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浅析移动通信系统组网技术发展与5G技术

来源:核心论文发表 所属分类:电子论文 点击:次 时间:2020-07-08 08:18

  摘要:移动通信是指通信双方或至少一方在移动中进行信息交换的通信方式。从20世纪80年代发展至今,移动通信系统已经走过30多个年头,每10年就经历标志性的一代技术革新。

浅析移动通信系统组网技术发展与5G技术

  关键词 移动通信 无线接入 交换技术 物联网 云计算 5G

  移动通信是有线通信网的延伸,由无线和有线两部分组成,无线部分提供用户终端的接入,利用有限的频率资源在空中传输语音和数据,有线部分完成交换、用户管理、漫游、鉴权等网络功能。移动通信必须利用无线电磁波进行信息传输,电波传输条件恶劣,传播复杂。移动台在工作时会受到互调干扰、邻道干扰和同频干扰,其中同频干扰是移动通信所特有。移动通信可以利用的频谱资源非常有限,系统更复杂。

  移动通信发展历程和发展方向可以划分为几个阶段:第一代移动通信系统是模拟制式的蜂窝语音移动通信系统,在多址技术上采用频分多址技术(FDMA),频谱利用率低,业务种类少,不能提供数据业务,保密性差,系统容量小,设备笨重。典型代表是美国的AMPS系统及改进系统TACS。第二代移动通信系统是数字蜂窝语音移动通信系统,有基于TDMA技术的欧洲GSM系统,另一种是基于CDMA技术的美国IS-95系统。2G通信系统的语音质量和保密性能得到很大的提高,后来出线了基于GSM系统的无线分组交换技术GPRS和CDMA系统的数据增强版IS-95B,称为2.5G。第三代移动通信系统是窄带数据多媒体移动通信系统,又称IMT-2000系统。3G通信主要有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三种制式。前两者分别是在GSM系统和CDMA系统的基础上发展起来的,TD-SCDMA是中国标准,其核心网与WCDMA基本一致。第四代移动通信系统是宽带数据移动互联网通信系统,是基于3G的长期演进(LTE),以正交频分复用技术(OFDM)和多入多出(MIMO)为核心,大大增强了空中接口技术。LTE定义了时分双工(TD-LTE、LTE-TDD)和频分双工(LTE-FDD)两种方式,二者的关键技术基本一致,区别在于无线接入部分和空中接口标准不同。第五代移动通信系统面向2020年及未来,以移动互联网和物联网互为驱动将解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战。

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  5G面向的业务形态已经发生了巨大的变化:传统的语音、短信业务逐步被移动互联网业务取代;云计算的发展使业务的核心放在云端,终端和网络之间主要传送控制信息;机器与机器通信(M2M)和物联网(IoT)带来的海量数据连接,超低时延业务,超高清、虚拟现实业务等,这些都是4G技术无法满足的,只有通过5G可以实现。

  目前云计算已经成为一种基础的信息构架,终端与云端之间大量采用信令交互,信令的时延、海量的信令数据等要求5G端到端时延小于5ms,数据速率大于1Gbps。虚拟现实(VR)要求网络速度必须达到300Mbps以上,端到端时延小于5ms,移动小区吞吐量大于10Gbps。高清视频4K将成为5G的标配业务,要保证移动用户随时随地获得超高速的、端到端的通信速率。M2M/IoT带来的海量数据连接,要求5G具备充足的支撑能力。M2M业务定位于高可靠、低时延,例如远程医疗、自动驾驶等远程精确控制类应用的成功关键,要求网络时延缩短至1ms。

  5G的技术需求包含几个方面:峰值速率比4G提升20~50倍,达到20~50Gbps。保证用户在任何地方都具备1Gbps的用户体验速率。5G的时延缩减到4G时延的1/10,端到端时延减少到5ms,空口时延减少到1ms。5G相比4G需要提升10倍以上的同时连接数,最终到达同时支持包括M2M/IoT在内的120亿个连接的能力。5G相比4G需要提升50倍以上的Bit成本效率,每Bit成本大大降低从而促进网络的CAPEX(资本支出)和OPEX(运营成本)下降。

  中国于2013年成立IMT-2020(5G)推进组,开展5G策略、需求、技术、频谱、标准、知识产权等研究和国际合作,取得了阶段性进展。先后发布了《5G愿景与需求》、《5G概念》、《5G无线技术构架》、《5G网络技术构架》白皮书。

  5G系统的能力指标包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率、移动性等关键技术指标和频谱效率、能效、成本效率等性能指标。设备密度达到600万个/km2,流量密度在20Tbs/km2以上,移动性达到500km/h,实现高铁运行环境的良好用户体验,用户体验速率为Gbps量级,传输速率比4G提高10~100倍,时延达到毫秒级水平,实现百倍能效增加,十倍频谱效率增加,百倍成本效率增加。

  5G主要的技术场景有四个:连续广域覆盖场景面向大范围覆盖及移动环境下用户的基本业务需求;热点高容量场景主要面向热点区域的超高速率、超高流量密度的业务需求;低功耗大连接场景面向低成本、低功耗、海量连接的M2M/IoT业务需求;低时延高可靠场景主要满足车联网、工业控制等对时延和可靠性要求搞的业务需求。

  在核心技术方面5G不再以单一的多址技术作为主要的技术特征,而是由一组关键技术来共同定义,包括大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型多址技术及新型网络构架。大规模天线阵列可以大幅提升系统频谱效率;超密集组网通过增加基站部署密度实现百倍量级的容量提升;新型多址技术通过发送信号的叠加传输来提升系统的接入能力,可有效支撑5G网络的千亿级设备连接需求;全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源,有效缓解5G网络频谱资源的巨大需求;新型网络结构采用SDN、NFV和云计算等技术实现更灵活、智能、高效和开放的5G新型网络。

  5G新空口技术将采用新型多址、大规模天线、新波形(FBMC、SCMA、PDMA、MUSA)、超密集组网和全频谱接入等核心技术,在帧结构、信令流程、双工方式上进行改进,形成面向连续广域覆盖、高热点容量、低功耗大连接和低时延高可靠等场景的空口技术方案。同时为实现对现有4G网络的兼容,将通过双连接等方式共同为用户提供服务。

  5G网络构架需要满足不同部署场景的要求、具有增强的分布式移动性管理能力、保证稳定的用户体验速率和毫秒级的网络传输时延能力、支持动态灵活的连接和路由机制以及具备更高的服务质量和可靠性。5G网络构架将引入全新的网络技术,SDN(软件定义网络)、NFV(网络功能虚拟化)将成为5G网络的重要特征。

  5G将不同于前几代移动通信技术,它不仅是更高速率、更大带宽、更强能力的空口技术,更是面向业务应用和用户体验的智能网络。5G不再由某项业务能力或者某个典型技术特征所定义,它将是一个多业务多技术融合的网络,通过技术演进和创新满足未来包含广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要,不断提升用户体验。——论文作者:俞少晨

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