物联网为什么需要 5G？

摘要：5G，这个词，我想每个接触ICT行业的朋友都有听过，可5G的到来，对物联网行业的帮助究竟是什么？



我相信，95%的ICT从业者对5G这一概念没有一个清晰的认知。



这一期文章的主题主要是普及一些5G关键技术的介绍。



一、移动通信概述



1.移动通信发展历程



1G 模拟制式语音业务NMT TACS AMPS NAMTS



2G 数字制式 语音业务 低速数据业务10kbps～200kbps GSM CDMA



3G 移动多媒体业务 2Mbps～50Mbps TD-SCDMA WCDMA CDMA2000



4G 移动宽带 100Mbps～1Gbps TD-LTE FDD LTE



5G 万物互联



2.4G和5G的“野心”



A.4G设计目标



三高



高峰值速率：下行峰值100Mbps，上行峰值50Mbps



高频谱效率：频谱效率是3G的3～5倍



高移动：支持350km/h（在某些频段甚至支持500km/h



两低



低时延：控制面IDLE-> ACTIVE:<100ms,用户面传输：<10ms



低成本：SON（自组织网络），支持多频段灵活配置



一架构



以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上是基于分组交换的扁平化架构



B.5G设计目标



聚焦多元化需求：eMBB+uRLLC+eMTC



用户体验速率



频谱效率



移动性



时延



连接数密（设备/平方公里）



网络功耗效率



区域流量能力



峰值速率



3.实现“野心”的关键



频谱资源



频谱资源变化：更大带宽、更高利用率



频谱资源： 4G 20MHz 5G 400MHz



传输带宽： 4G保护带宽占比约10%频谱利用率约90% 5G 保护带宽占比2%～3% 频谱利用率约98%



系统架构



系统架构演进：传统网络至4G



系统架构演进：5G NFV（网络设备功能虚拟化）



关键技术



4G VS 5G



双工方式：TDD/ FDD——灵活双工、全双工



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



天线技术：传统MIMO——Massive MIMO



调制方式：64QAM——1024QAM



4.5G前景展望



使能更多新兴垂直行业应用！



案例 智能电网：监控和控制 故障自恢复 时延要求5～50ms 可靠性要求 非常高



无人机：公共安全 农林 时延要求10～30ms 可靠性要求 高



智能医疗：远程手术 时延要求10～100ms 可靠性要求 高



智能制造：机器人通信与控制 时延要求 10～100ms 可靠性要求非常高



······



二、5G网络概述



1.移动业务需求趋势及业务场景



A.5G时代面临的挑战



MBB数据流量雪崩式增长 移动互联网等新应用所带来的流量爆炸性增长 10年1000倍



联网设备数量巨大增长 具备通信能力的机器 2020年有1000亿联网设备



应用场景和需求的多样性 设备与设备之间的通信 比如车与车之间的通信 由于机器通信所带来新需求和新特性



高速率=良好的用户体验



流媒体VR视频的带宽需求



物联网通信技术——5G



B.不同制式所支持连接数



3G每小区支持100个连接



4G每小区支持1000个连接



5G每平方公里支持1百万个连接



有了5G，十字路口不再拥塞



自动驾驶对低时延的需求



C.5G的关键性能指标



时延 1毫秒 端到端时延 30～50x



吞吐量 10Gbps每个连接速率



连接数 1000K每平方公里连接数



D.5G法定名称“ IMT-2020 ”



ITU对IMT2020愿景的描述



eMBB（增强型MBB）10Gbit/s



mMTC（海量连接的物联网业务）1百万连接每平方公里



uRLLC (超高可靠性与超低时延业务）1ms



NGMN对5G愿景的描述



5G是一个端到端、全移动的、全连接的生态系统，提供全覆盖的一致性体验，提供可持续的商用模型，通过现有的和即将涌现的创新，为用户和合作伙伴创造价值



增强的宽带接入eMBB



虚拟现实VR 增强现实AR 3D全息



大规模的物联网（mMTC）



Huawei&ofo共享单车应用案例



根据华为预计，到2017年底，全球将有30张NB-IoT商用网络



智慧城市



智慧T-mobile “智能暖气表”NB-IoT应用案例



极致的实时通信



触觉互联网



自动化交通控制和驾驶



5G关键的能力



5G=平台



5G网络新架构



超高清分片



语音分片



实时业务分片



IoT业务分片



产业需求定义分片的QoS



基站



NFV（统一控制平面）+SDN（多业务的用户平面 ）



Telco-OS



开发者



消费者



合作伙伴



运营商



5G对未来的定义



5G=10Gbps + 1ms时延 +100万连接/每平方公里



2.5G协议标准化及当前进展



5G从3GPP Release15开始



5G包括：新空口 LTE Advanced Pro演进



下一代核心网NextGen Core



EPC演进



研究5G的主要国际标准组织



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的主要国际非标准组织



OTSA



3GPP



3.5G全球商用计划



家庭宽带最后一公里接入



车联网正在成为国家的战略关注点



未来将持续探索新兴垂直行业应用



今天的长尾将是明天的主体 如AR/MR（长尾效应）



三、5G网络关键技术



1.增强覆盖技术



5G网络频谱



增加带宽是增加容量和传输速率最直接的方法，5G最大带宽将会达到1GHz，考虑到目前频率占用情况，5G将不得不使用高频进行通信



a.5G主频段 以3.5GHz为主



b.5G扩展频段毫米波 以28/39/60/73GHz



高频通信的挑战



高频波长相比低频传播损耗更大、绕射能力更弱



频段越高，上下行覆盖差异越明显，上行覆盖受限



高频通信的解决方案-提高发射功率



高频通信的解决方案-上下行解耦 NR中基站下行使用高频段进行通信，上行可以视UE覆盖情况选择与LTE共享低频资源进行通信，从而实现NR上下行频段解耦



UE基于覆盖情况选择合适的上行频点



IDLE态通过系统消息获取f1,f2相关信息，并根据实际测量进行选择



连接态通过测量报告上报，由基站通过信令指示



上下行解耦要求5G NR和LTE协同



上下行解耦站形



BBU5900



a.设备紧凑，连接简单



b.新建站点或改造eNB



c.适合有较多空闲槽位场景



槽位多，可扩展性好 需要两根光纤，成本高



a.BBU3910



b.BBU5900



槽位多，可扩展性好 增加框间基带板HEI接口，接口流量大



a.BBU3910



b.BBU5900



2.提高效率技术



A.NR频谱效率提升技术



频谱效率即单位时间内每Hz中bit数的提升，5G中用的频谱效率提升方法包括：



a.新波形技术、新多址技术



NR无线新波形（华为FOFDM）



Filtered-OFDM是一项基础波形技术，与OFDM最大的区别就是子载波带宽可以根据需求进行调整，以适应不同业务的需求



4G（OFDM）：子载波带宽是固定的，15kHz 固定子载波间隔 10%保护带宽



5G（F-OFDM）：子载波带宽是不固定的，可以灵活真的不同QoE应用的报文大小 灵活子载波间隔（方便空口做网络切片） 1个子载波的最小保护带宽



b.NR上行新波形（CP-OFDM）



NR上行支持两种波形，CP-OFDM和DFT-S-OFDM，使用CP-OFDM时，基站可以不用为UE分配频域连续的子载波



c.NR新多址技术（华为SCMA）



1G：FDMA



2G：TDMA+FDMA



3G：CDMA



4G：OFDMA



5G：SCMA 新型多址接入技术



通过使用扩频技术在4个子载波上承载6个用户的数据，提升频谱的使用效率

B.新调制技术、新编码技术



a.新调制技术（256QAM）



3GPP R12协议中新增了下行256QAM，相对于64QAM支持每符号携带8个bit位，支持更大的TBDS传输，理论峰值频谱效率提升33%。相同频谱效率下256QAM码率更低，解调可靠性更高



b.NR新编码技术（Polar+LDPC）



LDPC Code（业务信道）



LTE Turbo



NR LDPC



Polar Code(控制信道）



Polar码高可靠的编码方式无误码平台从而减少重传，同时降低信噪比需求以提升覆盖



C.灵活双工与全双工



a.灵活双工技术



根据业务调整上下行子帧



相邻小区会进行干扰协调消除



b.全双工技术



目前TDD/FDD制式是分别在不同的时间/频率资源上分别进行收发



全双工将指收发双方在同一时频资源进行数传



发送端和接收端同时收发，发送端把信息传递给接收端，接收端进行相关干扰消除运算，实现同时收发



D.Massive MIMO



水平的4流加BF 8T8RVS 64T64R



立体16流更窄的波束+MU BF



E.Massive MIMO增益（上行MU-MIMO）



多用户虚拟MIMO



通过多个UE配对复用相同的上行时频资源，同时传输多流数据，从而提高小区的平均下行吞吐率



F.Massive MIMO增益（3D BF）



三维波束赋形简称3D BF，增强用户的覆盖



相对于传统波束只能在水平方向跟随目标UE调整方向，3D BF的窄波束在水平方向和垂直方向都能随着目标UE的位置进行调整



G.Massive MIMO增益（MU BF）



多用户虚拟BF



eNOdeB根据配对条件进行UE配对，实现在同一时频资源上传多个用户下行数据流，从而提高下行传输的频谱效率和提高小区吞吐量



H.Massive MIMO的应用场景



城区、高校流量高低（CBD等）



高楼覆盖场景



重大活动保障场景



3.降低时延技术



A.NR低时延保障技术分析



a.RAN时延因素



空口传输 TTI长度决定



处理 HARQ RTT决定



重传 TDD上行配比



无线信号 上、下行覆盖差 上、下行干扰



b.方案 缩短TTI



免去授权调度、灵活双工或者全双工



用户面下沉



c.方案



优化无线覆盖



B.NR时隙聚合调度



Slot Aggregation：NR中调度周期可以灵活变的，且一次可以调度多个时隙，以适应不用业务需求，降低无线时延



C.NR免授权调度



免授权调度：由于调度存在RTT时延，NR中对于时延比较敏感的业务提出免调度的过程，终端有需求直接发送



D.NR侵入式空口调度（EAI）Embed Air Interface



eMBB和uRLLC业务共存时，EAI机制可以实现uRLLC业务对eMBB资源打孔，以保障uRLLC对时延的要求



4.5G异步HARQ技术



HARQ：混合自动重传请求



5G上下行链路采用异步HARQ协议：重传在上一次传输之后的任何可用时间上进行，接收端需要被告知具体的进程号



5.D2D 通信 （Device to Device）



D2D通信，基站分配频谱用于终端与终端直接互联进行用户面数据传输，D2D关键技术包括：



a.频谱分配模式



使用蜂窝小区的剩余资源



复用蜂窝小区下行资源



复用蜂窝小区上行资源



b.干扰控制



适当的功率控制，能够在D2D复用蜂窝资源时，有效地协调D2D与蜂窝网络间的干扰



总结



提升覆盖技术：提高UE发射功率、上下行解耦



提升效率技术：新波形、新多址、新调制、新编码、新双工、CRS FREE、Massive MIMO



降低时延技术：时隙聚合调度、免调度、侵入式空口调度、异步HARQ、D2D技术



点击关注，第一时间了解华为云新鲜技术~