移动通信：端到端5G系统基础 课件 第1-5章 移动通信物理层技术-5G核心网

第一章移动通信物理层技术移动通信-端到端5G系统基础课件第一章移动通信物理层技术§1.1移动通信的电波传播衰减模型§1.2数字调制技术§1.3纠错编码和复用分集1.1移动通信的电波传播衰减模型§1.1.1自由空间传输的衰减模型§1.1.2地形地物传输的衰减经验模型移动通信-端到端5G系统基础1.1

移动通信的电波传播衰减模型在自由空间中的移动通信电波传输是指接收端周围是无限大的真空的电波传播，这种传播方式是在理想条件下的无线电波传播.没有障碍物和任何衰减因素，衰减随着距离的增加而增加，与频率无关。接收和发射天线的增益大小为0dB时,其损耗Lfs为：——自由空间传输的衰减模型1.1移动通信的电波传播衰减模型——地形地物传输的衰减经验模型1、地形分类及定义为计算移动信道中信号电场强度中值，将地形分为两大类：中等起伏地形：指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。以中等起伏地形做传播基准。不规则地形：其他形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形统称为不规则地形2、地物分类开阔地：电波传播路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面。如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等郊区：在靠近移动台附近有些障碍物但不稠密，如少量低层房屋或小树林等市区：有较密集的建筑物和高层楼房1.1移动通信的电波传播衰减模型——地形地物传输的衰减经验模型常用的几种室外电波传播损耗预测模型Hata模型广泛使用的一种适用于宏蜂窝的中值路径损耗预测的传播模型。根据应用频率的不同，又分为Okumura-Hata模型COST231Hata模型，CCIR模型LEE模型COST231Walfisch-Ikegami模型

1.1移动通信的电波传播衰减模型——地形地物传输的衰减经验模型显著特点室内覆盖面积小得多收发机间的传播环境变化更大影响因素建筑物的布局建筑材料建筑类型常用的几种室内传播模型对数距离路径损耗模型Ericsson多重断点模型衰减因子模型常用的几种室内电波传播损耗预测模型1.2数字调制技术§1.2.1一维调制(ASK,PSK,FSK)§1.2.2正交幅度调制(QAM)§1.2.3调制技术的信噪比-误码率推导移动通信-端到端5G系统基础1.2数字调制技术————一维调制(ASK,PSK,FSK)移幅键控ASK原理图移幅键控调制（AmplitudeShiftKeying，记为ASK），同时它也被称为“振幅键控“。它是众多数字调制技术的一种。它通过改变载波的振幅来传递信息。在2ASK中，数字信号的两种状态——“0”和“1”——分别对应于载波的关闭和开启。优点：设备结构简单，功耗低。缺点：带宽通常较低，数据传输慢ASK1.2数字调制技术————一维调制(ASK,PSK,FSK)PSK信号生成过程PSK相移键控（PSK），英文为PhaseShiftKeying，是一种利用模拟载波的相位来表示数字二进制数据的数字调制技术。载波相位根据二进制输入（1或0）而变化。数字1，0分别用初始相位为0和π的等幅载波，称为二进制绝对相移键控，所以二进制PSK分为绝对相移键控和相对相移键控。优点：有效地通过射频信号传输数据，不容易出错。缺点：检测BPSK信号复杂，多级PSK调制过敏感易导致幅度的变化。1.2数字调制技术频移键控（FSK）是一种利用频率变化来传输数字信息的调制技术。二进制FSK（2FSK）中，数字信号的两个状态——“1”和“0”——分别由两个不同频率的振荡源F1和F2表示。当数字信号为“1”时，振荡源输出频率F1；当数字信号为“0”时，输出频率F2。其解调方法有包络检波法、相干检测法、差分检测法、过零检测法、鉴频法等。————一维调制(ASK,PSK,FSK)FSK数字键控法实现FSK信号1.2数字调制技术正交幅度调制（QAM）结合振幅键控（ASK）和相位键控（PSK）的特点，能够在相同的频带宽度内传输更多的数据。两个基带信号:一个用于控制振幅，另一个用于控制相位。分别调制到两个频率相同但相位相差90度的载波上。————正交幅度调制(QAM)QAMQAM信号调制1.2数字调制技术在MPSK调制中，如果允许幅度可以随着相位的变化而变化，就可产生一种新的调制方式——M维正交振幅调制（QAM）。注意M维正交振幅调制（QAM）中符号位的能量值并不是恒定的，各符号之间的间距也不是相等的。————正交幅度调制(QAM)M维正交振幅调制（QAM）1.2数字调制技术————正交幅度调制(QAM)1.2数字调制技术————正交幅度调制(QAM)1.2数字调制技术————调制技术的信噪比-误码率推导1.2数字调制技术————调制技术的信噪比-误码率推导发送端产生的FSK信号可表示为：

接收机收入端合成波形为：

接收端上、下支路两个带通滤波器BPF1、BPF2的输出波形分别为：

1.2数字调制技术————调制技术的信噪比-误码率推导

考虑到这里的噪声为窄带高斯噪声则：发送“1”符号，则上下支路低通滤波器输出分别为：1.2数字调制技术————调制技术的信噪比-误码率推导

将造成发送“1”码而错判为“0”码，错误概率为：其一维概率密度函数可表示为：1.2数字调制技术————调制技术的信噪比-误码率推导

同理可得，发送“0”符号而错判为“1”符号的概率为

于是可得2FSK信号采用同步检测法解调时系统的误码率为：在大信噪比条件下，上式可近似表示为1.3纠错编码和复用分集§1.3.1纠错编码技术§1.3.2复用技术§1.3.3分集技术移动通信-端到端5G系统基础1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术纠错编码（ErrorCorrectionCoding,ECC）是一种有效的差错控制方法，它允许接收端不仅检测出错误，还能够在一定程度上自动纠正这些错误，从而提高数据传输的准确性和系统的整体性能。常用的检错码有分组代码、循环码、里德-所罗门码(此处未涉及)、卷积码、低密度奇偶校验编码（LDPC）网格编码调制（TCM）以及涡轮码等。1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术线性分组码信息被分成长度为k的块r个奇偶校验位或校验位被添加到每个块(总长度n=k+r)码率R=k/n解码器寻找最接近接收向量(代码向量+误差向量)的码字之间的权衡效率可靠性编码/解码复杂度模2加法1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术循环码它是一种分组码，使用移位寄存器进行编码和解码，n比特的码字表示为:c(x)=c1xn-1+c2xn-2……+cn其中每个系数ci(i=1，2，..n)是1或0码字可以由数据多项式m(x)和校验多项式cp(x)表示为c(x)=m(x)xn-k+cp(x)其中CP(x)=m(x)xn-k除以生成器g(x)的余数如果接收的信号是c(x)+e(x)，其中e(x)是误差为了检查接收的信号是否是无差错的，获得c(x)+e(x)除以g(x)的余数(校正子)。如果这是0，则接收的信号被认为是无错误的，否则从已知的错误校正子中检测到错误模式InputOutputCD1D2D1,D2-Registers1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术卷积码最广泛使用的信道代码信息流而不是信息块的编码解码主要由维特比算法执行(这里不涉及)卷积码的约束长度K定义为K=M+1，其中M是任何移位寄存器中的最大级数码率r定义为r=k/n，其中k是并行信息比特的数量，n是一个时间间隔内并行输出编码比特的数量接下来示出了具有n=2和k=1或码率r=1/2的卷积码编码器1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术状态图01/001/111/111/01110/100/000100110/000/11.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术树形图00110010011111001001100100111110010011000101101011000110011011一0…11001…1011110111首次输入首次输出0100……1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术网格图…11001000000000000000000000010101010101001010101010111111111111111101111010101010101011111111111101010000000101010…1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术LDPC(低密度奇偶校验)码是一类线性分组码。术语“低密度”指的是奇偶校验矩阵的特征，与“0”相比，它只包含很少的“1”。LDPC码可以说是目前存在的最好的纠错码。R.Galager在1960年的博士论文中首次提出了LDPC码，但由于引入了Reed-Solomon码以及当时技术知识有限的实现问题，该码很快被遗忘。LDPC电码在90年代中期被剑桥大学的R.Neal和D.Mackay重新发现。2001年，非规则LDPC码距离Shannon极限仅0.0045。2016年，LDPC码作为移动宽带（eMBB）业务数据信息的长码块编码方案。终在主流移动通信系统得到商用。我们可以根据M个奇偶校验方程来定义N比特长LDPC码，并用M×N奇偶校验矩阵H来描述这些奇偶校验方程。其中，M–奇偶校验等式的数量，N–码字中的位数。低密度奇偶校验编码（LDPC）1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术性能测度对于LDPC码的性能分析较难困难，一般用密度进化(densityevolution)理论或蒙特卡洛仿真来讨论LDPC码的渐进性能。1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术网格编码调制（TCM）八状态TCM编码（左图）和十六TCM编码（右图）32状态TCM编码它使用网格编码技术来编码数字数据。在网格编码调制中，数据被编码为在网格上移动的符号，其中网格的每个位置表示一个特定的符号或状态。常用于无线通信系统，如无线局域网（WLAN）和蜂窝网络。1.3纠错编码和复用分集————复用技术优化信道使用的核心是实现多个用户信号的同时传输，而不会相互干扰，这在技术上称为“复用”。常见的复用方式包括码分复用（CDM）、时分复用（TDM）和频分复用（FDM）等。正交频分多路复用（OFDM）是FDM的一种高级形式，它通过将子载波间隔设置得非常小，使得这些子载波在时域上相互正交，在频域上相互重叠，从而实现了更高的频谱效率。1.3纠错编码和复用分集————复用技术OFDM最核心的思想是采用并行传输技术降低子路上的传输速率，使得OFDM符号长度比系统采样间隔长得多，从而极大地降低了时间弥散信道引入的符号间干扰(ISI)对信号的影响。不仅如此，OFDM系统还引入循环前缀(CP)来消除时间弥散信道的影响，只要CP的长度大于多径信道的最大时延，就可以完全消除符号间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。OFDM系统原理OFDM系统可以采用IFFT/FFT进行相应的调制和解调操作，使得系统的实现变得非常简单，且具有较低的成本。1.3纠错编码和复用分集————分集技术为了对抗多径信道造成的衰落和延时串扰，将多路不相关的衰落路径传送相同的信号并合并，这就是分集。在各种无线通信系统中经常使用微分集。而微分集又细分为以下六种方式：空间分集：它是无线通信中用于增强信号可靠性和减少衰落影响的一种方法。这种技术利用了在不同地理位置上接收的信号之间的独立衰落特性。由于物理环境中的多径效应，同一信号在不同位置的接收情况可能会有很大差异。如果两个接收点之间的距离足够大，那么在这两个点接收到的信号衰落将是不相关的，这意味着一个点的信号质量差不会影响到另一个点。频率分集：这种技术通过使用不同的频率来传输相同的信息，从而利用了不同频率信号衰落的独立性。在实践中，这意味着需要多个发射机和接收机，每个都工作在不同的频率上。虽然频率分集可以提高信号的可靠性，但它确实需要更多的硬件资源，并且在频谱资源紧张的情况下可能不是最经济的选择。1.3纠错编码和复用分集————分集技术极化分集：这种分集方法基于不同极化方向的电磁波衰落是独立的原理。通过使用不同极化方向的天线，可以在相同的地理位置发送和接收信号，从而实现分集。场分量分集：这种分集方法利用电磁波的电场（E场）和磁场（H场）携带相同信息的特性。由于E场和H场的反射和散射机制不同，它们可以被用来实现分集。这种方法不需要物理间隔，因此特别适合于低频段的应用。角度分集：角度分集是一种有效的无线信号分集技术，它利用信号在空间中的传播特性来提高通信的可靠性。在这种技术中，信号不是沿着单一路径传播，而是通过多个路径，并且以不同的角度到达接收端。时间分集：时间分集是一种巧妙的通信技术，它通过在不同的时间点发送相同的信号来提高信号的可靠性。这种方法的关键在于，每次发送的信号之间有足够的时间间隔，使得信号在不同时间点的衰落可以被认为是统计独立的。这样，即使某一时刻的信号受到了严重的衰落，其他时刻的信号仍然有可能保持较好的质量。1.3纠错编码和复用分集————分集技术多天线技术（MIMO）多天线MIMO技术是在收发两端都采用多天线配置，充分利用空间信息，大幅度提高信道容量的一种技术。多天线分集接收技术也可以算作MIMO的一种特例SIMO，它是一种抗衰落的传统技术。基于多天线发射分集的空时编码可以在不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关，使得在接收端可以进行分集接收，从而大大提高了信号质量。MIMO技术的发展历程1.3纠错编码和复用分集————分集技术MIMO利用在发送端和接收端同时使用多天线来抑制信道衰落，从而大幅度地提高信道容量、抗衰落性能和频谱利用率。首先介绍MIMO的系统模型，如图所示：描述了一个包含nT根发送天线，nR根接收天线，并且采用空时编码的MIMO系统模型。信道响应矩阵为假设总的发射功率为P，每根发送天线上的发射功率相同为

P/nT

。经过无线信道H后，MIMO系统的数学模型可以表示为1.3纠错编码和复用分集————分集技术在接收端处理多个分集信号时，目标是最大限度地减少衰落的影响，确保信号质量。当接收到M(M≥2)个分集信号后，可以采用多种合并技术来实现这一目标。线性合并器是一种常见的方法，它通过将M个独立衰落信号进行加权相加，然后输出合并后的信号。每个信号的权重可以根据其信噪比SNR或其他性能指标来确定，以确保合并后的信号具有最佳的质量。对大多数通信系统而言，可以假设发送端发送的基带信号为s（t），接收到的第m路基带信号为重分集将这些信号叠加：式中αk(t)表示第k支路信号的加权因子。加权因子可以选择3种合并方式，分别是选择合并、最大比值合并和等增益合并，通过加权因子可以改善信噪比。本章习题（共15题）例：1.请指出已调信号的带宽的含义同时回答FM信号带宽如何进行计算？2.请简述PSK调制和FSK调制的区别和联系。3.请介绍调频信号解调时产生的门限效应并解释这种效应是如何产生的？4.请说明信号衰减的定义与影响因素同时指出信号衰减与频率和波长的关系。5.请介绍扩频系统抗干扰容限的定义以及和扩频增益处理增益的关系。谢谢!移动通信-端到端5G系统基础第二章移动技术的发展课件移动通信-端到端5G系统基础第二章移动技术的发展§2.1移动通信系统概述（0G到5G）§2.2移动通信话务理论§2.3移动通信多址技术2.1移动通信系统概述§2.1.1移动系统发展历史§2.1.20G到5G各阶段的发展移动通信-端到端5G系统基础2.1

移动通信系统概述（0G到5G）移动技术的发展历程可以追溯到移动通信的诞生，从最初的模拟通信到如今的数字通信，再到5G及其后续的技术演进，移动技术经历了多个阶段的发展和变革。在移动通信领域，2G时代实现了语音通信的数字化，3G时代实现了移动数据通信的普及，4G时代实现了高速数据传输和移动互联网的爆发式增长，而5G时代则将带来更快的数据传输速率、更低的延迟和更多的连接设备，推动物联网、工业互联网等新兴领域的发展。除了移动通信，移动技术还涵盖了移动互联网技术，如移动应用、移动支付、移动商务等。移动应用已经成为人们日常生活中必不可少的工具，从社交娱乐到工作学习，从健康管理到金融支付，移动应用为人们提供了丰富多彩的服务和便利。移动支付则改变了传统的支付方式，实现了随时随地的便捷支付体验，推动了数字经济的发展和普及。——移动系统发展历史2.1

移动通信系统概述（0G到5G）（1）早期发展阶段：自1897年马可尼的无线通信实验以来，移动通信技术开始逐步发展。这个时期的移动通信系统主要是专用的，工作在较低的频率，如2MHz到30~40MHz。——移动系统发展历史——移动系统发展历史（2）中期发展阶段：1946年，美国贝尔实验室在圣路易斯建立了第一个公用汽车电话网，这标志着从专用移动通信网向公用移动通信网的过渡。这个时期的移动通信系统仍然依赖于人工交换，网络容量有限。（3）改进和完善阶段：在1960到1980这段时间，美国推出了IMTS，德国也推出技术水平相当的B网将移动通信系统推到了新的高度。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）——移动系统发展历史（4）蓬勃发展阶段（1G）：1974年，Bell实验室提出了蜂窝移动通信的概念，这个阶段的移动通信系统，即第一代移动通信系统（1G），主要采用模拟技术和频分多址技术，实际数据速率为2.4KBit/s。与此同时，北欧的NMT、日本的NAMTS和英国的TACS等系统也在同一时期出现。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）——移动系统发展历史（5）数码移动通信发展和成熟时期：在数码移动通信的发展和成熟时期，2G、3G和4G是三个重要阶段，它们各自代表着不同的技术水平和服务特点2.1

移动通信系统概述（0G到5G）——0G到5G各阶段的发展0G是指移动通信技术的最早期阶段，通常指的是无线电话技术。0G技术主要包括以下几种：1.无线电话系统：最早期的移动通信系统，用户通过无线电话设备进行语音通信，但无法漫游或在移动中保持通话。2.汽车电话：早期的移动电话系统，安装在车辆上，通过车载天线连接到固定的基站进行通信。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）0G——0G到5G各阶段的发展1G(第一代移动通信技术)也称为模拟移动通信系统。它是在20世纪70年代末和80年代初推出的，并使用了模拟信号传输语音通信。1G技术的最大特点是它是全球第一个商用移动电话系统，使人们能够在移动时进行语音通信。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）1G——0G到5G各阶段的发展2G（第二代移动通信技术）确实标志着从模拟到数字通信的转变，以数字语音传输为主要特征。它主要支持基本的通话服务和短信服务，但不支持高速数据传输，限制了其在传输电子邮件、网页浏览等方面的能力。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）2G——0G到5G各阶段的发展第二代移动通信（2G）具有以下主要特点：(1)数字化技术:2G采用了数字信号传输技术，与之前的1G模拟信号相比，数字信号传输具有更高的效率和更好的语音质量。(2)全球标准化:2G采用了全球通用的数字通信标准，如GSM（GlobalSystemforMobileCommunications），这使得手机可以在不同国家和地区间进行漫游。(3)数据传输能力提升:2G不仅能够传输语音信号，还能够支持基本的数据传输。(4)安全性提高:与1G相比，2G的数字化技术使得通信更加难以窃听和干扰，因为数字信号更难以被非法获取和解析。(5)增强了移动终端的功能:2G时代的手机不仅可以用于语音通话，还具备了一些基本的数据功能，如短信、通讯录等，从而为移动通信的功能性增加了新的维度。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）——0G到5G各阶段的发展3G(第三代移动通信技术)是一次重大的技术革新，它不仅继承了2G技术的话音传输能力，还引入了数据传输功能。这一进步使得3G能够支持更广泛的无线应用，包括快速方便地接入互联网、视频通话、高清流媒体播放、快速文件下载等。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）3G第三代移动通信系统（3G）具有以下主要特点：(1)宽带数据传输(2)多媒体功能(3)全球漫游(4)互操作性(5)支持更多的应用和服务(6)提高了网络容量和覆盖范围3G移动通信系统仍然不能满足用户要求。主要问题在于：(1)速度和带宽限制(2)网络覆盖不足(3)信号质量问题(4)高功耗和设备成本——0G到5G各阶段的发展4G(第四代移动通信技术)不仅融合了3G的高速数据传输和WLAN的便捷接入，还提供了与高清晰度电视相媲美的视频图像传输质量。这一技术的核心优势在于其高速的数据传输能力，理论上下载速度可达到100Mbps，上传速度也可达到20Mbps.2.1

移动通信系统概述（0G到5G）4G——0G到5G各阶段的发展5G(第五代移动通信技术)是当前最先进的无线通信技术之一。与之前的移动通信技术相比，5G具有更高的数据传输速度、更低的延迟、更大的网络容量和更好的连接稳定性。这使得5G技术能够支持更多的设备连接，提供更快的互联网速度和更广泛的应用场景，如智能城市、自动驾驶、远程医疗等。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）5G——0G到5G各阶段的发展第五代移动通信的特点：(1)高速率：比4G更快的数据传输速度，可实现更快的下载和上传速度。低延迟：减少数据传输时延，提高实时通信的效率。(2)低延迟：减少数据传输时延，提高实时通信的效率。(3)大容量：支持更多设备同时连接，满足大规模物联网需求。(4)高可靠性：提供更稳定的连接，适用于对网络可靠性要求高的应用场景。2.1

移动通信系统概述（0G到5G）2.2移动通信话务理论§2.2.1话务相关的概率、统计理论§2.2.2话务量-呼损率关系推导移动通信-端到端5G系统基础2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

随机变量（RVs）让我们把样本与实验联系起来X是一个将实数与每个数关联的函数sRVs可分为两种类型：离散型或连续型离散随机变量=>概率质量函数（pmf）连续随机变量=>概率密度函数（pdf）1.离散随机变量在现实生活中广泛引用的例子是，投掷硬币后你所得到的结果究竟是正面还是反面。对于离散随机变量X而言,X的pmfp(k)表示随机变量x等于k时的概率,且用下面的函数定义p(k)。p(k)必须满足下面的条件：(l)每种状态发生的概率0≤p(k)≤1，对每个k都成立；(2)所有状态的总和，k包含所有可能值。2.连续随机变量如果随机变量可以取无穷个值,则将随机变量称为连续随机变量。每天的温度就是连续随机变量的例子。连续随机变量的特性用概率密度函数而不是概率质量函数来表示。从数学上讲，如果有一个函数F，称为概率密度函数（pdf），且满足以下条件，则X是一个连续的随机变量：（1）f(x)≥0，代表所有x都成立；（2）f(x)dx=1；累积分布函数2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论累积分布函数（CDF）定义为：

对于离散随机变量：对于连续随机变量：由于则有概率密度函数连续随机变量的pdf是一个可积函数依据pdf的积分可以求出随机变值在给定区间内的概率。从形式上说，连续随机变量x的pdff(x)是CDFF(x)的导数，即：60一些重要的离散随机分布泊松分布E[X]=

,Var（X）=

几何分布E[X]=1/（1-p），Var（X）=p/（1-p）^2P（X=k）=P（1-P）k-1，其中p是成功概率2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

61一些重要的离散随机分布二项分布几何随机变量表示的是：取得第一次成功时所需要的试验次数。这时，随机变量X的概率分布由下式给出：kP2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

其中：有时可以用泊松分布近似表示参数为n和p的二项分布。当观察次数的值很大而成功的概率p很小时，二项分布接近于参数为λ=np时的泊松分布。62一些重要的连续随机分布正态分布：E[X]=

,Var（X）=

2.尽管实际应用中通常不采用这种分布，但是，正态随机变量应该可以取任意实数值。2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

63多个随机变量有些情况下，一个实验的结果决定了几个随机变量的值这些变量的联合概率为：离散变量：p（x1，…，xn）=p（x1=x1，…，xn=xn）连续变量：CDF:Fx1x2…xn（x1，…，xn）=P（x1）x1，…，Xnxn）pdf:2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论64独立性与条件概率独立性：当一个随机变量的发生不影响另一个随机变量时，称其为相互独立。在这种情况下，离散随机变量的PMF由下式给出：p（x1，x2，…xn）=p（x1=x1）p（x2=x2）…p（X3=X3），对于连续随机变量：FX1，X2，…Xn=FX1（x1）FX2（X2）…FXn（Xn）条件概率：是给定的x1=x2的概率。然后对于离散随机变量，概率变为：对于连续随机变量，它是：2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

65贝叶斯定理关于形如P（X|Y）的条件概率的一个定理是其中p（X）和p（Y）分别是X的无条件概率2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

65中心极限定理中心极限定理指出，每当从任何具有期望值E[Xi]的分布中抽取n个的随机样本（X1，X2，…Xn）=

方差var（Xi）=

2，式中1,2,..,n,然后它们的算术平均值定义为66随机变量的重要性质期望值的和属性随机变量之和的期望值：期望值的乘积属性随机独立随机变量乘积的期望值2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

67随机变量的重要性质方差的和性质随机变量之和的方差为其中cov[Xi，Xj]是随机变量sxi和Xj的协方差如果随机变量相互独立，即cov[Xi，Xj]=0，则2.2移动通信话务理论————话务相关的概率、统计理论

68基本排队系统什么是排队论？排队论是对排队（有时称为排队）的研究可以用来描述现实世界中的队列，或在计算机科学的许多分支（如操作系统）中发现的更抽象的队列基本排队论排队论分为三个主要部分：话务流行程安排设施设计和员工分配2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

69肯德尔符号D.G.Kendall在1951年提出了一种将排队系统分为不同类型的标准符号。相应地，系统用符号A/B/C/D/E描述，其中：A客户到达时间分布B服务时间分布C服务器数量D系统中的最大客户数E呼唤人口规模M指数分布（马尔可夫）D退化（或确定性）分布EkErlang分布（k=形状参数）Hk带参数的超指数A和B可以采用以下任何一种分布类型：2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

70利特尔定律假设排队环境在所有初始瞬态消失的稳定状态下运行，系统的关键参数为：–平均稳态消费者到达率N–系统中的平均客户数量T–每个客户在系统中花费的平均时间这给了N=T马尔可夫过程马尔可夫过程是一个过程的下一个状态仅取决于当前状态的过程，与该过程之前的状态无关对当前状态和该状态的转移概率的了解使我们能够预测下一个状态2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

71排队系统度量=1–P(0)，是服务器繁忙的概率。因此，我们有P(i)=i(1-)系统中的平均客户数为Ls=客户的平均停留时间为Ws=系统中的平均客户数为客户在系统中的平均停留时间如下所示平均队列长度为客户的平均等待时间为2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

1.话务量的计算1.话务量在话音通信中，业务量大小的量度。分为流入话务量和完成话务量。a.流入话务量：单位时间（１小时）内平均发生的呼叫次数λ和每次呼叫平均占用信道时间（含通话时间）Ｓ的乘积。流入话务量Ａ为Ａ＝Ｓ•λ

式中，λ的单位是（次／小时）；Ｓ的单位是（小时／次）；Ａ是一个无量纲的量。它的单位为“爱尔兰”（Erlang）。722.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导在信道共用的情况下，通信网无法保证每个用户的所有呼叫都能成功，必然有少量的呼叫会失败，即发生“呼损”。b.完成话务量单位时间内平均的成功呼叫次数λ0(λ>λ0)和每次呼叫平均占用信道时间Ｓ的乘积

A0=λ0•S

c.损失话务量流入话务量与完成话务量之差。d.呼损率损失话务量占流入话务量的比率，用符号Ｂ表示。732.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

显然，呼损率Ｂ越小，成功呼叫的概率就越大，用户就越满意。因此，呼损率Ｂ也称为通信网的服务等级（或业务等级）。例如，某通信网络的服务等级为0.05

(即Ｂ＝0.05），表示在全部呼叫中未被接通的概率为５％．但是，对于一个通信网来说，要想使呼叫损失小，只有让流入话务量小，即容纳的用户少些，这又是所不希望的．可见呼损率与流入话务量是一对矛盾，要折中处理。742.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

2.完成话务量的性质与计算设在观察时间T小时内，全网共完成C1次通话，则每小时完成的呼叫次数为完成话务量即为

752.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

从另一个角度来统计时间，则若总的信道数为n，而在观察时间T内有i(i＜n)个信道同时被占用的时间为ti(ti＜T)，那么可以算出实际通话时间为完成话务量为762.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

当观察时间T足够长时，ti/T就表示在总的n个信道中，有i个信道同时被占用的概率，可用Pi表示，上式就可改写为由此可见，完成话务量是同时被占用信道数(是随机量)的数学期望。因此可以说，完成话务量就是通信网同时被占用信道数的统计平均值，表示了通信网的繁忙程度。9:31上午772.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

3.呼损率的计算根据话务理论，呼损率B、共用信道数n和流入话务量A的定量关系可用爱尔兰呼损公式表示。爱尔兰呼损公式为78信道利用率的计算呼损率不同的情况下，信道利用率也是不同的。信道利用率η可用每小时每信道的完成话务量来计算，即2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

4.用户忙时话务量与用户数每个用户在24小时内的话务量分布是不均匀的，网络设计应按最忙时的话务量来进行计算。集中系数最忙1小时内的话务量与全天话务量之比，用k表示，一般k=10%-15%。忙时话务量为式中：C（次/天）为通信网中每一用户每天平均呼叫次数；T（秒/次）为每次呼叫平均占用信道时间；k为集中系数792.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

在用户的忙时话务量a确定之后，每个信道所能容纳的用户数m就不难计算：80全网的用户数为：m×n个。2.2移动通信话务理论————话务量-呼损率关系推导

2.3移动通信多址技术§2.3.1FDMA技术§2.3.2TDMA技术§2.3.3CDMA技术移动通信-端到端5G系统基础1.概念：频分多址是指将给定的频谱资源划分为若干个等间隔的频道(或称信道)供不同的用户使用。2.双工方式在单纯的FDMA系统中，通常采用频分双工(FDD)的方式来实现双工通信，即接收频率f和发送频率F是不同的。为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔|f-F|必须大于一定的数值。例如，在800MHz频段，收发频率间隔通常为45MHz。822.3移动通信多址技术————FDMA技术

3.工作方式在通信时，不同的移动台占用不同频率的信道进行通信。因为各个用户使用不同频率的信道，所以相互没有干扰。FDMA的信道每次只能传递一个电话，并且在分配成语音信道后，基站和移动台就会同时连续不断地发射信号，在接收设备中使用带通滤波器只允许指定频道里的能量通过，滤除其他频率的信号，从而将需要的信号提取出来，而限制临近信道之间的相互干扰。由于基站要同时和多个用户进行通信，基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号；另外，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转834.特点：FDMA是最经典的多址技术之一，在第一代蜂窝移动通信网（如TACS、AMPS等）中使用了频分多址总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道,分配给一个移动用户。移动台占用的频道不是固定的，是由系统临时分配的，通信结束后，移动台将退出它占用的频道，系统设计中需要周密的频率规划,基站需要多部不同载波频率发射机同时工作，设备多且容易产生信道间的互调干扰。由于没有进行信道复用，信道效率很低。因此现在国际上蜂窝移动通信网已不再单独使用FDMA，而是和其他多址技术结合使用。2.3移动通信多址技术————FDMA技术

1.概念TDMA是把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的)，每一个时隙就是一个通信信道TDMA系统既可以采用频分双工(FDD)方式，也可以采用时分双工(TDD)方式。在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上。上行链路和下行链路的帧结构既可以相同，也可以不同。在TDD方式中，通常将在某频率上一帧中一半的时隙用于移动台发，另一半的时隙用于移动台接收；收发工作在相同频率上。842.3移动通信多址技术————TDMA技术

2.工作方式TDMA中，给每个用户分配一个时隙，即根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号。在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。这样，同一个频道就可以供几个用户同时进行通信，相互没有干扰。853.TDMA特点在TDMA通信系统中，小区内的多个用户可以共享一个载波频率，分享不同时隙，这样基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰；但系统设备必须有精确的定时和同步来保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。TDMA技术广泛应用于第二代移动通信系统中。在实际应用中，综合采用FDMA和TDMA技术的，即首先将总频带划分为多个频道，再将一个频道划分为多个时隙，形成信道。例如GSM数字蜂窝标准采用200kHz的FDMA频道，并将其再分割成8个时隙，用于TDMA传输。2.3移动通信多址技术————TDMA技术

码分多址（CDMA）技术是在二战期间为了防止敌方干扰而研发的一种通信技术。它通过为每个用户分配一个唯一的码来实现多用户之间的通信，从而提高了通信的安全性和效率。在战后，这项技术被美国高通公司进一步发展，转化为商用的蜂窝电信技术。码分多址（CDMA）以扩频技术为基础,利用不同码型实现不同用户的信息传输。扩频技术包括:跳频和直接序列扩频,对应的多址方式有：跳频码分多址(FH-CDMA)和直扩码分多址(DS-CDMA)。862.3移动通信多址技术————CDMA技术

1.跳频码分多址(FH-CDMA)在FH-CDMA系统中，每个用户根据各自的伪随机(PN)序列动态改变其已调信号的中心频率。各用户的中心频率可在给定的系统带宽内随机改变，该系统带宽通常要比各用户已调信号(如FM、FSK、BPSK等)的带宽宽得多。FH-CDMA类似于FDMA，但使用的频道是动态变化的。FH-CDMA中各用户使用的频率序列要求相互正交(或准正交)，即在一个PN序列周期对应的时间区间内，各用户使用的频率，在任一时刻都不相同(或相同的概率非常小)872.3移动通信多址技术————CDMA技术

2.直扩码分多址(DS-CDMA)在DS-CDMA系统中，所有用户工作在相同的中心频率上，输入数据序列与PN序列相乘得到宽带信号。不同的用户(或信道)使用不同的PN序列。这些PN序列(或码字)相互正交，从而可像FDMA和TDMA系统中利用频率和时隙区分不同用户一样，利用PN序列(或码字)来区分不同的用户图4FH-CDMA和DS-CDMA示意图

(a)FH-CDMA;(b)DS-CDMA

882.3移动通信多址技术————CDMA技术

DS－CDMA系统中既可以利用完全正交的码序列来区别不同的信道，也可以利用准正交的PN序列来区别不同的用户（或信道）。常用的正交序列为Walsh序列。使用正交序列时，要求各个序列之间完全同步，因而它通常用于基站到移动台的下行链路在移动台至基站的上行链路中，通常采用m序列和Gold序列等。892.3移动通信多址技术————CDMA技术

图5DS-CDMA系统逻辑信道示意图

(a)基站到移动台的下行链路；(b)移动台到基站的上行链路902.3移动通信多址技术————CDMA技术

图6DS-CDMA系统逻辑信道及作用912.3移动通信多址技术————CDMA技术

DS－CDMA系统特点1.存在自身的多址干扰多址干扰的存在是因为所有用户都工作在相同的频率上，进入接收机的信号除了所希望的有用信号外，还叠加有其它用户的信号（这些信号称为多址干扰）。多址干扰的大小取决于在该频率上工作的用户数及各用户的功率大小。2.须采用功率控制克服远近效应远近效应近处的强信号抑制远处弱信号的接收克服方法功率控制调整各用户的发射功率，使得所有用户信号到达基站的电平都相等。该电平的大小只要刚好达到满足信号干扰比要求的门限电平即可。理想情况下，设门限信号功率为Pr，移动台到基站的传输传输损耗为L（D）（D为距离），则移动台的发射功率应为Pt=Pr/L（D）。从基站到达移动台的下行链路也同样需要功率控制。922.3移动通信多址技术————CDMA技术

谢谢!移动通信-端到端5G系统基础第3章走向端到端5G网络课件移动通信-端到端5G系统基础第3章走向端到端5G网络§3.1迈向5G网络的三个限制§3.2当前网络现状与5G网络的愿景§3.3从4G网络迈向5G网络§3.4端到端5G系统§3.5国际电信联盟与3GPP组织对5G系统的定义§3.6端到端5G系统的行业应用3.1迈向5G网络的三个限制移动通信-端到端5G系统基础3.1

迈向5G网络的三个限制用户价值创造是推动我们走向端到端5G的首要限制。随着用户对高速、低延迟和可靠性的需求不断增加，企业需要提供更高质量的网络服务，以满足用户的期望。3.1迈向5G网络的三个限制当前网络的不足是推动我们走向端到端5G的第二个限制。现有的网络架构和基础设施无法满足端到端5G的需求，需要进行大规模的升级和改造。3.1迈向5G网络的三个限制不断上升的总拥有成本（Totalcostofownership,TCO）和运营成本是推动我们走向端到端5G的第三个限制。随着网络规模的扩大和复杂性的增加，总所有权和运营成本也在不断上升。3.2当前网络现状与5G网络的愿景移动通信-端到端5G系统基础3.2.1

如今通信业务的困境——资源与需求的不平衡在当今的市场环境中，许多通信服务提供商都在努力为消费者提供具有差异化的价值。在许多情况下，这些通信服务提供商所依赖的服务已经过时。为了应对这一挑战，通信服务提供商需要不断创新和改进，提供更加个性化、差异化的服务。他们需要关注新兴市场和技术趋势，以便抓住未来的机会并保持领先地位。同时，与合作伙伴、供应商和其他生态系统参与者建立紧密的合作关系也是必不可少的，这样他们可以共同创造新的价值。通过创新、关注市场趋势和建立合作关系，通信服务提供商可以提供差异化的价值并保持竞争优势，从而在激烈的市场竞争中脱颖而出。3.2.2

困境中的机会——数字化转型数字服务提供商在云广告和云基础设施即服务领域取得了显著的增长。一些具有开创性的数字服务提供商正在展望一个未来，在制造业、工作场所、智慧城市、物流与运输和电子健康等垂直领域，充满收入潜力和创新。3.2.3

5G网络背景下的数字化与行业机遇数字化实体产业和网络，如制造业、公用事业、医院、铁路，甚至智慧城市，为公共安全等提供了广阔的新的增长机会。5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。5G的总体愿景是：“信息随心至，万物触手及”。3.3从4G网络迈向5G网络移动通信-端到端5G系统基础3.3从4G网络迈向5G网络5G与4G的性能对比延迟吞吐量连接密度可靠性3.3从4G网络迈向5G网络5G的阶段15G技术的第一阶段是一个重大的转折点，它标志着物联网时代的开始和数字化转型的加速。在这个阶段，我们可以看到三个主要特点：成千上万的传感器、选择极其可靠的应用以及可靠的连接。5G阶段1提供了可靠的连接，确保了各种设备和应用之间的通信稳定且高效。通过采用先进的网络技术、优化的通信协议和智能的网络管理策略，5G网络能够提供高速、低延迟、高可靠性的连接服务。这使得各种设备和应用能够无缝地连接在一起，实现数据的实时交换和处理。同时，5G网络还支持设备间的直接通信（Device-to-Device,D2D），进一步提高了通信效率和灵活性。5G的阶段25G阶段2是物联网时代的深化阶段，具有以下主要特点：（1）数以百万计的工业“东西”：这个阶段将实现数以百万计的工业设备和物品通过5G网络连接在一起。从智能制造到智能物流，从智能农业到智慧城市；（2）大量的连接：5G阶段2通过优化网络架构和技术创新，提供了足够带宽和低延迟的连接，满足大量设备的接入和数据传输需求；（3）大量高可靠的应用程序：这些应用程序利用5G网络的低延迟和高可靠性特性，提供高效、可靠的服务。它们不仅限于工业自动化领域，还涉及到智慧城市、智能交通、远程医疗等更广泛的领域。（4）自动控制：我们可以实现更快速、更精准的控制指令传输，提高生产效率、降低能耗和减少人力成本。同时，结合大数据和人工智能技术，对生产过程进行智能分析和优化，进一步提升自动化控制的智能化水平。3.4端到端5G系统移动通信-端到端5G系统基础3.4.1E2E5G系统的框架通过利用5G部署的良性循环，5G网络能够实现数十亿设备的互连，并为终端用户提供所需的功能。这将为工业应用提供更高的数据传输速度和更低的延迟，从而满足实时反馈和控制的需求；高度优化的分布式云配置对于实现超低延迟和高可靠性至关重要。网络切片技术将相同的物理网络基础设施划分为无缝的、动态的端到端服务，并保证服务水平协议。这种技术利用来自整个网络的数据，为重要的业务应用提供经济有效的服务，创造新的数字价值。3.4.2E2E5G系统简介1.E2E5G接入为了满足5G时代的业务需求，无线接入网将发生重大变革。这包括提高无线电容量、大幅提高接入密度、提高频谱效率等。无线和有线接入技术都将发展以支持巨大容量；将部分接入网进行虚拟化，并将功能转移到边缘云；

3.4.2E2E5G系统简介2.E2E5G核心核心网络是整个网络架构中的重要组成部分，它负责处理大量的流量和提供各种增值服务；这种新的5G核心架构伴随着数据层、控制平面和用户平面的分离。数据层提供了一种通用的平台，用于处理和管理数据流。控制平面负责管理和控制网络的各个方面，包括路由、交换和连接管理等。用户平面则负责有效地将数据信息传递到数据网络，类似于互联网或任何托管应用程序；

3.4.2E2E5G系统简介3.新型融合边缘云互联的规模、灵活性和可编程性灵活性是这种架构的核心特性之一。新型融合边缘云互联能够根据实际需求进行动态调整，具有高度的可扩展性。从灵活的回程开始，这种架构能够通过网络的聚合和骨干元素提供连接，满足各种不同的接入需求；随着网络功能的虚拟化，网络的功能节点成为边缘云和核心云的网状结构。IP和光传输网络的首要作用变成了云互联。通过使用智能网络结构，我们可以动态地将虚拟化网络功能的服务器和工作负载相互连接，分布在边缘和核心云节点上。这些节点将有效地成为网络的功能和网络集线器，与可编程IP和光学结构一起，提供看似无限的连接。这种架构还支持高效的传输切片。通过端到端服务编排和软件定义的网络，我们可以实现灵活性和可扩展性。最终，这种灵活性和可伸缩性使高效的传输切片成为可能，从而更好地满足大规模工业数字化的需求。

3.4.2E2E5G系统简介4.端到端的分布式云驱动的低延迟和高性能边缘云的优势在于它能够提供低延迟和高带宽服务，同时减少了对核心网络的依赖。这使得边缘云成为支持超低延迟应用的理想选择，例如自动驾驶车辆、无人机、实时音视频传输和工业自动化等；3.4.2E2E5G系统简介5.5G中的网络切片网络切片是一种技术，可以将公共网络基础设施分割成多个独立的网络，每个网络切片都可以提供定制化的服务。这种技术可以服务于不同的领域，如声音、能源、运输、公共安全、制造业和宽带互联网等。每个网络切片都是端到端的，分布在用户设备、接入、传输、核心和应用程序上。3.4.2E2E5G系统简介6.端到端安全分层纵深防御我们需要采用预测-保护和预防-监测相结合的方法。通过预测可能的攻击模式和行为，我们可以提前采取措施来保护系统和数据。同时，预防-监测可以及时发现潜在的安全威胁，并采取相应的措施来阻止攻击。这种综合的方法可以帮助我们更好地应对日益复杂的网络威胁。3.5国际电信联盟与3GPP组织对5G系统的定义移动通信-端到端5G系统基础3.5.1

国际电信联盟与3GPP组织简介1.

ITU组织国际电信联盟（ITU）是联合国的一个重要专门机构，也是联合国机构中历史最长的一个国际组织，成立于1865年，总部位于瑞士日内瓦。其前身是国际电报联盟，于1932年改名为国际电信联盟。ITU的主要职能包括分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源，制定全球电信标准，向发展中国家提供电信援助，促进全球电信发展。作为世界范围内联系各国政府和私营部门的纽带，ITU还通过其麾下的无线电通信、标准化和发展电信展览活动，推动全球信息通信技术的发展和应用。2.

3GPP组织3GPP（ThirdGenerationPartnershipProject，第三代合作伙伴计划）是一个国际化的标准化组织，由各种电信标准化机构和运营商组成，主要负责制定全球移动通信系统的技术标准。这些标准涵盖了移动通信系统的各个方面，包括网络架构、接口规范、调制解调器技术、频谱分配等。3.5.2

5GNR简介5GNR帧结构3.5.3

5G三大应用场景增强移动宽带（eMBB，EnhancedMobileBroadband）是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升；超高可靠低时延通信（URLLC，Ultra-ReliableLow-LatencyCommunication）是5G技术的三大应用场景之一，它指的是在通信过程中保证高可靠性和极低的时延。这种通信方式主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和可靠性有极高要求的垂直行业应用；海量机器类通信（mMTC，MassiveMachineTypeCommunication）是5G技术三大应用场景之一。它主要解决传统移动通信无法很好支持物联网及垂直行业应用的问题，满足智慧城市、环境监测、森林防火、共享设备、智能家居等以传感和数据采集为目标的应用场景需求。3.6端到端5G系统的行业应用移动通信-端到端5G系统基础3.6

E2E5G系统的行业应用1.制造业在制造业中，技术的进步不断推动着生产过程的变革。目前，生产过程已经实现了自动化，这大大提高了生产效率和产品质量。然而，未来的技术发展将进一步改变制造业的面貌。动态生产控制和容量与敏捷性将是制造业未来的关键技术。通过这些技术，制造企业能够更快速地响应市场需求变化，提高生产效率和产品质量。E2E5G技术在这个过程中将起到重要的催化作用，它能够提供低延迟、高可靠性的通信，支持即时控制和大规模连接。2.交通在交通领域，技术的进步也在不断推动着运输效率和安全性的提升。目前，车队管理是运输业的重点，通过优化车辆调度和路线规划，提高了运输效率。然而，未来的交通将更加智能化和高效化。动态排队是未来交通的一个用例，它通过智能控制和协同驾驶，使多辆车能够以紧密的队形行驶，提高道路的通行效率和安全性。为了实现动态排队，我们需要借助E2E5G技术，它能够提供低延迟、超响应和高可靠的网络连接，支持传感器和视频数据的传输和处理。3.6

E2E5G系统的行业应用3.

医疗保健医疗保健领域是5G技术的重要应用领域之一，通过5G技术，可以实现更高效、更准确的远程医疗和健康监测。目前，医疗保健领域已经可以通过实时健康数据监测和分析，及时发现和预防潜在的健康问题。然而，未来的医疗保健将更加智能化和高效化。远程支持的复杂健康干预措施是未来医疗保健的一个重要用例。通过5G技术，医疗专业人员可以在远程对病人进行准确的诊断和治疗。这不仅减少了病人需要前往医院或其他医疗机构的时间和成本，还使得医疗资源得到更加合理的分配和利用。4.

体育和娱乐今天，我们看到成千上万的智能手机用户通过视频和社交媒体进行互动和娱乐。这种趋势在体育和娱乐领域尤为明显，观众可以通过手机实时观看比赛或表演，并与朋友分享自己的看法和感受。借助E2E5G技术，我们将能够支持沉浸式设备，如增强现实(AR)眼镜，为观众提供更加个性化、身临其境的体验。通过部署多个视频角度的大量连接，以及极高的吞吐量和低延迟，我们能够为数千人提供高清的AR视频内容，使他们仿佛身临其境地置身于比赛或表演现场。3.6

E2E5G系统的行业应用5.公共安全通过5G技术，公共安全领域可以实现更加智能化和高效的监控和管理。例如，通过大规模连接多个视频源，基于云的自动识别技术可以实现对威胁的即时、主动识别。这种技术可以大大提高监控的准确性和效率，减少人工干预的需要。同时，低延迟的即时响应能力可以保证在发现威胁时能够及时做出反应，提高公共安全管理的效果。6.矿业通过5G技术，采矿作业可以实现更加智能化和高效化的管理。例如，通过自主机器人机械，可以实现自动化采矿作业，提高采矿效率和质量。这种自主机器人机械可以通过端到端5G网络实现高度可靠的大规模连接，使得机器人能够实时接收控制指令和传感器数据，实现精准控制和高效作业。7.电力行业通过无人机技术，电力行业可以实现更加智能化和高效化的线路和设备检查。例如，无人机可以用于检查线路和设备的外观和状态，通过搭载的高清摄像头和传感器进行实时监测和拍摄。通过端到端5G网络，无人机可以与控制中心进行低延迟、高可靠性的通信，实现精准控制和高效数据传输。这不仅可以提高检查的准确性和效率，还可以减少人工干预的需要，降低人力和物力的成本。本章论述题1.请简述迈向5G的三种限制以及潜在的解决方法；2.请查阅资料，阐述5G网络的愿景；3.请简述5GNR技术的特点与关键技术；4.请简述5G的三个应用场景与性能指标；5.请简述5G对各行各业的影响；谢谢!移动通信-端到端5G系统基础第4章5G网络的接入与空口课件移动通信-端到端5G系统基础第4章5G网络的接入与空口§4.15G接入需求§4.2从LTE到5GNR§4.35G网络框架§4.45G网络频谱§4.55G网络接入的关键技术4.15G接入需求移动通信-端到端5G系统基础4.1

5G接入需求技术发展的同时，无线网络已经越来越“重”（1）“重”部署：传统的网络部署方式，如广域覆盖和热点增强，在网络的各个层次引入了更多的复杂性，导致网络的负担增加。此外，固定的双工方式与特定频谱分配方式之间的严格绑定使得网络的优化和融合变得更加困难，进一步加重了网络的问题。这种情况下，我们需要重新审视和改进网络设计和部署，以解决频谱利用不高和双工方式融合难度大的问题。（2）“重”投入：无线网络的日益复杂化导致了网络建设所需的投资增加，因此投资回收期变得更长。与此同时，对站址条件的要求也不断提高。此外，引入许多关键技术对现有标准产生重大影响，并且实施起来相当复杂，因此实现系统目标性能的代价也随之增加。（3）“重”维护：多种接入方式共存，引入新型设备形态，给网络带来了新的挑战。技术的复杂性增加了运维的难度，也导致维护成本上升。此外，无线网络配置变得越来越复杂，一旦配置完成，很难进行改动，这使得难以满足业务和用户需求快速发展变化的需求。4.1

5G接入需求对5G网络的研究应总体致力于建设满足部署轻便、投资轻度、维护轻松、体验轻快要求的“轻形态”网络（1）实现轻便的网络部署是至关重要的，因为随着基站密度的提高，网络部署变得更加复杂。轻便部署的要求在未来网络建设中扮演着关键角色。在研究和发展5G技术时，我们需要着重考虑降低对站址选取的要求，力求以一种灵活的网络组网方式出现。同时，我们还需要具备即插即用的组网能力，以便更快地部署和调整网络，以满足不断变化的业务需求。这将有助于简化网络部署过程，降低运营成本，并提高网络的灵活性和可管理性。（2）在考虑现有网络的投资时，特别是对于运营商的无线网络，运营性支出（OPEX）占据了显著的比重，尽管资本性支出（CAPEX）也不可忽视。设备和运营的复杂性对网络支出有重要影响。随着网络容量显著增加，运营商的成本控制面临挑战。因此，未来的网络必须降低部署和维护成本，在技术选择上应注重简化设备和运营。新技术应旨在控制设备制造成本和降低整体网络部署开销，同时还需要简化网络运营，通过便捷的维护和高效的系统优化来满足未来网络的成本要求。此外，还应避免不必要的基站扩张，利用现有站点，实现基站设备的轻量化、低复杂度和低开销，采用灵活的设备类型，并在部署时充分利用现有网络资源，采用灵活的供电和回传方式。（3）随着3G技术的成熟和4G的广泛商用，网络运营开始面临多网络的管理和协调挑战。在即将到来的5G时代，多种网络技术的并存及其统一管理将成为一项重大任务。为了降低维护和管理成本，同时统一管理各种网络并提高用户体验，发展智能化的网络优化和管理平台成为未来网络运营的关键。这种平台将能够有效地管理和优化不同网络系统，确保网络运营的高效与便捷。4.1

5G接入需求业务需求：(1)高速率无线业务支持。随着无线业务的快速发展，目前看来，在移动环境下，大部分用户需求是为了支持全高清视频业务，需要至少10Mbit/s的速率。对于那些需要支持超高清视频等特殊业务的用户，网络应提供至少100Mbit/s的速率体验。在某些特定应用场景下，比如短距离即时下载或交互式3D全息业务，用户对无线传输速率的需求可能高达10Gbit/s。(2)业务性能的稳定性。无线通信系统的基本要求之一是无处不在的网络覆盖和稳定的通信质量。由于无线通信环境的复杂性，特别是在地铁、隧道、室内等环境中，覆盖性能经常不稳定。在5G网络中，通信的可靠性指标——特定业务时延要求下成功传输数据包的比例，应达到99%或更高。而对于MTC（机器类型通信）等非时延敏感性业务，可靠性要求可以相应降低。(3)精确的用户定位。对于实时性和个性化业务而言，用户定位是一个重要的背景信息。在5G网络中，对用户的三维定位精度应提出更高的要求，例如在80%的室内场景中，定位精度应提高至1米以内。虽然4G网络已经包括LTE解决方案和卫星定位方法，但5G网络应进一步增强定位精度。(4)业务安全保障。安全性是运营商提供的基本功能之一。随着从人与人的通信转向机器与机器的通信，5G网络将支持各种不同应用和环境。因此，5G网络应能够防止通信数据遭受未授权的访问、使用、破坏、修改、审查和攻击。鉴于5G网络将为关键领域（如公共安全、电子医疗和公共事业）提供服务，其核心要求应包括一系列全面的安全保障功能，以保护用户数据、创造新的商业机会，并预防或减少潜在的网络安全威胁。4.1

5G接入需求用户需求：(1)终端多样化。自3G网络全球部署以来，终端设备的快速发展极大地改变了移动通信产业。从2000年起，终端业务从传统的语音业务转向宽带数据业务，终端形态也变得多样化。预计未来将出现各种新型终端，如智能手表、智能眼镜等，它们将针对个人、行业和家庭市场，形成个性化的多媒体信息平台。智能终端的普及促进了终端与互联网业务的融合，为用户带来了全新的业务体验和交互能力，从而刺激了对移动互联网的需求，并导致数据流量的剧增。据统计，智能终端用户70%的时间用于游戏、社交网络等活动，随着终端技术的进步，未来将产生更多数据流量。到2020年，智能终端每天产生的业务量达到1GB已不再是遥不可及。(2)应用多样化。智能终端的发展也推动了移动互联网业务的快速增长。移动互联网业务从最初的短信/彩信业务发展到现在的社交媒体、视频等业务，深刻地改变了信息通信产业的发展模式。4.1

5G接入需求网络需求：(1)

频谱利用效率的提升。由于频谱资源有限，提高其使用效率至关重要。ITU-R为移动通信系统分配了多个频率，包括450MHz至4400MHz的频率带。LTE网络最初主要部署在2.6GHz、1.8GHz和700MHz。但由于不同国家和地区的使用情况各异，产生了一些挑战。例如，某些设备仅支持特定频率，可能在许多国家无法使用。此外，一些频率被多种业务占用，如铁路、广播电视、集群通信、雷达和固定卫星系统，这对LTE频率规划和网络部署构成挑战。未来10年内，移动流量预计将增长1000倍，迫切需要提升频谱的使用效率，并改变目前的碎片化使用模式。新技术如OFDMA（基于正交频分多址的长期演进系统，即4G），通过使用MIMO（多输入多输出）和高阶调制技术，相比2G和3G在容量上取得了突破。LTE-Advanced引入的载波聚合技术通过聚合多个连续或不连续的离散频谱来解决高带宽需求，进而提高频谱利用率。未来5G需要采用合适的频谱使用方式和新技术（如TDD/FDD融合的同频同时全双工）来有效提升频谱效率。(2)

IPv6在网络融合中的作用。随着数字技术的发展，不同的系统（如有线、无线和数据通信系统）越来越多地融合在一起，全球范围内的通信方式正在快速变化。基于IP的网络技术是这一变革的核心，为运营商和用户提供多设备、多网络和多协议的连接，实现管理的灵活性和网络资源节省。IP化的加速进程使得各接入系统可以通过共用IP核心网络，实现任何时间、任何地点的最优连接。IPv6在安全性、服务质量（QoS）和移动性方面具有巨大优势，因此对未来网络的演进和业务发展起着关键作用。4.2从LTE到5GNRLTE&

5GNR5G网络的多重连接LTE空口5GNR帧结构移动通信-端到端5G系统基础4.2.1

LTE&

5GNRLTE技术主要存在TDD和FDD两种主流模式；5