模拟的,是第一款使用的手机或手机。尽管他们的时代具有革命性,但他们提供的频谱效率和安全性水平非常低。
  • 第二代,2G:   这些基于数字技术,提供更好的频谱效率,安全性和新功能,如文本消息和低数据速率通信。
  • 第三代,3G:   该技术的目的是提供高速数据。原始技术得到了增强,可以提供高达14 Mbps甚至更高的数据。
  • 第四代4G:   这是一种基于全IP的技术,能够提供高达1 Gbps的数据速率。
任何新的第5代5G蜂窝技术都需要比以前的系统提供显着的增益,以便为移动运营商投资任何新系统提供足够的商业案例。
使用5G技术可能会看到的设施包括更好的连接和覆盖水平。世界无线网络这一术语或WWWW正在为此创造。
对于能够实现这一目标的5G技术,将需要新的连接方法,因为前几代的主要缺点之一是缺少覆盖,掉线和小区边缘的低性能。5G技术需要解决这个问题。

5G要求

随着工作在标准组织中向前推进,移动通信系统的超越规范已由国际电联定义为IMT2020的一部分。
目前商定的5G标准总结如下:

推荐的5G无线性能
参数 建议的表现
峰值数据速率 每个移动基站至少20Gbps下行链路和10Gbps上行链路。这表示LTE上的下行链路增加了20倍。
5G连接密度 每平方公里至少有100万台连接设备(支持物联网)。
5G移动性 0km / h到“500km / h高速车辆”通道。
5G的能源效率 5G规范要求无线接口在负载下能效,但在不使用时也会迅速进入低能耗模式。
5G频谱效率 30bits / Hz下行链路和15 bit / Hz上行链路。假设8x4 MIMO(8个空间层向下,4个空间层向上)。
5G实际数据速率 规范“仅”要求每用户下载速度为100Mbps,上传速度为50Mbps。
5G延迟 在理想情况下,5G网络应该为用户提供仅4ms的最大延迟(相比之下,LTE为20ms)。

5G通信系统

5G移动蜂窝通信系统将是移动通信网络运行方式的重大转变。为实现这一目标,需要一个全新的无线接入网络和一个新的核心网络来提供所需的性能。
  • 5G新无线电,5G NR:   5G新无线电是5G无线接入网络的新名称。它由新无线电接入网络所需的不同元素组成。使用更灵活的技术,该系统能够响应移动用户的不同和不断变化的需求,无论他们是小型物联网节点,还是高数据用户,固定或移动用户。
  • 5G NextGen核心网:   尽管5G的初始部署将利用LTE或甚至3G网络的核心网络,但最终目标是建立一个能够处理更高数据量同时能够提供更多数据的新网络较低的延迟水平。

5G技术

正在讨论和开发许多新的5G技术和技术以包含在5G标准中。
这些新技术和新技术将使5G能够提供更灵活,更动态的服务。
为5G开发的技术包括:
  • 毫米波通信:   在频谱中使用频率更高的频率可以打开更多的频谱,并且还可以提供更宽的信道带宽 - 可能是1-2 GHz。然而,这为手机开发带来了新的挑战,目前使用的最大频率约为2 GHz,带宽为10 - 20 MHz。对于5G,正在考虑50GHz以上的频率,这将在电路设计,技术以及系统使用方式方面带来一些真正的挑战,因为这些频率不会走得太远并且几乎完全被障碍物吸收。不同的国家正在为5G分配不同的频谱。
  • 波形:   感兴趣的一个关键领域是可以看到的新波形。OFDM已经在4G LTE以及许多其他高数据速率系统中非常成​​功地使用,但是在某些情况下确实存在一些限制。正在讨论的其他波形格式包括:GFDM,广义频分复用,以及FBMC,滤波器组多载波,UFMC,通用滤波多载波。没有完美的波形,并且有可能使用OFDMA形式的OFDM,因为这提供了优异的整体性能,而不会在所需的处理水平上过重。
  • 多路访问:   再次针对5G技术正在研究各种新的访问方案。已经提到了包括OFDMA,SCMA,NOMA,PDMA,MUSA和IDMA的技术。如上所述,最可能的格式似乎是OFDMA
  • 具有波束控制的大规模MIMO:   虽然MIMO正在从LTE到Wi-Fi等的许多应用中使用,但天线的数量相当有限。使用微波频率开辟了在单个设备上使用数十个天线的可能性,由于天线尺寸和波长方面的间距而成为可能。这将使得能够操纵光束以提供增强的性能。
  • 密集网络:   减小小区的大小可以更有效地利用可用频谱。需要确保宏网络中的小型小区和作为毫微微小区部署的小型小区能够令人满意地运行的技术。在向网络添加大量附加小区方面存在巨大挑战,并且正在开发技术来实现这一点。
这些是在5G内开发和讨论的一些主要技术。

5G时间表和日期

5G正在快速发展,它需要满足一些苛刻的时间表。一些试验部署已经发生,一些首批真正的部署预计将在2020年完成。
许多国家急于将5G作为有效的通信促进经济增长,并被视为现代生活和工业的基本要素。

5G NR新电台


随着对新的5G移动通信标准的苛刻要求,已经开发出全新的无线电接口和无线电接入网络。新的无线电接口称为5G新无线电或5G NR,可满足不断增长的移动连接需求。
5G NR或5G新无线电的发展是使5G移动通信系统工作的关键,与4G相比,它提供了许多显着的优势。
5G NR从头开始开发,满足要求,并着眼于5G开始部署时可用的最佳技术和技术。
5G NR利用调制,波形和接入技术,使系统能够满足高数据速率服务的需求,需要低延迟的服务以及需要小数据速率和长电池寿命的服务。
5G新无线电NR
5G NR的第一次迭代出现在3GPP Release 15中。第15版的规范草案于2017年12月获得批准,预计将于2019年中期完成。版本15构成了5G移动通信标准的第一阶段。第16版将提供第二阶段的规范,预计将于2019年12月完成。
5G无线接入网gNB
5G无线接入网gNB

5G新无线电,5G NR基础

5G New Radio的开发旨在提供灵活性,可扩展性和效率等方面的显着增强,无论是在功耗还是频谱方面。
5G新无线电能够为极高频段提供通信,例如流视频传输以及用于远程控制车辆通信的低延迟通信以及用于机器类型通信的低数据速率低带宽通信。
用于5G的新收音机有几个基石:
  • 新的无线电频谱:   移动通信的使用正在迅速增加,5G的推出将加速这一趋势,同时该技术可以容纳更多的应用。虽然将提高频谱效率,但这些将无法适应使用量的大幅增加,因此需要更多的频谱。

    第15版还概述了几组专门用于NR部署的新频谱。这些频率范围为2.5 GHz至40 GHz。针对更直接部署的两个频段在3.3 GHz至3.8 GHz和4.4 GHz至5.0 GHz的范围内。

    3.3 GHz至3.8 GHz频谱已在美国<欧洲和某些亚洲国家/地区等国家发布,它们最早可以在2018年进行部署。其他更高频段但低于40 GHz的频段也预留给5G,但这只是一开始就谈到使用高达86 GHz的频率。

    更高频带的优点是它们更宽,并且它们将能够允许更高的信号带宽,因此支持更高的数据吞吐率。在某些方面的缺点是它们具有更短的范围,但这也是一个优点,因为它还允许更大的频率重复使用。
  • 优化的OFDM:   早期决定使用一种形式的OFDM作为5G新无线电的第一阶段的波形。它已经非常成功地与4G,更新的Wi-Fi标准和许多其他系统一起使用,并成为5G各种不同应用的最佳波形类型。利用5G的额外处理能力,可以应用各种形式的优化。

    OFDM的基本概念,5G NR中使用的正交频分复用,显示来自相邻载波的边带如何在主载波点处抵消
    OFDM的基本概念,正交频分复用
    在5G NR下行链路中使用的OFDM的特定版本是循环前缀OFDM,CP-OFDM,并且它是LTE已经为下行链路信号采用的相同波形。
    了解更多。。。。5G波形:CP-OFDM和DFT-SOFDM。
  • 波束成形:   波束成形技术近年来已成为现实,它为5G提供了一些显着的优势。波束成形使得来自基站的波束能够被引导向移动台。通过这种方式,最佳信号可以传输到移动设备并从移动设备接收,同时还可以减少对其他移动设备的干扰。
    与5G NR一起使用的天线波束形成的概念
    与5G NR一起使用的天线波束形成的概念
    向更高频率的移动允许更小的天线和可编程的高方向性水平。

    在天线较小的24 GHz以上的频率上,有可能具有高性能的波束控制天线,其能够准确地将功率引导到所讨论的移动设备,并且还在该方向上提供接收器增益。
  • MIMO:   MIMO,多输入多输出已被用于从Wi-Fi到当前4G蜂窝系统的许多无线系统中,并且它提供了一些显着的改进。在5G内,MIMO将成为主流技术之一。

    5G将充分利用多用户MIMO,MU-MIMO,通过利用各种用户的分布式和不相关的空间位置,它将为MIMO提供多种接入能力。

    在实现这一点时,gNB(5G基站)将CSI-RS(信道状态信息参考信号)发送到不同的用户设备,然后根据响应,gNB计算每个用户的空间信息。它使用该信息来计算预编码矩阵(W-Matrix)所需的信息,其中数据符号被构造成gNB天线阵列的每个元件的信号。

    多个数据流具有其自己的权重,其包括到每个流的相位偏移,以使波形能够在接收器处建设性地干扰。这最大化了用户的信号强度,同时还最小化了信号并因此最小化了对其他用户的干扰。

    以这种方式,gNB能够通过使用空间信息同时且独立地与多个设备通信。这意味着5G MU-MIMO使得UE能够在不需要知道信道的情况下操作或者获得数据流的附加处理。

    下行链路上的MU-MIMO显着改善了gNB天线的容量。它以gNB天线数量的最小值和用户设备数量之和乘以每个UE设备的天线数量进行扩展。这意味着使用5G MU-MIMO,系统可以使用gNB天线阵列和更简单的UE设备实现容量增益。
  • 频谱共享技术:   尽管分配了大部分无线电频谱,但并未以有效的方式使用。提出的技术之一是用于频谱共享。
  • 跨频率的统一设计:   5G新无线电利用各种频率,可能在6GHz以下的3.4至3.6 GHz,然后是24.25至27.5 GHz,27.5至29.5 GHz,37 GHz,39 GHz和57至71 GHz范围内mmWave收音机。在这些频率上有一个共同的接口很重要。
  • 小小区:   由于需要网络密集来提供所需的数据能力,因此提出了更多小小区和小小区网络的使用。小型蜂窝网络是一组低功率发射基站,其使用毫米波来增强整体网络容量。5G小型蜂窝网络通过协调一组小型蜂窝来共享负载并减少物理障碍的困难,这些障碍在毫米波中变得更加重要。
通过利用这些技术和许多其他技术,5G新无线电5G NR将能够显着提高当前移动网络的性能,灵活性,可扩展性和效率。通过这种方式,5G将能够确保可用频谱的最佳使用,无论是许可,共享还是未许可,并在各种频谱范围内实现这一目标。

5G NextGen核心网


5G NextGen,NG核心网络将在实现5G移动通信系统性能方面发挥关键作用。
定义下一代架构是3GPP系统架构(SA)服务和系统方面技术规范组的责任。
研究阶段于2016年完成,概述了这个新的核心网络,即NG Core或NextGen核心网络。

5G NextGen NG核心网基础知识

5G网络的要求将特别多样化。在一个实例中,需要非常高带宽的通信,并且在其他应用中需要极低的延迟,然后还存在对于机器到机器和IoT应用的低数据速率通信的要求。
其中包括正常的语音通信,上网和我们习惯使用的所有其他应用程序。
因此,5G NextGen网络将需要适应各种类型的流量,并且需要能够以高效率和高效率来容纳每个流量。通常认为类型适合所有方法并不能在任何应用中提供最佳性能,但这是5G网络所需要的。
为了实现5G网络的要求,正在采用许多技术。这些将使5G网络更具可扩展性,灵活性和高效性。
  • 软件定义网络,SDN:   使用软件定义的网络,可以使用软件而不是硬件来运行网络。这在灵活性和效率方面提供了显着的改进
  • 网络功能虚拟化,NFV:   当使用软件定义网络时,可以纯粹使用软件运行不同的网络功能。这意味着可以重新配置通用硬件以提供不同的功能,并且可以根据需要在网络上进行部署。
  • 网络切片:   由于5G将针对不同的应用需要非常不同类型的网络,因此称为网络切片的方案已成为设备。使用SDN和NFV,可以配置单个用户为其应用程序所需的网络类型。以这种方式,使用不同软件的相同硬件可以为一个用户提供低延迟级别,同时使用不同软件为另一个用户提供语音通信,而其他用户可能想要其他类型的网络性能,并且每个用户可以拥有一个网络片段。需要的表现。
5G NextGen网络所需的性能已由NGMN(下一代移动网络联盟)定义。下一代移动网络联盟是移动运营商,供应商,制造商和研究机构的移动电信协会,通过利用各方的经验,它能够为下一代移动网络(如5G)制定战略。

因此,5G NG,NextGen核心网络将能够利用更高级别的灵活性,使其能够满足无线接入网络对其增加的和多样化的要求以及增加的连接和流量。

5G波形:CP-OFDM和DFT-SOFDM


5G New Radio第一阶段的标准已经发布,并且在此范围内定义了要使用的波形。
针对5G研究了许多候选波形,经过大量讨论后,确定基于n OFDM的波形将提供最佳结果。
因此,选择循环前缀OFDM或CP-OFDM作为具有DFT-SOFDM的主要候选者,在一些区域中使用离散傅里叶变换扩展正交频分复用。

5G波形背景

正交频分复用一直是4G的优秀波形选择。它提供了出色的频谱效率,可以使用当前手机中可实现的处理级别进行处理和处理,并且在高数据速率流的情况下可以很好地运行,占用宽带宽。它在有选择性衰落的情况下运行良好。
然而,随着处理能力的提高,到2020年5G预计将首次发布时,可以考虑其他波形。
使用5G的新波形有几个优点。OFDM需要使用循环前缀,这占用了数据流中的空间。通过使用5G的各种新波形之一,还可以引入其他优点。
其中一个关键要求是处理能力的可用性。虽然摩尔定律的基本形式正在达到器件特征尺寸的极限,并且一小时内不太可能进一步推进小型化,但正在开发其他技术,这意味着摩尔定律的精神能够继续并且处理能力将会提高。由于这种新的5G波形需要额外的处理能力,但能够提供额外的优势仍然可行。

5G波形要求

5G的潜在应用包括高速视频下载,游戏,汽车到汽车/汽车到基础设施通信,通用蜂窝通信,物联网/ M2M通信等,所有这些都需要5G波形方案的形式,可以提供所需的性能。
调制方案和整体波形需要支持的一些关键要求包括:
  • 能够处理高数据速率的宽带宽信号
  • 能够为长短数据突发提供低延迟传输,即需要非常短的传输时间间隔TTI。
  • 能够在可能使用的TDD系统的上行链路和下行链路之间快速切换。
  • 通过最小化低数据速率设备的接通时间,实现节能通信的可能性。
这些是5G波形支持所需设施所需的一些要求。

循环前缀OFDM:CP-OFDM

在5G NR下行链路中使用的OFDM的特定版本是循环前缀OFDM,CP-OFDM,并且它是LTE已经为下行链路信号采用的相同波形。
OFDM的基本概念,5G NR中使用的正交频分复用,显示来自相邻载波的边带如何在主载波点处抵消
OFDM的基本概念,正交频分复用
5G NR上行链路使用与4G LTE不同的格式。在上行链路中使用基于CP-OFDM和DFT-S-OFDM的波形。另外,5G NR提供灵活的子载波间隔的使用。LTE子载波通常具有15kHz的间隔,但是5G NR允许子载波以15kHz×2s间隔,最大间隔为240kHz。需要整体s载波间隔而不是分数载波间隔来保持载波的正交性。
灵活的载波间隔用于正确支持5G NR需要适应的各种频谱/类型和部署模型。例如,5G NR必须能够在mmWave波段工作,波段宽度最高可达400 MHz。3GPP 5G NR Rel-15规范详述了可扩展的OFDM数字学,其子载波间隔的2s缩放可以与信道宽度成比例,因此FFT大小可以缩放,从而不会对更宽的带宽不必要地增加处理复杂度。灵活的载波间隔还为系统内的相位噪声的影响提供了额外的弹性。
与考虑用于5G的一些其他波形已经实现的情况相比,OFDM波形的使用提供了更低的实现复杂度。除此之外,OFDM已被充分理解,因为它已被用于4G和许多其他无线系统。

5G调制方案


用于5G的调制方案将对性能产生重大影响。
虽然有要求确保可以承载所需的数据速率,并且在任何决策中都需要包括5G调制方案性能问题,包括峰值平均功率比,频谱效率和存在干扰和噪声时的性能。

峰值平均功率比,PAPR

峰值平均功率比是任何5G调制方案需要考虑的性能的一个方面。
峰均比对功率放大器的效率有重大影响。对于2G GSM,信号电平是恒定的,因此可以在压缩状态下运行最终的RF放大器,以获得高效率并最大化电池寿命。
随着3G,HSPA增强以及4G的出现,调制方案和波形意味着信号逐渐变得更加“高峰”,峰值功率比更高。这意味着最终的RF放大器不能在压缩状态下运行,并且随着PAPR的增加,RF放大器的效率下降,这是缩短电池寿命的一个因素。
现在有机会利用可以降低PAPR从而提高效率的5G调制方案。

光谱效率

任何形式的5G调制方案的关键问题之一是频谱效率。由于频谱非常宝贵,特别是在3 GHz以下的频率,因此5G采用的任何调制方案都能够提供高水平的频谱效率。
在较高的调制阶段(例如64 QAM)与16 QAM(例如噪声性能)之间通常存在平衡。因此,当存在良好的信噪比时,更高阶调制方案倾向于仅被起诉。
因此,任何5G调制方案都需要在各种条件下适应高水平的性能。

5G调制方案

3G和4G使用包括PSK和QAM的调制方案。这些方案提供了出色的频谱效率,并且能够承载非常高的数据速率,但在峰值平均功率比方面却达不到要求。
为了克服PAPR问题,考虑用于5G调制方案的一个选项是APSK或幅度相移键控。
然而,鉴于信号的幅度分量更多地受到基于幅度的噪声的影响,任何整体5G调制方案都可能是自适应的,使得系统能够切换到最适合于调制的信号。给定的情况。

5G多址方案


任何蜂窝通信系统的一个关键要素是使用的多址技术。
因此,正在仔细考虑和研究5G多址方案,以确保采用最佳技术或技术。
有几种候选5G多种访问方案正在运行中。每种方法都有自己的优点和缺点,因此,没有一种技术可以满足所有要求。

5G多址方案

有几个候选系统被视为5G多址方案。它们包括各种不同的想法。
  • 正交频分多址,OFDMA:   OFDMA已被广泛使用并且非常成功用于4G并且可以用作5G多址方案。然而,它确实需要使用OFDM并且要求载波之间的正交性,并且循环前缀的使用具有一些缺点。结果,正在研究其他多址方案。
  • 稀疏码多址,SCMA:   SCMA是另一种被认为是5G多址方案的想法,它实际上是OFDMA和CDMA的组合。通常使用OFDMA,将一个或多个载波分配给给定用户。但是,如果每个载波都添加了扩展码,那么它就能够向多个用户传输数据或从多个用户传输数据。已经开发出该技术以使用所谓的稀疏代码,并且以这种方式可以在保持频谱效率水平的同时添加大量用户。
  • 非正交多址,NOMA:   NOMA是被认为是5G多址方案的技术之一。NOMA在电源域中叠加多个用户,使用取消技术来移除更强大的信号。NOMA可以使用正交频分多址,OFDMA或离散傅里叶变换,DFT扩展OFDM。。
有几种可以与5G一起使用的多种访问方案。所选择的一个或多个将作为当前正在进行的标准化过程的结果。

5G毫米波


最有可能纳入为5G蜂窝电信系统开发的5G技术的选项之一是毫米波能力。
由于频谱在4GHz以下供不应求,因此正在考虑频率高达60GHz的频率。

5G毫米波基础知识

考虑用于5G移动通信的接口之一使用毫米波频率。
据估计,运营商可能需要几GHz的带宽来提供一些预测的极高数据速率。
目前蜂窝通信系统正在使用低于4GHz的频率,并且就其本质而言,这些频率只能提供4GHz的最大带宽,即使它们都清楚地使用,这显然是不可能的。
通过具有5G毫米波接口,可以实现更宽的带宽,并且有几个候选毫米波段被考虑用于分配给这种类型的服务。

5G毫米波传播

毫米波段的传播特性与4GHz以下的传播特性非常不同。通常,可以实现的距离非常小,并且信号不会穿过建筑物中的墙壁和其他物体。
通常,毫米波通信可能用于密集网络的室外覆盖 - 通常是密集使用的街道等。在此,范围可达200​​或300米。
使用毫米波信号的一个问题是它们也可能受到诸如下雨等自然变化的影响。这可能导致降水持续时间内信号水平的显着降低。这可能导致某些时期的覆盖范围缩小。
通常,这些5G毫米波小小区可以使用波束成形技术来瞄准所需的用户设备并且还降低反射的可能性等。

毫米波覆盖范围

模拟表明,当建立毫米波小型小区时,它们提供了良好的覆盖水平。当然,通常比宏小区低,覆盖范围不会那么好,但在考虑它们可以承载的数据水平时,它们提供了满足5G系统需求的极好方法。
在研究5G毫米波解决方案时需要考虑的另一个问题是它们将比普通宏小区产生更多的切换。需要在系统内容纳额外的信令和控制。此外,还需要考虑回程问题。



(责任编辑:ioter)

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