探索第五代移动通信系统的应用前景

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：2018年6月，3GPP第80次全会上正式批准了第五代移动通信系统标准独立组网功能，与2017年12月底获批的非独立组网NR 标准构成了5G 第一阶段的功能化标准。第五代移动通信系统将以人为中心的通信扩展到以人和物为中心的通信，移动通信转化为人和物提供信息和服务。为实现这个目标，5G 移动通信系统需要具备更高的灵活性和更广泛的集成能力。

随着移动互联网和物联网的发展，移动多媒体业务的需求和快速发展的人-机、人-物、机器-机器之间的无线连接需求，促进了第五代移动通信系统——5G 的发展。2018年6月，3GPP第80次全会上正式批准了第五代移动通信系统标准（5G NR）独立组网功能，与2017年12月底获批的非独立组网NR 标准构成了5G 第一阶段的功能化标准。

第五代移动通信系统将以人为中心的通信扩展到以人和物为中心的通信，移动通信转化为人和物提供信息和服务。为实现这个目标，5G 移动通信系统需要具备更高的灵活性和更广泛的集成能力。依据ITU 中的5G 愿景，5G 将主要具有支持增强的移动宽带通信（e MBB）、海量机器类通信（m MTC）和超可靠低时延通信能力（u RLLC），5G 的主要目标参数如下。

·峰值速率：下行20 Gbit/s，上行10 Gbit/s。

·频谱效率：下行30 bit/s/Hz，上行15 bit/s/Hz。

·控制平面时延：＜10 ms，控制平面时延指的是终端从空闲态转移到数据发送态的时延，小于10 ms。

·用户面时延：用户面时延指的是成功在两个无线协议层传输应用层的数据包的时间长度。对u RLLC业务而言，用户面时延要求上下行都在0.5 ms内，对e MBB业务而言，用户面时延要求上下行在4 ms以内。

·可靠性：对u RLLC 业务，要求在1ms时延内传输32 字节数据包的误码率在10-5以下。

·终端电池寿命：针对m MTC业务，终端应支持10年以上电池不充电的寿命。

·连接密度：可支持每平方功率一百万以上的海量连接。

·移动性支持：可支持500千米/小时的高速列车通信。

1.5G 网络结构

5G 网络结构是一个不断演进的网络结构，3GPP组织R16标准公布的无线网络结构如图10.34所示。

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图10.34　5G 网络结构

5G 网络也可以看成是由三部分组成的，用户终端（UE）、无线接入网（RAN）和核心网（CN）。其中核心网主要功能包括：鉴权服务功能（AUSF）、接入与移动性管理功能（AMF）、网络切片选择功能（NSSF）、网络公开功能（NEF）、网络仓储功能（NRF）、政策控制功能（PCF）、一致性数据管理功能（UDM）、会话管理功能（SMF）、用户平面功能（UPF）、应用层功能（AF）、服务通信代理功能（SCP）以及计费、网络数据分析、设备登记寄存器等。

5G 网络与4G 网络的一个较大区别在于引入了网络切片技术，网络切片技术可通过将网络单元虚拟化，从而通过软件定义的方式为不同服务质量要求的业务定制其服务网络。5G 网络引入网络切片技术的一个很大原因在于其要支持的业务区别很大，很难在一个网络得到满意的服务质量，通过网络切片的方式虚拟化得到服务不同业务的网络，从而满足不同业务的质量要求。

2.5G 无线接入网

5G 无线接入网（RAN）的基本结构如图10.35所示。

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图10.35　5G 网络RAN 系统结构

在接入网侧，各个g NB节点、ng-e NB节点通过Xn接口互联，同时每个节点通过NG 接口与接入移动管理和用户平面功能模块（AMF/UPF）互联。5G 中的NG-RAN 接入网节点包括两种，其中：

·g NB节点提供5G 用户平面与控制平面协议用于UE接入；

·ng-eNB节点提供增强的E-UTRA 用户平面和控制平面协议用于UE接入。

这两种节点提供如下功能：

·无线资源管理功能，包括无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制、用户上下行资源动态分配；

·IP报头压缩、数据加密和完整性保护；

·UE附着时选择一个AMF；

·到UPF的用户面数据路由；

·到AMF控制面信息的路由；

·建立与释放连接；

·调度、发送寻呼信息；

·调度、发送广播信息（来自AMF或OAM，Operation Administration and Maintenance）；

·为移动性和调度准备测量与测量报告；

·上行标记包传输；

·会话层管理；

·支持网络切片；

·QoS流控管理；

·支持UE在非活动状态管理；

·NAS（Non Access Stratum）信息分布功能；

·无线接入网络共享；

·双链接；

·NR 和E-UTRA 的紧耦合相互工作。

AMF提供如下功能：

·NAS信令；

·NAS信令安全；

·AS安全控制；

·与3GPP网络移动互联的信令；

·UE空闲模式管理；

·注册区管理；

·支持网内、网间移动性管理；

·接入认证；

·漫游接入认证；

·移动性管理控制；

·网络切片；

·SMF选择。

UPF提供如下功能：

·网内、网间移动性的锚点；

·与外部PDN 网络的互联；

·包路由与交换；

·业务使用报告；

·上行业务分类；

·多源包的分支；

·用户面的QoS处理；

·上行业务验证；

·下行包缓存和数据触发通知。

SMF提供如下功能：

·会话管理；

·UE IP地址分配和管理；

·选择和控制UP功能；

·配置UPF使业务路由到目的地；

·QoS和政策强制执行控制；

·下行数据通知。

3.5G 关键技术

（1）多址接入技术

5G 的业务场景之一是海量连接，支持海量连接的多址技术是关键技术。传统的3G/4G采用的是正交多址接入技术，每个接入信道之间是正交的，在海量接入应用中，正交多址方式需要更大的带宽来支持。因此，5G 系统的多址接入技术开始考虑非正交多址接入（NOMA）技术，如采用稀疏编码多址（SCMA）、交织多址（IDMA）等来提高单位面积的接入密度。

（2）大规模MIMO 技术

针对5G 需要支持更高的通信速率，除增加可用的通信带宽外，大规模多入多出天线（Massive MIMO）技术增加了可用的空间复用通道，从而可以成倍增加通信速率，提高频谱使用效率。大规模MIMO 一般指发射器/接收机有10个以上的天线。

（3）毫米波技术

5G 系统标准中采用了毫米波作为通信载波，毫米波由于载频频率高，可以支持更宽的通信带宽，从而支持高的通信速率。但毫米波穿透损耗大，通常只支持直射环境下的通信场景。毫米波通信应用于5G 系统中带来了一系列新的挑战，如信道建模、大带宽信号实时处理等。

（4）干扰与网络管理技术

5G 系统场景复杂，可以支持终端直通（D2D）业务，网络呈现密集和超密集趋势，多种不同的小区覆盖模式形成复杂的异构网络场景，因此网络中的终端之间、基站之间存在复杂的干扰情形，需要更多地采用干扰协同管理、网络负载均衡技术等提高网络的可用性。

探索第五代移动通信系统的应用前景

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