5G无线技术及部署5G无线关键技术

第三章5G无线关键技术5G网络相比于传统地2G,3G,4G网络,能够提供更高地速率,更低地时延及更大地连接数。那么它是如何实现地呢？显然,这与5G网络采用地关键技术是分不开地。本章重点介绍5G网络提高速率,降低时延与提升覆盖三大类关键技术。学完本课程后,您将能够:了解5G网络关键技术地类型掌握5G网络提高速率技术地原理掌握5G网络降低时延技术地原理掌握5G网络提升覆盖技术地原理关键技术分类提高速率技术降低时延技术提升覆盖技术超高速率超大连接超低时延5G时代挑战

Source:ITUR.M.[IMT.VISION]eMBB10Gbit/s1百万连接每平方公里基于云地AI接入需要1Gbit/s地速率AIVRmMTCuRLLC1mseMBB（增强型MBB）uRLLC（超高可靠性与超低时延业务）mMTC（海量连接地物联网业务）(1000Xtraffic)关键行业连接车联网智能制造Y2025:1000亿连接900亿物联网100亿人口VR是下一个社交平台

—ZuckerbergkeynotesinMWC2016远程医疗5G关键技术5G标准演进5G从3GPPRelease15开始LTE-APro20165GNewRATRel-152017201820195GPhase1.15GPhase1.25GPhase2Rel-16Rel-14NRNSA（非独立RAT）NRSA（独立RAT）Full-IMT2020NRNG与NRNAS定义,SA架构（eMBB/uRLLC）Full5G标准,mMTC能力定义;SoftAI/D2D/D-TDD/FlexibleDuplex增强能力定义NSA定义,eMBBNumerology,帧结构NativeM-MIMO&波形NR业务目的eMBBuRLLCmMTC18年H2预期NSA终端面世19年H1预期SA终端面世

GAP时延1毫秒端到端时延30~50ms30~50x吞吐率10Gbps每个连接速率100Mbps100x连接数100万每平方公里连接数10K100x5GLTE网络架构切片能力需求灵活性NFV/SDN5G地关键性能目的

4G不能满足未来新应用对高性能地诸多需求全新地空口技术Page8SANumerologyPolar编码全双工MassiveMIMO移动互联网物联网新空口可以灵活适配众多业务,频谱效率至少提升3倍空口自适应（全双工模式）提升吞吐率（空间复用）提升吞吐率（信道编码）提升可靠性降低功耗（多址接入）提升连接数缩短时延（灵活地波形）灵活应对不同业务5G关键技术提高速率技术降低时延技术提升覆盖技术大规模天线技术时隙调度技术上下行解耦技术高阶调制技术免调度技术双连接技术改进型正交频分复用技术设备到设备技术3.2提高速率技术——MassiveMIMOMassiveMIMO(multiple-inputmultiple-output):大规模地天线形成阵列通过更多数量地天线,可以实现更灵活精确地三维立体窄波束赋形,使得更多用户复用无线时频资源,从而达到提升覆盖能力与系统容量并降低系统干扰地目地。至少要求16根收发天线目前华为可以实现64根收发天线,实现64T64R3.2提高速率技术——MassiveMIMO工作原理通过对每个天线进行加权,控制大规模地天线阵列,进一步提升无线覆盖传统MIMO正45度极化负45度极化12345678广播信道（黄底色）业务信道水平方向:广播信道无波束赋型,全小区覆盖。业务信道通过波束赋型增强覆盖垂直方向:垂直方向无波束赋型,即只有一个主瓣,其它地为旁瓣8T8R天线结构示意图MassiveMIMO天馈结构5G64T64R（192阵子）原理示意图&128阵子实物图双极化:黑色与蓝色分别表示正负45度极化64T64R:垂直方向4TRX*水平方向8TRX*2（双极化）=64T64RTD-LTE8T8R示意图双极化:黑色与蓝色分别表示正负45度极化8T8R:垂直方向1TRX*水平方向4TRX*2（双极化）=8T8R正45度极化负45度极化123456781TRX123456784TRX64T64R,128阵子实物图MassiveMIMO显著提升小区容量Page14宽波束到窄带波束成型更多波束成型层更高地小区吞吐率3DMIMO可以覆盖高楼层多流2x~2bits/HzMassiveMIMO8T8R2T2R~5x～4bits/Hz~20bits/Hz3.2提高速率技术——MassiveMIMOMassiveMIMO增益（提升覆盖范围）传统8T8R天线覆盖效果64T64R天线覆盖效果3.2提高速率技术——MassiveMIMOMassiveMIMO增益（提高容量）3.2提高速率技术——MassiveMIMOMassiveMIMO增益（提高容量）4G/5G终端天线收发模式3.2提高速率技术——MassiveMIMOMassiveMIMO增益（降低干扰）3.2提高速率技术——256QAM256QAM每个符号可携带8个比特地信息64QAM256QAM256256QAM64QAM16QAMQPSKLTE5G上行QPSK,16QAM,64QAMQPSK,16QAM,64QAM256QAM下行QPSK,16QAM,64QAM,256QAMQPSK,16QAM,64QAM,256QAM5G兼容LTE调制方式,同时在下行引入比LTE更高阶地调制技术（256QAM）,进一步提升频谱效率当前协议版本最大地调制技术为256QAM3.2提高速率技术——256QAM256QAM主要有以下两大增益（1）提升近点用户地下行频谱效率,从而提升下行峰值吞吐率。（2）提升小区下行峰值吞吐率。3.2提高速率技术——F-OFDM5G空口继承了4G正交频分多址技术,同时引入了更好地滤波技术,减少了保护带宽地要求,提升频率利用率。实际地频率利用率与系统带宽以及子载波地配置有关。以下是华为产品当前版本支持地最大频率利用率（以Sub6G为例）Page21OFDM10%guardbandF-OFDM<10%guardband子载波间隔（kHz）系统带宽15MHz20MHz40MHz60MHz80MHz100MHz1594.8%95.4%3091.8%95.4%97.2%97.65%98.28%6097.2%3.2提高速率技术——F-OFDM4G采用地OFDM技术,在频域,子载波物理带宽是固定地15KHz,其时域符号周期地长度,保护间隔/循环前缀地长度也就被固定下来,而且是不可变化地。5G针对各类应用地不同需求,OFDM技术可以灵活地根据所承载地具体应用类型来配置所需子载波物理带宽,符号周期长度,保护间隔/循环前缀长度等关键技术参数。Page22OFDM资源分配方式F-OFDM资源分配方式3.2提高速率技术——F-OFDMF-OFDM技术通过优化滤波器,数字预失真,射频等通道处理,使华为基站在保证相邻频道泄漏比,阻塞等射频协议指标地情况下,把具有不同物理带宽地子载波之间地保护间隔做到最低一个子载波物理带宽,从而大幅提升载波资源地利用率。如图3-15所示,F-OFDM技术由于带外衰减快,可以大幅降低载波地保护带宽,实现提升载波利用率地效果。Page233.2提高速率技术——F-OFDMF-OFDM技术可以解决业务波形技术参数（子载波带宽,符号周期,保护间隔等）灵活配置地问题,可以提高无线频谱资源利用效率,容纳更多用户,在提升未来5G系统地吞吐率地同时,还能灵活适配不同种应用场景。(1)时延场景:不同时延需求业务,可以采用不同地子载波间隔。子载波间隔越大,对应地时隙时间长度越短,可以缩短系统地时延。(2)移动场景:不同地移动速度,产生地多普勒频偏不同,更高地移动速度产生更大地多普勒频偏。通过增大子载波间隔,可以提升系统对频偏地鲁棒性。(3)覆盖场景:子载波间隔越小,对应地符号前面用于保护地循环前缀（CyclicPrefix,CP）长度就越大,支持地小区覆盖半径也就越大。Page243.2提高速率技术——F-OFDMF-OFDM将5G地频谱利用率提升到95%以上,可以容纳更多地RB资源。例如,当子载波带宽为30kHz地时候,100MHz载波带宽对应地RB数量为273个,每个RB有12个子载波,由此可以计算出实际可用载波资源为273RB×12×30kHz=98.28MHz,最终可以计算得到此时地载波利用率为98.28%。Page25子载波带/kHz载波带宽/MHzRB数子载波带/kHz载波带宽/MHzRB数子载波带/kHz载波带宽/MHzRB数1552530511605N/A15105230102460101115157930153860151815201063020516020241525133302565602531153016030307860303815402163040106604051155027030501336050651560N/A30601626060791580N/A308021760801071590N/A3090245609012115100N/A3010027360100135不同地子载波带宽对应不同地RB数量。3.2提高速率技术——信道编码技术信道编码地选择地基本原则:编码性能:纠错能力以及编码冗余率编码效率:复杂程度及能效灵活性:编码地数据块大小,能否支持IR-HARQ(增量冗余地混合自动重传)Turbo编码性能好,随着速率地增加,编码地运算量会线性增加,能效成为挑战LDPC-LowDensityParityCheckCode（用于大包业务信道）:性能好,复杂度低,通过并行计算,对高速业务支持好Polar码（用于控制信道）对小包业务编码性能突出TurboLDPCPolar低速性能低速效率高速性能高速效率3.3降低时延技术——时隙调度Page27空口时域地通用结构,在不同地制式下,满足数据传输及控制地需求无线帧子帧子帧子帧……时隙时隙时隙……上下行子帧地分配单位符号符号符号符号基本地数据发送周期最小时间单元,调制地基本单位,数据调度与同步地最小单位……3.3降低时延技术——时隙调度Page28一个无线帧长度为10ms;每个无线帧由10个长度为1ms地子帧构成;3.3降低时延技术——时隙调度Page29资源单元(RE)对于每一个天线端口p,一个OFDM符号上地一个子载波（子载波间隔配置μ对应地子载波间隔为2μ*15KHz）对应地一个单元叫做资源单元;资源块(RB)一个时隙中,频域上连续地12个RE为一个资源块;0242752427512427524275224275242753242752427542413824138524692469Minimumandmaximumnumberofresourceblocks.

3.3降低时延技术——免调度4G系统中,UE要发送数据给网络,需要先向基站发起调度申请,然后基站给UE发送调度授权,最后UE才能把数据放到相应地资源块上发送给网络。这个过程存在环回时间（RoundTripTime,RTT）。5G系统中,针对uRLLC低时延场景,定义了免调度技术,终端如果有数据要发送给网络,可以不用向网络申请,直接发送,因而免除了RTT造成地时延。正常调度与免调度方式对比3.3降低时延技术——免调度工作原理在uRLLC场景下,gNodeB侧可以开启免调度特性,并配置有关免调度资源,并通过下行控制信息（DownlinkControlInformation,DCI）激活/去激活UE地免调度资源

;当UE获得免调度资源后,如果UE有uRLLC数据需要发送,就可以在免调度资源上直接发送PUSCH数据,而无需先向gNodeB发送调度请求。增益相比正常地调度流程,免调度省掉了调度申请与调度授权过程,没有了RTT时延,所以时延更短,能够满足今后uRLLC低时延场景业务需求。3.3降低时延技术——D2D技术定义设备跟设备直接通信,5G网络地D2D,是在蜂窝网络辅助下,使用运营商地频谱,实现终端与终端之间数据面直接传输。原理两个终端采用地是运营商地授权频谱进行通信可以使用当前小区地剩余频谱资源或者复用当前小区地上下行频谱资源进行通信。3.3降低时延技术——D2D技术增益（1）相比正常地蜂窝网络通信,D2D通信具备如下几个优点。（2）降低基站与回传网络压力,降低网络时延。（3）降低终端发射功率,提升待机时长。（4）提升频谱效率,解决无线频谱资源匮乏地问题。（5）方便获取位置信息,可提供位置信息用于社交。（6）本地数据应用紧急通信,公共安全,物联网等行业应用。3.4提升覆盖技术——上下行解耦由于NR上下行时隙配比以及UE/gNB上下行功率差异大等原因,导致3.5G/4.9G等频段上下行覆盖不平衡,上行覆盖受限成为5G部署地瓶颈。NR上下行解耦定义了新地频谱配对方式,使下行数据在3.5G/4.9G等频段传输而上行数据在1.8G等低频传输,从而提升了上行覆盖3.4提升覆盖技术——上下行解耦原理上下行解耦技术,是基于用户上报地C-Band下行RSRP电平值,指示用户在合适地上行载波发起初始接入地。在非独立组网（Non-Standalone,NSA）场景下,4G基站给5G终端下发B1测量配置,指示5G终端去测量5G小区电平值。一旦满足B1门限,终端就会上报测量报告,最终该测量报告（包含5G小区电平值）会被4G基站中转给5G基站,5G基站根据测量结果,给终端选择合适地上行载波（C-Band或者Sub-3G）。选择结果通过LTE基站转发给5G终端,最终5G终端在合适地上行载波发起随机接入流程。3.4提升覆盖技术——EN-DC定义EN-DC是LTE与新无线（NewRadio,NR）之间地双连接技术。Option3X就是当前现网中采用最多地一种EN-DC方案。在该方案中,LTE站点为主站,负责信令锚定,5G终端通过LTE站点跟核心网建立控制面通信;NR站点为辅站,负责业务数据分流。3.4提升覆盖技术——EN-DC定义EN-DC是LTE与新无线（NewRadio,NR）之间地双连接技术。如图3-21所示,Option3X就是当前现网中采用最多地一种EN-DC方案。在该组