5G通信名詞釋義詳解,講的太詳細了!

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上傳日期: 2021-01-22

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標簽:5G技術(378)通信(2786)

隨著社會的進步和技術的發展,5G生活離我們愈來愈近了,這里和大家分享下5G通信技術的一些基礎知識。

一、首先,我們來看一下5G基本概念。

5G概念

第五代移動電話行動通信標準,也稱第五代移動通信技術,外語縮寫:5G(5thgeneraTIon),也是4G之后的延伸。ITU為5G定義了eMBB(增強移動寬帶)、mMTC(海量大連接)、URLLC(低時延高可靠)三大應用場景。

(1)增強移動寬帶(eMBB)典型應用包括超高清視頻、虛擬現實、增強現實等。關鍵的性能指標包括100Mbps用戶體驗速率(熱點場景可達1Gbps)、數十Gbps峰值速率、每平方公里數十Tbps的流量密度、每小時500km以上的移動性等。

(2)海量大連接(mMTC)典型應用包括智慧城市、智能家居等。這類應用對連接密度要求較高,同時呈現行業多樣性和差異化。

(3)低時延高可靠(URLLC)典型應用包括工業控制、無人機控制、智能駕駛控制等,這類場景聚焦對時延極其敏感的業務,高可靠性也是其基本要求。

二、對5G有了一個粗略的概念之后我們再來看下5G的相關術語,了解其特點。

(1)IMT-2020

IMT-2020(5G)推進組于2013年2月由工信部、發改委和科技部聯合推動成立,目前至少有56家成員單位,涵蓋國內移動通信領域產學研用主要力量,是推動國內5G技術研究及國際交流合作的主要平臺。

(2)3GPPR15/R16

3GPP全稱3rdGeneraTIonPartnershipProject,是一個國際性通訊組織。成員包括四類:組織會員、市場代表、觀察員和特邀嘉賓(Guests其中組織會員包括ARIB(日本電波產業協會)、ATIS(美國電信行業解決方案聯盟)、CCSA(中國通信標準化協會)、ETSI(歐洲電信標準化協會)、TSDSI(印度電信標準開發協會)、TTA(韓國電信技術協會)和TTC(日本電信技術委員會3GPP會定期并發布新的無線通信技術標準,R15(Release15)就是第一個包括5G標準的版本。按計劃5G第二階段的R16在2019年第四季度完成。

按照3GPP規劃,5G標準分為NSA(NonStandalone非獨立組網)和SA(Standalone獨立組網)兩種。

NSA(NonStandalone非獨立組網):其中NSA組網是過渡方案,主要以提升熱點區域帶寬為主要目標,沒有獨立信令面,依托4G基站和核心網工作,相對標準制定進展快些,已于2017年12月完成相關標準化工作。SA(Standalone,獨立組網):2018年6月,3GPP5G標準SA(Standalone,獨立組網)方案在3GPP全會正式完成并發布,這標志著首個真正完整意義的國際5G標準正式出爐,即Release15版本。

圖1:3GPPLogo

(3)NOMA(非正交多地址)

由于5G頻譜效率較4G提升了5~15倍,業內提出采用新型多址接入復用方式,即非正交多址接入(NOMA)。在正交多址技術(OMA)中,只能為一個用戶分配單一的無線資源,按頻率分割或按時間分割,而NOMA方式可將一個資源分配給多個用戶。在某些場景中,比如遠近效應場景和廣覆蓋多節點接入的場景,特別是上行密集場景,采用功率復用的非正交接入多址方式較傳統的正交接入有明顯的性能優勢,更適合未來系統的部署。

圖2:NOMA非正交多址:功率疊加

(4)MillimeterWave(毫米波)

毫米波是一種頻率為30到300GHz的電磁波,頻段位于微波(microwave)和紅外波(infraredwave)之間。應用到5G技術的毫米波為24到100GHz的頻段。毫米波的極高頻率讓它有著極快的傳輸速率,同時它的較高帶寬也讓運營商的頻段選擇更廣。

圖3:5G頻段

但毫米波也不完美,其超短波長(1到10mm)讓它穿透物體的能力很弱,這導致了信號衰減,這些物體包括空氣、霧、云層和厚實的物體等。短波長也有優點,比如短波長使收發天線能被做到很小,小到輕松塞進手機。小體積天線也讓在有限空間內建造多天線組合系統變得更容易。

(5)大規模天線技術MassiveMIMO

5G的一項關鍵性技術就是大規模天線技術,即LargescaleMIMO,亦稱為MassiveMIMO。現階段MassiveMIMO技術已經取得了突破性進展,在低頻領域已有面向4.5G的商用產品發布。

圖4:MassiveMIMO實現示意圖

從兩方面理解MassiveMIMO:

1)天線的數量

傳統的TDD網絡的天線基本是2天線、4天線或8天線,而MassiveMIMO指的是通道數達到64/128/256個。

2)信號覆蓋的維度

傳統的MIMO我們稱之為2D-MIMO,以8天線為例,實際信號在做覆蓋時,只能在水平方向移動,垂直方向是不動的,信號類似一個平面發射出去,而MassiveMIMO,是信號水平維度空間基礎上引入垂直維度的空域進行利用,信號的輻射狀是個電磁波束。

MassiveMIMO主要有如下優點:

1)可以提供豐富的空間自由度,支持空分多址SDMA
2)BS能利用相同的時頻資源為數十個移動終端提供服務
3)提供了更多可能的到達路徑,提升了信號的可靠性
4)提升小區峰值吞吐率
5)提升小區平均吞吐率
6)降低了對周邊基站的干擾
7)提升小區邊緣用戶平均吞吐率

(6)超密集組網

超密集組網將是滿足2020年以及未來移動數據流量需求的主要技術手段。超密集組網通過更加“密集化”的無線網絡基礎設施部署,可獲得更高的頻率復用效率,從而在局部熱點區域實現百倍量級的系統容量提升。超密集組網的典型應用場景主要包括:辦公室、密集住宅、密集街區、校園、大型集會、體育場、地鐵、公寓等。

(7)CU/DU(集中單元和分布單元)

5G的基站功能重構為CU和DU兩個功能實體,CU與DU功能的切分以處理內容的實時性進行區分。

集中單元CU(CentralizedUnit):主要包括非實時的無線高層協議棧功能,同時也支持部分核心網功能下沉和邊緣應用業務的部署。

分布單元DU(DistributedUnit):主要處理物理層功能和實時性需求的層2功能。考慮節省RRU與DU之間的傳輸資源,部分物理層功能也可上移至RRU實現。

AAU(有源天線處理單元),原BBU基帶功能部分上移,以降低DU-RRU之間的傳輸帶寬。

圖5:5G基站網元示意圖

(8)5G全雙工(Co-TImeCo-frequencyFullDuplex,CCFD)

同時同頻全雙工技術是指設備的發射機和接收機占用相同的頻率資源同時進行工作,使得通信雙方在上、下行可以在相同時間使用相同的頻率,突破了現有的頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)模式,是通信節點實現雙向通信的關鍵之一。與現有的FDD或TDD雙工方式相比,同時同頻全雙工技術能夠將無線資源的使用效率提升近一倍,從而顯著提高系統吞吐量和容量。

“圖6:各類雙工方式對比示意圖"
圖6:各類雙工方式對比示意圖

(9)NFV/SDN(網絡功能虛擬化和軟件定義網絡)

NFV,即網絡功能虛擬化,NetworkFunctionVirtualization。通過使用x86等通用性硬件以及虛擬化技術,來承載很多功能的軟件處理。從而降低網絡昂貴的設備成本。可以通過軟硬件解耦及功能抽象,使網絡設備功能不再依賴于專用硬件,資源可以充分靈活共享,實現新業務的快速開發和部署,并基于實際業務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。

SDN,即軟件定義網絡,SoftwareDefinedNetwork。是Emulex網絡一種新型網絡創新架構,是網絡虛擬化的一種實現方式,其核心技術OpenFlow通過將網絡設備控制面與數據面分離開來,從而實現了網絡流量的靈活控制,使網絡作為管道變得更加智能。

圖7:NFV/SDN關系圖

(10)NR新空口技術

NR是“NewRadio”的簡稱,是一種無線設備和基站之間進行數據溝通的新標準。設備和基站之間的溝通是無線的,溝通媒介是在空氣中傳播的無線電,新空口(NR)就是“新型的空氣中無線傳播數據的接口”。

NR空口協議層的總體設計基于LTE,并進行了增強和優化。用戶面在分組數據匯聚協議層(PDCP)上新增服務數據應用協議層(SDAP),分組數據匯聚協議層和無線鏈路控制子層(RCL)功能進行了相關優化以降低時延和增強可靠性。

(11)無線頻率

按照各頻段特點,sub-6GHz(6GHz以下)頻譜將兼顧覆蓋與容量的需求,是峰值速率和覆蓋能力兩方面的理想折衷;6GHz以上頻譜可以提供超大帶寬和更大容量、更高速率,但是連續覆蓋能力不足。

圖8:5G各頻段覆蓋對比

(12)5G服務化架構及能力開放

5G新型核心網架構支持控制與轉發分離、網絡功能模塊化設計、接口服務化和IT化、增強的能力開放等新特性,以滿足5G網絡靈活、高效、開放的發展趨勢。5G核心網實現了網絡功能模塊化以及控制功能與轉發功能的完全分離。控制面可以集中部署,對轉發資源進行全局調度;用戶面則可按需集中或分布式靈活部署,當用戶面下沉靠近網絡邊緣部署時,可實現本地流量分流,支持端到端毫秒級時延。

(13)頻譜共享

為了滿足5G超高流量和超高速率需求,除盡力爭取更多IMT(國際移動通信,InternationalMobileTelecommunications)專用頻譜外,還應進一步探索新的頻譜使用方式,擴展IMT的可用頻譜。在5G中,頻譜共享技術具備橫跨不同網絡或系統的最優動態頻譜配置和管理功能,以及智能自主接入網絡和網絡間切換的自適應功能,可實現高效、動態、靈活的頻譜使用,以提升空口效率、系統覆蓋層次和密度等,從而提高頻譜綜合利用效率。

(14)多網絡融合

5G是多種接入技術融合的網絡,遵循多網協同的原則,即5G和4G、WLAN等網絡共同滿足多場景的需求,實現室內外網絡協同;同時保證現有業務的平滑過渡,不造成現網業務中斷和缺失。

(15)多接入邊緣計算(MEC)

MEC通過將計算存儲能力與業務服務能力向網絡邊緣遷移,使應用、服務和內容可以實現本地化、近距離、分布式部署,從而一定程度解決了5G增強移動寬帶、海量機器類通信、超高可靠低時延通信等技術場景的業務需求。同時MEC通過充分挖掘網絡數據和信息,實現網絡上下文信息的感知和分析,并開放給第三方業務應用,有效提升了網絡的智能化水平,促進網絡和業務的深度融合。

“圖9:多接入邊緣計算平臺"
圖9:多接入邊緣計算平臺

(16)網絡切片

網絡切片是端到端的邏輯子網,涉及核心網絡(控制平面和用戶平面)、無線接入網、IP承載網和傳送網,需要多領域的協同配合,不同的網絡切片之間可共享資源也可以相互隔離。基于SDN/NFV技術進行網絡切片進而實現通用硬件上的多用途組網,是業界的普遍共識。不同網絡切片通過虛擬化技術實現對同一個物理基礎設施的共享,從而使得資源利用率最大化;每一個切片的資源和功能可以通過定制化,更好的匹配業務需求;移動網絡基礎設施可以基于運營商規劃,動態實現切片生命周期管理,靈活切分為多個業務網絡;網絡切片實例可以開放給第三方MVNO,從而實現運營商網絡資源的多租戶商業模式。

圖10:基于SDN/NFV的網絡切片

(17)5G核心網(5GCoreNetwork)

5G核心網融入了SDN、NFV、云計算的核心思想,具備控制與承載分離的特征。控制面采用服務化架構,以虛擬化為最優實現方式,能夠基于統一的NFVI資源池,采用虛機、虛機上的容器等方式實現云化部署、彈性擴縮容,同時有利于方便靈活地提供網絡切片功能;通過用戶面功能(UPF)下沉、業務應用虛擬化,實現邊緣計算。用戶面功能可根據性能要求和NFV轉發性能提升技術的進展,基于通用硬件(x86服務器或通用轉發硬件)或基于專用硬件實現。

(18)5G承載網絡

5G對承載網的需求主要包括:高速率、超低時延、高可用性、高精度同步、靈活組網、支持網絡切片、智能管控與協同。5G承載網應遵循固移融合、綜合承載的原則和方向,與光纖寬帶網絡的建設統籌考慮,在光纖光纜、機房等基礎設施,以及承載設備等方面實現資源共享。

基于5GRAN架構的變化,5G承載網由以下三部分構成:

前傳(Fronthaul:AAU-DU):傳遞無線側網元設備AAU和DU間的數據;
中傳(Middlehaul:DU-CU):傳遞無線側網元設備DU和CU間的數據;
回傳(Backhaul:CU-核心網):傳遞無線側網元設備CU和核心網網元間的數據。

(19)波束賦形技術

波束賦形技術不僅能大幅度增加容量,還可大幅度提高基站定位精度,當前的手機基站定位的精度很粗劣,這是源于基站全向輻射的模式。而當波束賦型技術成功應用后,基站對手機的輻射波瓣是很窄的,這就知道了手機相對于基站的方向角,再加上通過接收功率大小推導出手機與基站的距離,就可以實現手機的精準定位了,并因此而擴展出非常多的定位增值服務。

“圖11:波束賦形示意圖"
圖11:波束賦形示意圖

(20)超密集異構網絡

未來無線網絡將部署超過現有站點10倍以上的各種無線節點,在宏站覆蓋區內,站點間距離將保持10m以內,并且支持在每1km2范圍內為25000個用戶提供服務。同時也可能出現活躍用戶數和站點數的比例達到1∶1的現象,即用戶與服務節點一一對應。密集部署的網絡拉近了終端與節點間的距離,使得網絡的功率和頻譜效率大幅度提高,同時也擴大了網絡覆蓋范圍,擴展了系統容量,并且增強了業務在不同接入技術和各覆蓋層次間的靈活性。

(21)自組織網絡

傳統移動通信網絡中,主要依靠人工方式完成網絡部署及運維,既耗費大量人力資源又增加運行成本,而且網絡優化也不理想。在未來5G網絡中,將面臨網絡的部署、運營及維護的挑戰,這主要是由于網絡存在各種無線接入技術,且網絡節點覆蓋能力各不相同,它們之間的關系錯綜復雜。因此,自組織網絡(self-organizingnetwork,SON)的智能化將成為5G網絡必不可少的一項關鍵技術。

(22)內容分發網絡(ContentDeliveryNetwork)

內容分發網絡是在傳統網絡中添加新的層次,即智能虛擬網絡。CDN系統綜合考慮各節點連接狀態、負載情況以及用戶距離等信息,通過將相關內容分發至靠近用戶的CDN代理服務器上,實現用戶就近獲取所需的信息,使得網絡擁塞狀況得以緩解,降低響應時間,提高響應速度。CDN網絡架構在用戶側與源server之間構建多個CDN代理server,可以降低延遲、提高QoS(qualityofservice)。

(23)D2D通信(device-to-devicecommunication,D2D)

D2D通信是一種基于蜂窩系統的近距離數據直接傳輸技術。D2D會話的數據直接在終端之間進行傳輸,不需要通過基站轉發,而相關的控制信令,如會話的建立、維持、無線資源分配以及計費、鑒權、識別、移動性管理等仍由蜂窩網絡負責。蜂窩網絡引入D2D通信,可以減輕基站負擔,降低端到端的傳輸時延,提升頻譜效率,降低終端發射功率。當無線通信基礎設施損壞,或者在無線網絡的覆蓋盲區,終端可借助D2D實現端到端通信甚至接入蜂窩網絡。在5G網絡中,既可以在授權頻段部署D2D通信,也可在非授權頻段部署。

(24)M2M通信M2M(machinetomachine,M2M)

M2M的定義主要有廣義和狹義2種。廣義的M2M主要是指機器對機器、人與機器間以及移動網絡和機器之間的通信,它涵蓋了所有實現人、機器、系統之間通信的技術;從狹義上說,M2M僅僅指機器與機器之間的通信。智能化、交互式是M2M有別于其它應用的典型特征,這一特征下的機器也被賦予了更多的“智慧”。M2M(machinetomachine,M2M)作為物聯網在現階段最常見的應用形式,在智能電網、安全監測、城市信息化、環境監測等領域實現了商業化應用。

(25)信息中心網絡(Informationcorenetwork)

ICN所指的信息包括實時媒體流、網頁服務、多媒體通信等,而信息中心網絡就是這些片段信息的總集合。因此,ICN的主要概念是信息的分發、查找和傳遞,不再是維護目標主機的可連通性。不同于傳統的以主機地址為中心的TCP/IP網絡體系結構,ICN采用的是以信息為中心的網絡通信模型,忽略IP地址的作用,甚至只是將其作為一種傳輸標識。全新的網絡協議棧能夠實現網絡層解析信息名稱、路由緩存信息數據、多播傳遞信息等功能,從而較好地解決計算機網絡中存在的擴展性、實時性以及動態性等問題。ICN信息傳遞流程是一種基于發布訂閱方式的信息傳遞流程。

(26)移動云計算

移動云計算是一種全新的IT資源或信息服務的交付與使用模式,它是在移動互聯網中引入云計算的產物。移動網絡中的移動智能終端以按需、易擴展的方式連接到遠端的服務提供商,獲得所需資源,主要包含基礎設施、平臺、計算存儲能力和應用資源。SaaS軟件服務為用戶提供所需的軟件應用,終端用戶不需要將軟件安裝在本地的服務器中,只需要通過網絡向原始的服務提供者請求自己所需要的功能軟件。PaaS平臺的功能是為用戶提供創建、測試和部署相關應用等服務。PaaS自身不僅擁有很好的市場應用場景,而且能夠推進SaaS。而IaaS基礎設施提供基礎服務和應用平臺。

(27)人工智能(ArtificialIntelligence)

人工智能(ArtificialIntelligence),英文縮寫為AI。它是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。人工智能是計算機科學的一個分支,它企圖了解智能的實質,并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器,該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。人工智能從誕生以來,理論和技術日益成熟,應用領域也不斷擴大,可以設想,未來人工智能帶來的科技產品,將會是人類智慧的“容器”。人工智能可以對人的意識、思維的信息過程的模擬。人工智能不是人的智能,但能像人那樣思考、也可能超過人的智能。

(28)增強現實和虛擬現實(AR/VR

增強現實技術,它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術,是把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息(視覺信息、聲音、味道、觸覺等),通過電腦等科學技術,模擬仿真后再疊加,將虛擬的信息應用到真實世界,被人類感官所感知,從而達到超越現實的感官體驗。真實的環境和虛擬的物體實時疊加到了同一個畫面或空間同時存在。虛擬現實技術是仿真技術的一個重要方向,是仿真技術與計算機圖形學人機接口技術多媒體技術傳感技術網絡技術等多種技術的集合,是一門富有挑戰性的交叉技術前沿學科和研究領域。虛擬現實技術(VR)主要包括模擬環境、感知、自然技能和傳感設備等方面。模擬環境是由計算機生成的、實時動態的三維立體逼真圖像。感知是指理想的VR應該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術所生成的視覺感知外,還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知,甚至還包括嗅覺和味覺等,也稱為多感知。自然技能是指人的頭部轉動,眼睛、手勢、或其他人體行為動作,由計算機來處理與參與者的動作相適應的數據,并對用戶的輸入作出實時響應,并分別反饋到用戶的五官。傳感設備是指三維交互設備。

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