现代接入网技术（第 2 版）课件 第9章广域网接入技术

第9章广域网接入技术

9.1概述9.25G接入技术9.3NB-IoT9.46G技术9.5SDN、NFV在接入网中的应用9.6人工智能（AI）在接入网中的应用方向9.1概述宽带无线接入是信息和通信技术（InformationandCommunicationTechnology，ICT）领域的一个非常重要的分支，它能够有效地利用无线频率资源为用户提供方便、快捷的高速无线数据服务。宽带无线接入技术是推动移动互联网及智能终端爆发式增长的关键驱动力，而移动互联网及智能终端的快速发展也会推动宽带无线接入技术的快速发展。

经过几十年的飞速发展，移动通信已发展成应用最普及的信息通信技术，全球渗透率接近100%。目前，移动通信已经融入社会生活的每个角落，深刻地改变了人们的沟通、交流乃至生活方式。与此同时，全球移动通信产业也突飞猛进，不仅创造出数万亿元规模的市场规模，还推动了移动互联网和智能终端的飞速发展，成为推动国民经济发展和提高社会信息化水平的重要引擎。9.1.1国际移动通信发展历程移动通信领域一直保持着每10年出现新一代技术的规律。从1979年第一台模拟蜂窝移动电话系统试验成功至今，移动通信已经经历了5个时代，每一代移动通信系统的诞生都有其特定应用需求，并且不断采用创新技术推动整体性能的快速提升。第1代移动通信（1G）出现在20世纪80年代，首次采用蜂窝组网方式，能够为用户提供模拟语音业务，但其业务能力和系统容量都十分有限，而且价格昂贵。大约10年之后，第2代移动通信（2G）诞生，2G首次采用了数字移动通信技术，不仅能够提供高质量的移动通话，而且能够同时支持短信息和低速数据业务，并使得移动通信成本大幅下降，成为普通老百姓用得起的技术。2000年左右，在互联网浪潮的推动下，第3代移动通信（3G）应运而生，3G的数据传输速率可达2Mbit/s至数十Mbit/s，能够支持视频电话等移动多媒体业务。此后，随着移动互联网和智能终端的爆发式增长，3G的传输能力越来越不能满足需求。2010年左右，第4代移动通信（4G/LTE）技术出现，其峰值数据传输速率可达100Mbit/s，能够支持各种移动宽带数据业务，可以较好地满足移动互联网发展的需求。2015年6月，ITU正式确定了5G名称、场景和时间表；WRC15会议则讨论并归纳了可能的频谱资源；3GPP也于2015年年底启动了5G的标准化工作，并在2018年完成了第一个正式版本的独立组网5G标准（3GPPR15）。5G是面向新的移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，5G系统的最大改变就是可实现人与物、物与物之间的通信。2019年11月，全球首份6G白皮书《6G无线智能无处不在的关键驱动与研究挑战》发布。。2015年6月，ITU正式确定了5G名称、场景和时间表；WRC15会议则讨论并归纳了可能的频谱资源；3GPP也于2015年年底启动了5G的标准化工作，并在2018年完成了第一个正式版本的独立组网5G标准（3GPPR15）。

9.1.2我国移动通信发展情况2019年6月6日，工业和信息化部分别向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放了5G商用牌照，中国广电成为第四大基础电信运营商。5G商用牌照的发放，标志着我国正式进入5G时代。我国要力争在5G的国际标准化领域发挥主导作用，从5G设备、芯片、解决方案、终端等5G基础技术开发，到汽车及铁路等移动领域的应用，展示了综合性的愿景。2023年12月5日，中国6G推进组首次对外发布了6G核心方案，预计2030年左右，6G将实现商用。

9.1.3NB-IoT出现随着智能城市、大数据时代的来临，无线通信将实现万物连接。很多企业预计未来全球物联网连接数将是千亿级的时代。目前，已经出现了大量物与物的互联，然而这些互联大多通过蓝牙、Wi-Fi等短距离通信技术实现，并非通过运营商移动通信网络。为了满足不同的物联网业务需求，根据物联网的业务特征和移动通信网络的特点，3GPP根据窄带业务应用场景开展了增强移动通信网络功能的技术研究，以适应蓬勃发展的物联网业务需求。我们正进入万物互联的时代，这对于整个移动通信产业来说是一个巨大的机会，这一点在2016年的世界移动大会上展露无遗。无论是运营商，还是设备商巨头，都纷纷展示了完整的物联网解决方案和在不同垂直行业的应用。

9.25G接入技术4G接入技术的速率虽然比3G更快，但现阶段的速率提升不过19倍左右，应用模式也没有根本性的变化，其实并没有给用户带来太深刻的感受。但是，5G的综合性性能将会比4G提升千倍，在这种超高速移动通信网咯的支撑下，将会诞生许多全新的应用，会彻底改变移动互联网的生态，将是移动通信的一场革命。5G的数据传输速率将高达10Gbit/s，5G的入网设备将会大幅度增多，“万物互联”会成为5G的时代特征。智能家居、智能汽车、智能交通等，智能移动互联网将彻底改变我们的生活方式。5G的最大特点并不是网速的进步，而是移动互联网、智能传感器、大数据技术三者结合产生的爆炸效应，这将是对传统工业和互联网的一次颠覆性革命。9.2.25G的技术路线5G技术愈发成熟，在全球范围内实现了越来越广泛的覆盖，其应用场景也从早期的以增强移动宽带（eMBB）为主，拓展到超可靠低时延通信（URLLC）、大规模机器类通信（mMTC）。在频谱资源利用上，5G持续向更高频段拓展。除了此前探索的毫米波频段，太赫兹（THz）频段的研究与应用也取得突破性进展。在传输技术方面，全双工技术通过在同一频率上同时进行收发，可使频谱效率翻倍，有效缓解高流量场景下的网络拥堵问题。5G核心网的服务化架构（ServiceBasedArchitecture，SBA）持续深化，网络功能的颗粒度更细，可根据不同行业应用的需求，实现更灵活的组合与部署。9.2.35G的关键技术

1．毫米波技术毫米波常用在雷达和卫星领域中，一般不用于移动通信领域，其主要原因是随着波长的变短，无线电波传播的直线性会增强。2．微基站技术基站微型化会使设备密度增大，为避免产生基站之间的频谱互扰现象，基站的辐射功率应降低。这会使得手机的远近效应不再明显，手机开机时的功率控制步骤会简化，而且手机的辐射功率也会减小，在相同能量的情况下，待机时间会延长。3.大规模MIMO大规模MIMO其实就是基站与手机之间有多路信道并行通信，每队天线都独立传送一路消息，经汇集后可成倍的提高速率。4．波束赋形技术充分利用空间的无线电波束赋形技术是一种空间复用技术，可以大幅增大基站的服务容量。5.M2M技术M2M是机器多机器通信或人对机器通信的简称，主要指通过移动通信网络传递信息从而进行机器与机器或人与机器的数据交换，实现机器之间的互联互通。6．D2D技术D2D（终端到终端通信）是在系统的控制下，终端之间通过复用小区资源直接进行通信的一种技术，这种技术无须基站转接，可直接实现数据交换或服务提供。

1．室外广域覆盖

室外广域覆盖是移动通信系统最基本的覆盖方式，即为移动用户提供连续的、无缝的移动业务，以用户的移动性和业务的连续性作为基本目标。

9.2.45G无线网络典型覆盖场景

2.室内热点覆盖室内热点覆盖主要指在城市区域的高档写字楼、星级酒店、大型商务娱乐游乐场等，以提供高速数据传输和大流量密度为目标。3．低功耗数据采集低功耗数据采集是4G向5G演进过程中心拓展的场景，主要针对基于大数据、云计算、智慧城市、智慧农业、智慧水务、森林防火等的以传感和数据采集为目标的应用需要。4.低时延物联网控制低时延物联网控制也是5G新拓展的场景，主要针对基于工业4.0的应用需求，如无人驾驶汽车、无人工厂等。9.2.55G无线网络的关键性能指标1．移动性移动性是移动通信系统的重要性能指标，是指在满足一定系统性能的前提下，通信双方的最大相对移动速度。2．时延时延采用OTT或RTT来衡量，OTT是指发送端发送数据到接收端接收数据的时间间隔，RTT是指从发送端发送数据开始到发送端收到来自接收端的确认信息的时间间隔。3．用户感知速率5G时代将构建以用户为中心的移动生态信息系统，首次将用户感知速率作为网络的性能指标。4.峰值速率峰值速率是指用户可以获得的最高业务速率，相比4G网络，5G网络移动通信系统将进一步提升峰值效率，可以达到数十Gbit/s。5.连接数密度5G时代存在大量的物联网应用需求，要求网络具备超千亿台设备的连接能力。6.流量密度流量密度是指单位面积内的总流量数，用来衡量移动通信网络在一定区域范围内的数据传输能力。7．能源效率能源效率是指每消耗单位能量可以传输的数据量。在移动通信系统中，能源消耗主要指基站和移动终端的发送功率，以及整个移动通信系统设备所消耗的功率。

9.2.65G无线网络架构的设计原则1．高度的智能性实现承载和控制相分离，支持用户面和控制面独立扩展与演进，基于集中控制功能，实现多种无线网络覆盖场景下的无线网络智能优化和高效管理。2．网元和架构配置的灵活性物理节点和网络功能解耦，重点关注网络功能的设计，物理网元配置则可灵活采取多种手段，根据网络应用场景进行灵活配置。3．建设和运维成本的高效性5G无线网络的建设和运维成本是一个庞大的数目，只有在成本方面具有高效性的设计方案才能得到商用，成本目标是5G无线网络架构设计过程中首要考虑的目标。根据5G无线网络架构设计原则，在实际5G无线网络架构设计过程中，需要依次考虑5G无线逻辑架构、5G无线部署架构两个层面。5G无线逻辑架构是指根据业务应用特性和需求，灵活选取网络功能集合，明确无线网络功能模块之间的逻辑关系和接口设计。5G无线部署架构是指从5G无线逻辑架构到物理网络节点的映射实现。9.2.75G无线网络架构的设计方案5G无线网络架构是一个多拓扑形态、多层次类型、动态变化的网络，具有连接形态多样化、平台多样化、承载方式多样化、拓扑结构多样化等特点。1．连接形态多样化在5G无线网络架构中，无线设备节点连接形态将兼容多种形式，包括链状连接（如中继通信Relay、RRU基站级联）、网状连接（如基站设备之间的连接）、伞状连接（如一个BBU与多个RRU的连接）、点对点连接（如基站与物联网关的连接）、D2D直通终端之间的连接等。2．平台多样化在5G无线网络架构中，将增加各种新型网关、终端，设备平台能力将更加多样化。根据功能的不同，5G无线设备包括BBU+RRU分布式基站、室外一体化基站、室内微基站、承载用户和控制功能的各种网关设备等。根据设备平台能力的不同，5G无线设备可分为专业平台设备和虚拟化平台设备。根据功率的不同，5G无线设备可分为大功率的BBU+RRU分布式基站、小功率微基站、RRU视频模块、超小功率的物联网传感节点、智能终端等。根据与用户距离的不同，5G无线设备可分为智能终端、聚合网关、无源天线、有源天线、小功率微基站、射频拉远模块RRU、BBU资源池基站等。3．承载方式多样化在5G无线网络架构中，传输承载技术更加多样化，不同的传输承载技术将用在不同的网络场景中。根据承载介质的不同，传输承载包括无线承载和有线承载。无线承载技术具有应用灵活、成本较低、建设周期短等优点，但也存在带宽有限、干扰较大等缺点。有线承载技术具有稳定性好、带宽较大等优点，但也存在建设成本高、建设周期长等缺点。5G无线网络架构设计方案往往会综合考虑多种承载技术。4．拓扑结构多样化随着5G无线网络采用的频段向更高的频段发展，以及多种新型接入技术的商用和低功率即插即用基站的部署，5G无线网络架构将呈现出更好的灵活性，在同一地点的不同时间段会存在较大差异的网络架构和节点间的层级关系。9.3NB-IoT5G、eMTC、NB-IoT、LoRa的比较NB-IoT系统预期能够满足在180kHz的传输带宽下支持覆盖增强（提升20dB的覆盖能力）、超低功耗（5W·h电池可供终端使用10年）、巨量终端接入（单扇区可支持50000个连接）的非时延敏感（上行时延可放宽到10s以上）的低速业务（单用户上行、下行速率至少为160bit/s）需求。NB-IoT的网络架构NB-IoT的部署方式（1）独立部署，即Stand-alone模式，利用独立的频带进行部署，与LTE频带不重叠。（2）保护带部署，即Guard-band模式，利用LTE频带中的边缘频带进行部署。（3）带内部署，即In-band模式，利用LTE频带进行部署。NB-IoT的组网框图NB-IoT的应用特点1．低速率2．高时延3．低频次4．移动性弱应用场景（1）智慧市政，水、电、气、热等基础设施的智能管理。（2）智慧交通，交通信息、应急调度、智能停车等。（3）智慧环境，水、空气、土壤等的实时监测控制。（4）智慧物流，集装箱等物流资源的跟踪与监测控制。（5）智慧家居，家居安防等设备的智能化管理与控制。9.46G技术2025年，全球6G已进入技术研发与标准化推进并行的关键阶段，中国在核心技术突破与标准话语权争夺中表现突出。在标准制定方面，3GPP于3月正式启动6G整体标准化研究，2025年6月推进至RAN（无线接入网）第一阶段研究，重点聚焦ITU定义的沉浸式通信、通感融合等核心场景.。场景验证与产业生态建设同步加速，为技术落地奠定坚实基础。

（1）更高的频段：6G可能会使用比5G更高的频率，包括毫米波（mmWave）、太赫兹（THz）甚至光频段，以实现更高的数据传输速率。（2）更大的带宽：通过利用更高的频段和先进的多址接入技术，如空时编码和空间调制，6G可以提供更大的带宽和容量。（3）超低延迟：6G的目标之一是将延迟降低到微秒级，这对于实现实时交互应用和服务至关重要。（4）大规模连接：6G旨在支持每平方千米百万级别的设备连接，这将极大地扩展物联网的应用范围。（5）分布式智能网络：6G可能会采用分布式的网络架构，使智能应用程序能够嵌入整个网络，并实现智能管理和控制。（6）服务化网络架构：6G可能基于服务化的理念，使网络能够灵活地提供各种按需服务。9.4.16G网络的技术特征

（7）智慧内生：6G网络将具备更强的自学习和自适应能力，可以根据用户需求和环境变化动态优化网络性能。（8）安全内生：网络安全将成为6G网络的核心特性，采用内置的安全机制来保护用户隐私和数据安全。（9）数字孪生：6G网络可能会结合数字孪生技术，为物理世界创建精确的虚拟模型，以进行预测、模拟和优化。（10）灵活的网络架构：6G网络架构将更加灵活，能够根据不同的应用场景和需求进行快速调整和重构。（11）能量效率：6G可能会采取节能措施，如在无线链路中实现每比特低于1nJ的能耗。（12）空天地一体化：6G网络将覆盖天、地、海、空的所有区域，实现真正的立体通信网络。9.4.16G网络的技术特征（1）太赫兹技术‌：太赫兹波段（0.1～10THz）具有极高的频率和带宽，能够提供极高的数据传输速率和低延迟。太赫兹技术在6G中具有重要作用，能够支持1TB/s的数据吞吐量。（2）通信感知一体化‌：将通信和感知功能结合，通过无线信号进行数据采集和实时分析，实现高精度的定位、成像、动作识别和环境重构等。（3）‌超大规模多输入多输出（MIMO）‌：通过使用大量天线来提高系统频谱效率和扩大覆盖范围，支持超级无线宽带和通信感知融合等典型场景。（4）新型波形技术‌：针对高频段、高速移动场景和天地一体化等新特征，探索新的波形技术，以满足6G的新需求。（5）智能超表面（RIS）‌：通过控制信号的反射和折射，增强信号强度和扩大覆盖范围，适用于高密度和多用户环境。9.4.26G的关键技术9.4.26G的关键技术（6）全息无线电‌：通过光、电和超表面融合的新架构，实现空-时频全维复用，满足6G的超大容量需求。（7）轨道角动量（OAM）‌：利用涡旋波束提升频谱效率和传输容量，支持宏微基站大容量回传链路和高速近场通信。（8）新频谱技术‌：包括多输入多输出（MIMO）、智能超表面（RIS）和全双工等技术，结合新频谱技术提供无处不在的覆盖范围。（9）人工智能与机器学习网络‌：AI和ML（机器学习）技术在6G中无处不在，用于网络优化、负载平衡和移动性管理，可提升网络性能和用户体验。（10）‌新型网络拓扑结构‌：探索新型网络拓扑结构，以适应各种网络需求，降低成本和缩短服务时间。9.436G技术的应用场景1．超级无线宽带超级无线宽带是增强移动宽带（eMBB）的演进和扩展，将极大提升以人为中心的沉浸式通信体验，并且可在全球任意地点实现无缝覆盖。典型的应用场景包括沉浸式XR、通感互联、全息通信等。

2．超大规模连接在5G海量物联网通信（mMTC）基础上，超大规模连接对象将包括部署在智慧城市、智慧生活、智慧交通、智慧农业、智能制造等场景的各类设备，典型应用包括远程抄表、环境监测、智能灯杆互联等。3．极其可靠通信极其可靠通信将在低时延、高可靠通信（uRLLC）的基础上进一步增强能力。典型的应用场景包括智能化工业领域的机器人协作、无人机群和各种人机实时交互操作，智能交通系统中的全功能自动驾驶，精准医疗中的个性化“数字人”及远程医疗手术。4．通信感知融合通信感知融合是6G的新增典型场景，感知和通信的集成将提供高精度定位、环境重构、成像等多元化能力，极大地满足了超高分辨率和精度的应用需求，如超高精度定位、高分辨率实时无线地图构建、基于设备甚至无设备的被动目标定位、环境重建和监控、手势和动作识别、产品缺陷监控等。典型应用包括多维感知5．普惠智能服务普惠智能服务是6G新增的典型场景，依托网络对需要进行高效分布式智能学习或推理的智能化服务提供集成化的通信和AI算力。它不仅服务于特定应用，还将服务于未来整个通信系统，提高网络整体的性能和效率。该场景的典型应用包括数字孪生、数据训练和推理过程中的图像识别、生成和预测，执行复杂任务的机器人协作，以及智能交互中人类和机器之间的知识传递与技能模式学习。典型应用包括智慧交互场景。9.5SDN、NFV在接入网中的应用1．网络架构灵活性与流量调度软件定义网络（SDN）通过控制平面与转发平面的解耦，实现对接入网资源的集中化、精细化管控。2．Overlay（叠加网络或覆盖网络）方案与网络虚拟化国内厂商多采用基于Overlay的SDN方案，在保留传统网络设备自主转发能力的同时，通过虚拟化层实现跨物理设备的统一管理。该方案支持多租户隔离和灵活的业务编排，适用于大规模接入网场景（如数据中心双栈架构），满足IPv4/IPv6双栈兼容需求‌。3．接入设备白盒化与成本优化SDN推动接入网设备（如交换机、OLT）向白盒化转型，通过标准化接口和开源协议（如OpenFlow）降低硬件依赖。

9.5.2NFV在接入网中的应用虚拟化网络功能（VNF）部署NFV（网络功能虚拟化）将传统专用硬件设备（如用户驻地设备、防火墙）虚拟化为软件实例，运行于通用服务器上。2．网络切片与业务敏捷性NFV结合SDN可实现接入网切片，为不同业务（如高清视频、物联网）提供定制化网络服务。3．服务链编排与自动化运维NFV支持服务链（ServiceChaining）技术，将安全、负载均衡等网络功能按需串联。结合SDN的流量调度能力，可自动配置接入网服务路径，减少人工干预，提升运维效率。

9.5.3SDN与NFV的协同效应1．统一控制与云化集成SDN提供网络可编程能力，NFV实现功能虚拟化，将两者结合可构建“云网协同