1、5G进展及关键 技术江苏电信网络发展部 吴永俊2018年 10月 31日5G 5G目 录1 5G进展2345G关键技术介绍5G应用探索5G网络建设前期准备工作一、 5G进展5G进展 演进历史模拟语音FDMA模拟调制蜂窝小区AMPS/TACS数字语音、中低速数据业务10kbpsTDMA/GMSK无缝覆盖GSM/GPRS/EGEIS95数字语音、高速数据业务1MbpsCDMA/链路自适应 /包交换 /高阶调制TDSCDMA/WCDMA/CDMA2000移动宽带数据业务10Mbps、数字语音OFDM和 MIMO、高阶调制、链路自适应、全 IP扁平网络LTE-A/FDD/TDD增强移动宽带数据业务10
2、0Mbps、海量连接物联网、毫秒级超低时延，数字语音F-OFDM和 m-MIMO、256高阶调制、全 IP扁平网络NR/TDD1983 1994 2001 2010 2020s1G 2G 3G 4G 5G5G进展 5G应用 场景 及技术指标技术目标3大应用场景mMTC海量物联uRLLC高可靠低时延连接IMT-20205G业务模型GbpseMBB增强移动宽带3D视频 , UHD Screen云化办公AR,VR智能制造工业 4.0自动驾驶智能家居 /建筑智慧城市5G进展 5G和 4G的关键性能指标对比5GLTE3050x 100x 100x时延1毫秒端到端时延3050ms吞吐量10Gbps每个连接
3、速率100Mbps连接数1000K每平方公里连接数10K 5G进展 5G技术标准2018年 6月 14日， R15标准已经冻结，奠定了商用基础：1、初期（ 2018-2020年）： 高清视频、 AR/VR驱动 5G早期增长；2、中期（ 2020-2022年）： 物联网将为 5G带来持久动力；3、中远期（ 2022-）： 智能应用将与 5G共同成熟。2017 2018 2019 20205G进展 国外 GSA最新统计，截至 2018年 7月，全球 42个国家和地区规划或已经启动 5G频段拍卖， 67家运营商计划2018-2020年商用 5G，全球 5G加速推进。韩国 ： 已于 2018年 2月平
4、昌冬奥会期间 展示 主要 基于 28GHz频段 的5G服务。 SK电讯、 KT等各运营商均推出了相关具体计划。韩国于2018年 6月完成 5G网络的 3.5GHz、28GHz频段拍卖欧洲： 德国电信推出了 5G创新实验室计划， 并公布 在2020年底之前建成覆盖全国的 5G网络。Vodafone： 宣布将于 2019年下半年正式推出的 5G商用服务；Orange宣布将在 2020年进行 5G部署。日本 ： 已宣布将在 2020年东京夏季奥运会前实现 5G商用， 2023年实现 5G全国覆盖。DOCOMO： 计划首先在 2020年基于高频27.5 29.5GHz提供 5G的 eMBB业务；KDD
5、I： 计划将于 2020年在部分地区启动5G服务。北美：Verizon： 2016年 发布了 针对 5G的企业标准 。AT 2、采用大规模天线 Massive MIMO技术 ;3、新型编码和高阶调制资源复用空分复用： mMIMO带宽高频，实现大带宽噪声LDPC+Polar干扰IC（干扰消除）双工NOMA信号能量波束赋形5G技术 部分国家频谱 分配（ 1/2） 新频段中 C-Band已成为 5G部署 主流选择 ，提供 5G的普遍容量和覆盖。目前标准最大支持 100MHz/载波。 毫米波受限于产业成熟度，预计规模商用节奏将晚于C-Band。目前标准最大支持 400MHz/载波。 5G首波市场（如：
6、韩国）已经发放 5G C波段商用 频谱。3.3-3.44.8-5.04.4-4.93.5-3.75G 室内覆盖5G 主频段5G 主频段3.4-3.7 5G主频段3.4-3.7 5G主频段3.4-3.7 5G主频段3.4-3.63.6-3.8 5G主频段3.4-3.6 将回收重发给 5G28G/39GHz 5G主频段80 MHz 100 MHz 100 MHz26.5GHz 27.3GHz 28.1GHz 28.9GHz26.5GHz-28.9GHz800 MHz 800 MHz 800 MHz3420MHz 3500MHz 3600 MHz 3700 MHz5G技术 国内频谱 分配（ 2/2）
7、 国内 5G频段分配（ 初步方案 ）移动（新增） 联通 移动（ 60M） 电信移动（新增）100M，用于室内，具体分配待定 电信 ( 100M ) 联通（ 100M）移动（ 100M） 100M ,具体分配待定2.6G2515 2555 2575 2635 2655 2675移动争取获得 2.6G 160M3.5G3300 3400 3500 36004.8G4800 4900 50005G技术 Massive MIMO（ 1/5）1T1R 4T4R2T2RMIMO（ 4G系统采用） 8T8R 32T32R 64T64RMassive MIMO（ 5G系统采用） 多天线（ MIMO） ：用多根
8、天线（通道）进行发射和接收， 获得分集、阵列、空间复用、干扰抑制增益，从而提升系统性能。 多天线信息 理论突破 了 传统技术传输能力的极限。 大规模天线 阵列（ Massive MIMO）：通过采用大规模天线 阵列（ 8通道以上）， 获得更高的分集、阵列、空间复用、干扰抑制增益，从而显著地提升 系统性能。 Massive MIMO的主要理论依据是，随着基站天线个数趋于无穷大，多用户信道间将趋于正交，整个系统是一个无干扰系统，系统容量随天线个数增大而增大，并趋于无穷大。5G技术 Massive MIMO（ 2/5）概念： 波束赋形是一种基于大规模天线阵列的信号预处理技术，波束赋形通过调整天线阵列
9、中每个子阵列 的加权系数 产生具有指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益 。 波束赋 形UE赋形波束 每个 UE获得独立波束 提高 SINR,降低干扰大规模天线原理 ： 从不同天线发射的信号会经历不同路径到达接收端 , 从而形成相位差； 通过控制不同天线端口发射的信号幅度 /相位差，在接收端可以得到得到相应角度的信号增强或抵消； 随着阵子数的增加，波束越来越窄； 通过相位的调整，可以控制波束的指向。相位相同，叠加增强 相位相反，叠加抵消 普通宽波束天线 大规模天线辐射立体图 对比5G技术 Massive MIMO（ 3/5）实现方法： 波束赋形给予每个天线通道独立权值，包括相位和 幅度； 对
10、于 64通道天线来说，每个极化方向有 32个子阵列，分别具有水平和垂直赋形的自由度； 由手机反馈位置信息，系统通过计算，为手机准备一个 32维的赋形权值矢量（如左图）； 所有天线经权值修改后对手机形成赋形波束。 波束赋 形 64T/R天线， 4*8子阵列每天线通道给予独立权值 w 单 UE赋形波束形成示意图UE反馈天线辐射5G技术 Massive MIMO（ 4/5） 空分复用概念： 利用 不同天线形成的空间差异， 将原始数据分成几个部分通过 不同 天线同时发射 和接收的技术。原理： 将要传送的用户数据分成几个数据流，在不同的天线上并行发送。 接收机利用空间均衡器分离接收信号，将几个数据流合并
11、，恢复原始信号。作用 ： 在同一时频资源实现多流数据的并行传输，从而 提高数据传输速率 。空分复用原理rrPtPt原始数据第一部分接收端发射端原始数据Pt r合并恢复原始数据原始数据第二部分原始数据第三部分 空间分集概念： 也称天线分集，就是采用多副天线来发射 /接收信号，然后进行信号合并。为保证信号的不相关性，天线之间要距离至少半个波长。原理： 发射端： 采用分集技术把同一数据流分别在不同的天线上发送； 接收机： 利用空间均衡器分离接收信号，将同一数据流的不同路径信号进行合并，恢复出原始信号。作用： 增强信道的可靠性，提高接收信号的质量。常用分集技术： STBC（空时块编码）、 SFBC（空
12、频块编码）、 CDD（循环延时分集）等5G技术 Massive MIMO（ 5/5）STBC我知道啦！去买个这么大的西瓜去买个大西瓜买个同样大的西瓜小美，老师叫你呢！小美，老师叫你呢！小美，老师叫你呢！同学们，去帮我喊下小美小美5G技术 信道编码数据信道 ： LDPC(low-density parity-check)码0 1 2 3 4 5 6 7 810-210-1E b / N o ( d B )BLERIn f o . B i t s L e n = 1 0 0 , Q P S KT , R = 1 / 5 ( 1 0 0 / 5 0 0 )T , R = 1 / 3 ( 1 0 0
13、/ 3 0 0 )T , R = 2 / 5 ( 1 0 0 / 2 5 0 )T , R = 1 / 2 ( 1 0 0 / 2 0 0 )T , R = 2 / 3 ( 1 0 0 / 1 5 0 )T , R = 3 / 4 ( 1 0 0 / 1 3 4 )T , R = 5 / 6 ( 1 0 0 / 1 2 0 )T , R = 8 / 9 ( 1 0 0 / 1 1 3 )P , R = 1 / 5 ( 1 0 0 / 5 0 0 )P , R = 1 / 3 ( 1 0 0 / 3 0 0 )P , R = 2 / 5 ( 1 0 0 / 2 5 0 )P , R = 1 /
14、2 ( 1 0 0 / 2 0 0 )P , R = 2 / 3 ( 1 0 0 / 1 5 0 )P , R = 3 / 4 ( 1 0 0 / 1 3 4 )P , R = 5 / 6 ( 1 0 0 / 1 2 0 )P , R = 8 / 9 ( 1 0 0 / 1 1 3 )L , R = 1 / 5 ( 1 0 0 / 5 0 0 )L , R = 1 / 3 ( 1 0 0 / 3 0 0 )L , R = 2 / 5 ( 1 0 0 / 2 5 0 )L , R = 1 / 2 ( 1 0 0 / 2 0 0 )L , R = 2 / 3 ( 1 0 0 / 1 5 0 )L
15、, R = 3 / 4 ( 1 0 0 / 1 3 4 )L , R = 5 / 6 ( 1 0 0 / 1 2 0 )L , R = 8 / 9 ( 1 0 0 / 1 1 3 )LDPC码在大数据块情况下，相比 turbo码，码峰值速率更高、译码速度更快、功耗更低，更适合 5G高吞吐率数据译码需求，并且有更低的误码平台；控制信道 ： Polar码Polar码在小数据块情况下，性能最优，更低的解调门限，计算复杂度低，时延低 5G采用全新信道编码 ，编码性能有所改善（ LTE用的是 Turbo码和卷积码）； LDPC码更适合大数据块（数据面）， Polar码更适用于小数据块（控制面 ）。同样
16、BLER下， LDPC码需要的 SNR更低Eb/Nb(dB)BLERBLERSNR(dB)5G技术 高阶调制 5G采用更高阶调制 5G兼容 LTE调制方式，同时引入比 LTE更高阶的调制技术，进一步提升频谱效率。（ 1024QAM主要用于毫米波通信方面） 调制基本原理：一个符号可以根据振幅和相位表示多个 bit，倍数级提升频谱效率，如 16QAM，一个符号可以承载 4个 bit。QPSK16QAM64QAMLTE上行5GQPSK16QAM64QAM256QAM下行QPSK16QAM64QAM256QAMQPSK16QAM64QAM256QAM1024QAM调制原理 4G/5G调制对比5G技术
17、OFDM（ 1/2） OFDM（正交频分复用技术） OFDM 是基带码元对多个子载波并行调制 的技术。 将信道分成许多子信道，每个子信道的带宽也随之减少，若信道的带宽足够小，可以认为信道特性接近理想信道特性。 多 载波并行 调制提高了信道 的 抗多径衰落 能力，减少信号失真 和码间串扰。 由于各个子载波的频谱有部分重叠，提高了频谱利用率和增大传输速率。 OFDM系统实现 OFDM系统包含很多模块，其中 OFDM实现相关模块有三个：（ 1）串 /并、并 /串转换模块；（ 2） FFT、逆 FFT转换模块；（ 3）加 CP、去 CP模块。传统频分复用（ FDM） 正交频分复用（ OFDM）OFDM
18、实现模型S/P IFFT 加CP P/SP/S FFT 去CP S/PS(t)串 /并转换 逆 FFT变换 加循环前缀 并 /串转换并 /串转换 FFT变换 去循环前缀 串 /并转换信道5G技术 OFDM（ 2/2）LTE 10% Guard Band NR 23% Guard Band5G:F-OFDM （ +10%）4G: OFDM F-OFDM的 优化滤波器 5G采用了 F-OFDM技术通过优化滤波器、 DPD（ Digital Pre-Distortion，数字预失真），射频等通道处理，让基站在保证 ACLR（ Adjacent Channel Leakage Ratio，相邻频道泄漏
19、比），阻塞等射频协议指标时， 可提高 5G的 频谱利用率 至 95%-98%以上。 OFDM的优点 各路子载波的已调信号的频谱有部分重叠，所以提高了频谱利用率（约 2倍）和增大传输速率； 每路子载波的调制制度可以不同，如 2DPSK和256QAM用于不同的子信道，从而得到不同的信息传输速率； 可与多种接入方式结合使用。 OFDM的缺点 对信道产生的频率偏移和相位噪声很敏感； 较高 的信号功率 峰 均比 ，降低射频功率放大器的效率。5G技术 帧结构介绍 5G帧结构特点 帧结构框架：以 SCS=30kHz和 120kHz为例 Frame（帧）长度： 10ms系统帧号（ SFN）范围： 01023
20、Subframe（子帧）长度： 1ms1个系统帧内子帧号： 09 Slot（时隙）长度 ： 0.5ms, 14个符号1radio frame = 10ms = 10subframe = 20slots1subframe = 1ms = 2slots1slot = 0.5ms = 14symbols SCS= 30kHzSCS = 120kHz1radio frame = 10ms = 10subframe = 80slots 1subframe = 1ms = 8slots1slot = 0.125ms = 14symbols 部分控制信息的发送周期，上下行子帧的分配单位基本的数据发送周期符号
21、最小时间单元，调制基本单位时隙数据调度和同步的最小单位空口时域的通用结构，在不同的制式下，满足数据传输及带内控制的需求5G技术 帧结构实现低时延 通过 增加子载波宽度，缩短每个 码元持续时间，传输 等量的数据所用时间更 短，从而提高了传输速率； 灵活改变 TTI时长，当数据量较少时，可以灵活改变时隙内的符号数（ 2、 4、 7个符号），提高调度的频次，降低时延；DLT y p e 1 : DL - o n l y s l o tULT y p e 2 : UL - o n l y s l o tDL ULU p l i n k C o n t r o l o r S R S D o w n l
22、 i n k C o n t r o lDL - d o m i n a n t UL - d o m i n a n tT y p e 3 : M i x e d D L a n d U L s l o t 灵活的子载波间隔 新的帧结构： 5G新引入的帧结构，用于缩短下行反馈时延以及上行调度时延，用于满足超低时延业务需求。4G:子载波间隔 15kHz 5G:子载波间隔 120kHz 如果每终端四个天线流， 14符号需与控制，下行，上行分成。 如果控制分 2份，上行 3份，下行 9份： 上行： 730x4x(3/14)=626Mbps, 下行： 730x4x(9/14)=1.88Gbps5G技
23、术 峰值速率实现 5G技术如何达到其峰值速率？ TDD 100MHz频宽 把 100MHz频段分成若干（ 30kHz）的无线电单元（ RB） 每 12个（ 30kHz）组成一个调度单元（ PRB） 100MHz可以分成 了 (30kHz)x(12)x(272) = 98MHz 剩下的 2MHz是过渡频宽，使得 100MHz外干扰 小 所以 5G有 272个可调度频率单元（ PRB） 在时间上，每秒钟分成了 2000时隙（ slot）， 每时隙 0.5毫秒，每时隙有 14个信号符号。 每个符号可送 8比特（ 256QAM） 5G传输的上行 +下行 +控制的总比特数 (每流） （ 272单元） x
24、 （ 12调度组） x（ 14符号） x（ 8比特 =256QAM） x（ 2000时段） =730Mbps二、 5G关键技术介绍5G关键技术 5G网络架构 5G接 入网架构： 5G接 入网架构由 CU+DU+AAU组成，与4G接入架构（ BBU+RRU+天线）相比： BBU分成 CU（集中单元） 和 DU （分布单元）两 个逻辑网 元 RRU和 天线 集成 为 AAU (有源天线单元 )功能 划分 ： CU是一个集中式节点 ，主要 包括非实时的无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的 部署； DU设备 主要处理 物理层功能 和实时性需求的层 2功能。CU+DU架构的优
25、势： 在接入层实现集中控制，可实现大连接下的密集切换高效性； CU支持部分核心网功能，可连接多个 DU，实现池化增益，灵活支持垂直行业应用。RRU+天线集成为 AAU的优点： 缩减了馈线损耗，对于高频信号至关重要； 5G采用大规模天线，集成 AAU利于实现 Massive-MIMO功能。5G网络 接入 架构（ 1/2）5G接入网 架构与 4G对比核心 侧接入侧前传前传回传中传回传 CU/DU部署策略： CU/DU可选择分离部署或合设部署两种模式； 鉴于两种部署模式的特点， 5G建设初期，采用合设部署的模式，远期可采用分离部署。见下表：5G网络 接入架构（ 2/2）NGCNRNRCU+DUCU+
26、DUAAUAAUAAUAAUNRNR CUNGCDUDUCU/DU分设CU/DU合设CU/DU部署可分可合当前未来CU/DU分离部署特点 CU/DU合设部署特点DU难以虚拟化 , CU虚拟化目前存在成本高代价大的挑战节省网元 ,减少规划与运维复杂度 ,降低部署成本适用于 mMTC小数据包业务 ,但目前标准化工作尚未启动 ,发展趋势还不明确无需中传 ,减少时延避免 NSA组网双链接下路由迂回，而 SA组网无路由迂回问题缩短建设周期5G网络 与 4G协同组网方案（ 1/2）（ 5G核心网） SA组网架构 2018年 6月标准冻结5G NR直接接入 5GC ,支持 4G和 5G切换 4G核心网较少升级 , 4G基站仅需要5G邻区参数配置， 4G/5G基站可异厂家 支持网络切片、 MEC等终端不需要双连接 基于 5G核心网的 NSA架构 2018年 12月标准冻结 控制面锚定在 4G基站 4G基站升级复杂 ,支持 5G协议栈 , 4G/5G基站需同厂家 支持网络切片、 MEC等 要求终端支持双连接 基于 4G核心网的 NSA架 2017年 12月标准冻结 控制面锚定在 4G基站 4G核心网进行较少的升级 ,4G基站需要升级 , 4G/5G基站需同厂家 不支持网络切片、 MEC等 要求终端支持双连接
