基于Arduino的物联网技术与应用 课件 第8章 移动通信技术

8.1移动通信技术概述8.2第二代移动通信技术

8.3第三代移动通信技术

8.4第四代移动通信技术8.5第五代移动通信技术第8章移动通信技术

移动通信(MobileCommunication)，是指通信双方或至少有一方处于运动状态的时候进行信息传输和交换的通信方式。移动通信系统包括无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。无线通信是移动通信的基础基本概念8.1移动通信技术概述模拟制式的移动通信系统1G代表：美国的AMPS、英国的TACS等。FirstPortable

CellularPhone

DynaTAC19838.1.1移动通信的发展8.1移动通信技术概述包括语音在内的全数字化系统代表泛欧的GSM，美国的DAMPS、IS-95CDMAFirstWearable

CellularPhone

StarTAC®19968.1.1移动通信的发展8.1移动通信技术概述2G在2G基础上提供增强业务，如WAP代表GPRS(GSM向WCDMA过渡)、EDGE2004V38.1.1移动通信的发展8.1移动通信技术概述2.5G移动多媒体通信系统标准：基于GSM的WCDMA基于IS-95CDMA的CDMA2000TD-SCDMA提供的业务包括语音、传真、数据、多媒体娱乐和全球无缝漫游等2009CLIQ8.1移动通信技术概述3G8.1.1移动通信的发展真正意义上的高速移动通信系统标准FDD-LTE，TD-LTE8.1.1移动通信的发展8.1移动通信技术概述4G实现人机物互联的网络基础设施三大类应用场景：eMBB、uRLLC、mMTC8.1.1移动通信的发展8.1移动通信技术概述5G移动业务交换中心(MSC)移动台(MS)基站(BS)8.1.2移动通信系统的组成8.1移动通信技术概述1.MS(MobileStation，移动台)定义：用户使用的终端设备组成：ME(MobileEquipment)：硬件部分（如手机机身）SIM(SubscriberIdentityModule)：存储用户身份信息（IMSI、密钥等）功能：无线信号收发（通过空口与基站通信）用户身份认证（通过SIM卡与HLR交互）支持语音/数据业务（GSM/CDMA/LTE等制式）8.1.2移动通信系统的组成8.1移动通信技术概述当用户拨打电话时，MS将语音转换为数字信号，并通过射频模块发送至基站。2.BS(BaseStation，基站)定义：无线网络接入设备组成：BTS(BaseTransceiverStation)：负责射频信号处理BSC(BaseStationController)：控制多个BTS（2G/3G网络）功能：空口资源管理（时隙/频率分配）信号功率控制（避免手机过载发射）切换决策（MS在不同小区间移动时）8.1.2移动通信系统的组成8.1移动通信技术概述城市密集区采用微基站（覆盖500m），农村使用宏基站（覆盖10km）。MSC(MobileSwitchingCenter，移动交换中心)定义：核心网电路域控制节点核心功能：呼叫控制：建立/释放语音通道移动性管理：位置更新（VLR交互）计费：生成CDR(CallDetailRecord)互联互通：与PSTN等其他网络对接演进：4G/5G网络中由MME(MobilityManagementEntity)和VoLTEAS替代部分功能。8.1.2移动通信系统的组成8.1移动通信技术概述4.PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork，公共交换电话网)定义：传统的固话通信网络组成：本地环路：用户电话机到端局（铜缆/光纤）长途干线：局间中继（SDH/DWDM承载）交换节点：程控交换机（Class4/5）信令系统：采用SS7(SignalingSystemNo.7)，实现号码翻译、计费等功能。关键交互流程（MS拨打固话）接入阶段：MS通过随机接入信道（RACH）联系BSBS分配专用信道（SDCCH）进行鉴权—路由建立——计费记录MSC生成起始CDR通话结束后补充时长信息8.1.2移动通信系统的组成8.1移动通信技术概述组网制式

大区制一个服务区内只有一个基站负责移动通信的联络和控制。8.1.3移动通信的组网覆盖8.1移动通信技术概述组网制式

小区制将整个服务区划分为若干个小区每个小无线区域分别设置一个基站，负责本区的移动通信的联络和控制。在MSC的统一控制下，实现小区间移动通信的转接与公众电话网的联系。8.1.3移动通信的组网覆盖8.1移动通信技术概述无线小区形状的选择圆内接正多边形代替圆作为无线小区的形状，可以得到更好的无缝覆盖效果正六边形小区的中心间隔最大各基站间的干扰最小8.1.3移动通信的组网覆盖8.1移动通信技术概述激励方式

激励的方式不同，天线的类型选择和安装位置也有不同。中心激励方式采用全向天线安装在小区中央8.1.3移动通信的组网覆盖8.1移动通信技术概述激励方式

激励的方式不同，天线的类型选择和安装位置也有不同。8.1.3移动通信的组网覆盖8.1移动通信技术概述顶点激励方式采用定向天线安装在小区顶点无线小区的划分(1)高密度用户区域。采用较小面积的无线小区，或者增加小区内的信道分配数量。(2)低密度用户小区。采用较大面积的无线小区，或者减少小区内信道分配的数量。(3)用户密度发生变化时。如果密度降低，小区内信道不需要做调整；如果密度增加，可以考虑增加小区内的信道数量；如果密度增加到一定程度，简单地增加信道数量无法满足需求时，可以采用小区分裂的方式。8.1.3移动通信的组网覆盖8.1移动通信技术概述频分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess，FDMA)时分多址(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)码分多址(CodeDivisionMultipleAccess，CDMA)空分多址(SpaceDivisionMultipleAccess，SDMA)正交频分多址(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA)。8.1.4多址方式和双工方式8.1移动通信技术概述8.1移动通信技术概述技术名称核心原理资源划分方式典型应用优势劣势FDMA(频分多址)将总频带划分为互不重叠的独立子频带，每个用户独占固定频段进行通信频率维度：

-用户A：频段f₁

-用户B：频段f₂

-用户C：频段f₃1G模拟通信（如AMPS）卫星通信●实现简单●无时延问题（连续传输）●频谱利用率低●频率规划复杂●无法适应突发业务TDMA(时分多址)将时间轴划分为周期性时隙帧，用户轮流占用相同频带的不同时隙时间维度：

-用户A：时隙t₁

-用户B：时隙t₂

-用户C：时隙t₃（同一频率f）2GGSM系统数字集群通信●频谱利用率高于FDMA●支持数据业务●需要精确同步●时隙切换产生时延●频率复用率低CDMA(码分多址)所有用户同时同频传输，通过正交扩频码区分用户信号编码维度：

-用户A：码字C₁

-用户B：码字C₂

-用户C：码字C₃（同一频率f和时间t）3G系统（cdma2000/WCDMA）GPS定位●抗干扰能力强（扩频增益）●软容量特性（用户数≌噪声）●无需频率规划●远近效应（需功率控制）●码字同步复杂●峰值速率受限8.1移动通信技术概述技术名称核心原理资源划分方式典型应用优势劣势SDMA(空分多址)利用空间位置差异，通过波束成形技术在同一频率/时间资源上服务不同方向的用户空间维度：

-用户A：波束B₁（方向θ₁）

-用户B：波束B₂（方向θ₂）（同频同时）5GMassiveMIMO卫星点波束●极大提升频谱效率●降低干扰（空间隔离）●扩展覆盖范围●依赖智能天线阵列●信道状态信息（CSI）需实时更新●移动场景波束跟踪难OFDMA(正交频分多址)将频带分割为多个正交子载波，用户动态分配不同子载波组频率+时间维度：

-用户A：子载波组S₁+时隙T₁

-用户B：子载波组S₂+时隙T₁4GLTE/5GNRWiFi6(802.11ax)●抗多径衰落（CP循环前缀）●灵活资源分配（时频二维）●高频谱效率●支持宽带业务●高峰均比（PAPR）●载波间干扰（ICI）敏感●同步要求高1)频分双工(FrequencyDivisionDuplexing，FDD)

FDD采用两个对称的频率信道来分别发射和接收信号，发射和接收信道之间存在着一定的频段保护间隔。2)时分双工(TimeDivisionDuplexing,TDD)TDD的发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行的，彼此之间采用一定的保证时间予以分离。8.1.4多址方式和双工方式8.1移动通信技术概述典型代表基于数字移动通信技术，始建于20世纪80年代美国

DAMPS系统

800MHz频带、TDMA多址技术

IS-95800MHz或1900MHz频带、CDMA多址技术欧洲

GSM

900MHz频带、TDMA多址技术、64Kb/s速率8.2.12G网络通信技术概述及发展历史8.2第二代移动通信技术8.2第二代移动通信技术8.2.2GSM网络系统结构及接口移动台MS基站子系统BS网络子系统移动台是GSM移动通信系统中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。由基站收发信台(BTS)：无线部分，受BSC控制基站控制器(BSC)：控制部分，承接管理任务移动业务交换中心(MSC)、访问用户位置寄存器(VLR)归属用户位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)移动设备识别寄存器(EIR)8.2第二代移动通信技术8.2.2GSM网络系统结构及接口GSM网络接口主要接口Um接口：无线接口，即MS与BTS之间的接口，用于MS与GSM固定部分的互通，传递无线资源管理、移动性管理和接续管理等方面的信息。Abis接口：BTS与BSC之间的接口。该接口用于BTS与BSC的远端互联，支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。A接口：MSC和BSC之间的接口。该接口传送有关移动呼叫处理、基站管理、移动台管理、信道管理等信息。8.2第二代移动通信技术8.2.2GSM网络系统结构及接口GSM网络接口网络子系统内部接口B接口：MSC和VLR之间的接口C接口：MSC和HLR之间的接口D接口：VLR和HLR之间的接口E接口：MSC与MSC之间的接口F接口：MSC和EIR之间的接口G接口：VLR与VLR之间的接口H接口：HLR与AUC之间的接口8.2第二代移动通信技术8.2.2GSM网络系统结构及接口区域定义GSM系统，属于小区制移动通信网，服务区内有很多基站。在服务区内，移动通信网具有控制、交换功能，以实现位置更新、呼叫接续、过区切换及漫游服务等功能。8.2第二代移动通信技术8.2.3GSM系统的号码移动设备识别IMEI

每一台移动设备均有一个唯一的移台设备识别码移动设备识别程序→8.2第二代移动通信技术8.2.3GSM系统的号码移动用户识别移动国家码(MCC)ITU在全世界范围内统一分配和管理唯一识别移动用户所属的国家，共3位，中国为460。8.2第二代移动通信技术8.2.3GSM系统的号码移动用户识别移动网络号码(MNC)用于识别移动用户所归属的移动通信网，2~3位。在同一个国家内，每一个PLMN都要分配唯一的MNC。

中国移动系统使用00、02、04、08

中国联通GSM系统使用01、06、09

中国电信CDMA系统使用03、05

电信4G使用11

中国铁通系统使用208.2第二代移动通信技术8.2.3GSM系统的号码移动用户识别移动用户识别号码(MSIN)用以识别某一移动通信网中的移动用户。共有10位。结构：EF+M0M1M2M3+ABCDEF由运营商分配M0M1M2M3和移动用户号码簿号码(MDN)中的M0M1M2M3可存在对应关系；ABCD：4位，自由分配。8.2第二代移动通信技术8.2.3GSM系统的号码移动用户识别IMSI格式

8.2第二代移动通信技术8.2.3GSM系统的号码移动台国际ISDN号码（MSISDN）主叫用户为呼叫GSM网络中的一个移动用户所需拨的号码，作用等同于固定网PSTN号码，是在公共电话网交换网络编号计划中唯一能识别移动用户的号码(1)国家码(CC)。中国的国家码为86。(2)国内目的地码(NDC)，也称网络接入号。中国移动网络接入号为134~139、150~152、188等中国联通为130~132、185~186等中国电信为133、153、180、189等。(3)客户号码(SubscriberNumber，SN)，就是用户的号码。手机号码：NDC+SN例如：86139123456888.2第二代移动通信技术8.2.3GSM系统的号码它表示该号码的CC为86(中国)，NDC接入号为139(中国移动)，NDC的HLR识别号为1234，客户号码5688。移动台漫游号码(MSRN)根据GSM建议，MSRN由以下三部分组成。(1)CC：国家号(中国为86)。(2)NDC：国内目的地号。(3)SN=用户号。在此情况下，SN是MSC交换机的地址。例如：8613900ABCDEF。MSRN虽然看起来类似于一个手机号码，但实际上这个号码只在网络中使用，对用户而言是不可见的，用户也不会感觉到这个号码的存在。如果直接用手机拨打MSRN号码，会听到“空号”的提示音。8.2.3GSM系统的号码8.2第二代移动通信技术GPRSGPRS属于第二代移动通信中的数据传输技术，是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kb/s。8.2.4GSM2.5G数据传输技术8.2第二代移动通信技术EDGE增强型数据速率GSM演进技术(EDGE)是一种从GSM到3G的过渡技术GSM系统中采用了一种新的调制方法，即最先进的多时隙操作和8PSK调制技术。最高速率可达384Kb/s。由于EDGE是一种介于现有的第二代移动网络与第三代移动网络之间的过渡技术，比GPRS更加优良，因此也有人称它为2.85G技术。8.2.4GSM2.5G数据传输技术8.2第二代移动通信技术

3G是在日益增长的应用需求的推动下完成的，虽然第二代移动通信拥有较高的技术和市场，但它的传输速率和业务类型方面，还是有限的。3G最早是由国际电信联盟于1985年提出的，当时称为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)，后改为IMT-2000，意指在2000年左右开始商用并工作在2000MHz频段上的国际移动通信系统。8.3第三代移动通信技术8.3.13G网络技术概述IMT-2000的目标(1)全球漫游，以低成本的多模手机来实现。(2)适应多种环境，采用多层小区结构，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起，与不同网络互通，提供无缝漫游和业务一致性，网络终端具有多样性，并与第二代移动通信系统共存和互通，开放结构，易于引入新技术。(3)能提供高质量的多媒体业务，包括高质量的语音、可变速率的数据、高分辨率的图像等多种业务，实现多种信息一体化。(4)足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。8.3第三代移动通信技术8.3.13G网络技术概述对无线传输技术提出的要求(1)高速传输以支持多媒体业务：室内环境至少2Mb/s；室外步行环境至少384Kb/s；室外车辆环境至少144Kb/s。(2)传输速率按需分配。(3)上下行链路能适应不对称业务的需求。(4)简单的小区结构和易于管理的信道结构。(5)灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施。8.3第三代移动通信技术8.3.13G网络技术概述3G标准8.3第三代移动通信技术8.3.13G网络技术概述初始同步技术CDMA系统接收机的初始同步包括PN码同步、码元同步、帧同步、扰码同步等。CAMD2000采用与IS-95系统相类似的初始同步技术。WCDMA系统的初始同步分三步进行。8.3第三代移动通信技术8.3.23G网络关键技术多径分集接收技术CDMA通信系统采用宽带信号进行无线传输，接收端可以分离出多径信号，因而可以采用多径分集接收技术，即Rake接收机来完成接收过程，在很大程度上降低多径衰落信道造成的不利影响。8.3第三代移动通信技术8.3.23G网络关键技术高效信道编译码技术在第三代移动通信系统中都采用了卷积码和Turbo码两种纠错编码。在高速率、对译码时延要求不高的数据链路中使用Turbo码以利于其优异的纠错性能；考虑到Turbo码译码的复杂度、时延的原因，在语音和低速率，对译码时延要求比较苛刻的数据链路中使用卷积码，在其他逻辑信道中也使用卷积码。8.3第三代移动通信技术8.3.23G网络关键技术智能天线技术无线覆盖范围、系统容量、业务质量、阻塞和掉话等问题一直困扰着蜂窝移动通信系统。采用智能天线阵(AdaptiveAntennaArrays)技术可以提高第三代移动通信系统的容量及服务质量。智能天线阵由N单元天线阵、A/D转换器、波束形成器(Beam-former)、波束方向估计及跟踪器等几部分组成。8.3第三代移动通信技术8.3.23G网络关键技术多用户检测和干扰消除技术多用户检测的基本思想是把所有用户的信号都当作有用信号，而不是当作干扰信号。经过近20年的发展，CDMA系统多址干扰抑制或多用户检测技术，已慢慢走向成熟及实用。考虑到复杂度及成本等的原因，目前的多用户检测实用化研究，主要围绕基站进行。8.3第三代移动通信技术8.3.23G网络关键技术功率控制技术功率控制技术是CDMA系统的重要核心技术之一，常用的CMDA可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制三种类型，在WCDMA和CDMA2000系统中，上行信道使用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道采用了闭环和外环功率技术。8.3第三代移动通信技术8.3.23G网络关键技术

4G制式TD-LTE和FDD-LTE两种从严格意义上来讲，LTE只是3.9G尽管被宣传为4G无线标准，但它其实并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通信标准IMT-Advanced，因此在严格意义上其还未达到4G的标准。只有升级版的LTEAdvanced才满足国际电信联盟对4G的要求。8.4第四代移动通信技术8.4.14G网络技术概述4G的演进8.4第四代移动通信技术8.4.14G网络技术概述TDD与FDD的双工模式对比8.4第四代移动通信技术8.4.14G网络技术概述TD-LTE与FDD-LTE系统的差异性8.4第四代移动通信技术8.4.14G网络技术概述(1)系统结构的差异表现在双工方式、帧结构、物理层等。

(2)设备形态的差异性主要表现在天馈系统上。类似于TD-SCDMA，TD-LTE采用了智能天线，而LTE-FDD则采用非智能天线来实现网络覆盖。其设计上的差异性也对工程设计造成的影响，如天线负荷、塔桅承重的估算等。

(3)频率资源的分配：LTE-FDD不能充分利用零散的频谱资源，有频谱浪费。

(4)两者的规划设计在总体流程上是大同小异的，区别在于智能天线带来的塔桅和天馈系统安装工艺的影响。

(5)数据和多媒体业务的特点在于上下行非对称性，TD-LTE可以根据业务量的分析，对上下行帧进行灵活配置，以更好地满足数据业务的非对称性要求。此外，TD-LTE还具备一个LTE-FDD无可比拟的优势，就是与TD-SCDMA网络共存，完全实现网络整合，最大限度地降低网络快速部署成本。接入方式和多址方案OFDMA是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。OFDM的主要缺点是功率效率不高。8.4第四代移动通信技术8.4.24G网络的关键技术调制与编码技术4G移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案(如Turbo码、级连码和LDPC等)、自动重发请求(ARQ)技术和分集接收技术等，从而在低Eb/N0条件下保证系统足够的性能。8.4第四代移动通信技术8.4.24G网络的关键技术高性能的接收机4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理，可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mb/s，所需的SNR为l.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。8.4第四代移动通信技术8.4.24G网络的关键技术智能天线技术智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量8.4第四代移动通信技术8.4.24G网络的关键技术MIMO技术MIMO技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和抗噪声性能，从而获得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数目都为8根，且平均信噪比为20dB时，链路容量可以高达42bps/Hz，这是单天线系统所能达到容量的40多倍。因此，在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。8.4第四代移动通信技术8.4.24G网络的关键技术软件无线电技术8.4第四代移动通信技术8.4.24G网络的关键技术软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS基于IP的核心网移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，同已有的移动网络相比具有根本性的优点：可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。8.4第四代移动通信技术8.4.24G网络的关键技术多用户检测技术8.4第四代移动通信技术8.4.24G网络的关键技术多用户检测是宽带通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差；多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。2015年，国际电信联盟明确了5G标准化的时间表，同时，不少国家也提出了自己国家的5G商用路线图，从2020年起，全球主要国家陆续开始了5G网络的建设和商用。8.5第五代移动通信技术8.5.15G网络技术概述1.通信业务的演进第五代移动通信技术(5G)，是4G之后的延伸。5G所追求的不再是仅仅让速度更快，而是高速度、泛在网、低功耗、低时延、万物互联、重构安全。这意味着在5G的网络下，网络结构、终端、体验都会发生巨大的革命性变化，也意味着5G会带来巨大的产业机会。如果说前四代移动通信的发展都是为了解决“人与人之间的连接”，那么，5G就是为了解决“人与人、人与物、物与物之间的连接”，这正是万物互联的核心要义。8.5第五代移动通信技术2.5G的愿景和典型性能用户对5G时代的网络有很高的期望值，希望有纤般的接入速率、“零”时延和高可靠性、拥有千亿设备的连接能力、多样化场景的一致体验和超百倍的能效提升。8.5第五代移动通信技术2.5G的愿景和典型性能(1)更快的体验速率，可达1Gbps，是4G网络的100倍。(2)更大的连接数密度，每平方公里内可达100万连接。(3)更大的流量密度，每平方公里内可达10~100Tbps。(4)更低的空口时延，低至1ms，是4G的5分之1。(5)更大的峰值速率，可以达到10~20Gbps，是4G的20倍。(6)更快的移动性，可以达到每小时500公里以上的速度，是4G的4倍。8.5第五代移动通信技术

3.5G的应用场景(1)增强型移动宽带(eMBB，EnhancedMobileBroadband)：该使用情境涵盖一系列使用案例，包括有着不同要求的广域覆盖和热点。(2)超可靠和低延迟通信(URLLC，UltraReliableLowLatencyCommunication)：此场景下单向空口时延可达1ms，可靠性99.999%。(3)大规模机器类型通信(mMTC，MassiveMachineTypeCommunication)：连接设备数量庞大，连接数密度为每平方公里100万，这些设备通常传输相对少量的非延迟敏感数据。设备成本需要降低，电池续航时间需要大幅延长。8.5第五代移动通信技术

4.5G的应用视频/VR/A：eMBB，uRLLC车联网及自动驾驶：uRLLC网联无人机：eMBB，uRLLC云端服务机器人：eMBB，uRLLC智慧能源：uRLLC，mMTC智慧医疗:eMBB，uRLLC智能制造:uRLLC，mMTC智慧教育:eMBB8.5第五代移动通信技术

与4G网络相比，5G网络的架构有了明显的变化。随着总体功能的下沉，业务和控制功能更靠近边缘，方便大流量数据的分发、降低时延。EPC（EvolvedPacketCore，分组核心网）被分为NewCore（5GC，5G核心网）和MEC（MobileEdgeComputing，移动网络边界计算平台）两部分。MEC移动到和CU一起，就是所谓的“下沉”（离基站更近）。图8.15显示的就是总体架构的变化。8.5第五代移动通信技术

8.5.25G网络架构的变化1.总体架构的变化8.5第五代移动通信技术

图8.154G与5G总体网络架构对比8.5第五代移动通信技术

在4GLTE网络中，BBU（基带处理单元）和RRU（射频拉远单元）是构成分布式基站架构的两个核心组件。它们共同工作，将传统的单一基站功能拆分开来，带来了显著的部署灵活性和性能优势。1.BBU(基带处理单元)核心任务：数字信号处理位置：

通常安装在机房（如基站机房或集中化的BBU池机房），环境条件较好（温度、湿度控制）。主要功能:基带信号处理：

这是BBU的核心功能。它处理与无线通信协议栈底层（主要是物理层，部分链路层）相关的所有数字信号处理任务。这包括：数据编码/解码、调制/解调。信道映射、资源块分配。OFDM/OFDMA（下行）/SC-FDMA（上行）信号生成与接收处理。信道估计、均衡、MIMO处理（预编码、空时编码等）。加扰/解扰、加循环前缀/去循环前缀。协议栈处理：

处理部分或全部的Layer2（MAC、RLC、PDCP）功能，以及Layer3（RRC）信令处理。负责无线资源管理、调度、切换控制等。传输接口：

提供与核心网（EPC）的传输接口（通常是S1接口，基于IP/以太网）。控制与管理：

负责整个基站（包括其连接的RRU）的操作、管理和维护功能。提供网管接口。汇聚点：

一个BBU通常可以连接并控制多个RRU（例如，覆盖一个区域的多个扇区或多个不同频段的RRU）。8.5第五代移动通信技术

2.RRU(射频拉远单元)核心任务：模拟射频信号处理与收发位置：

部署在靠近天线的地方，通常安装在铁塔上、楼顶或靠近天线的抱杆上。主要功能:数模/模数转换：

将从BBU通过光纤传来的数字基带信号（通常是经过CPRI或eCPRI接口传输的采样信号）转换成模拟射频信号（发射方向）。反之，将接收到的模拟射频信号转换成数字基带信号并传回BBU（接收方向）。射频调制/解调：

将基带信号调制到指定的无线载波频率上（发射），或将接收到的射频信号解调回基带（接收）。功率放大：

将微弱的发射射频信号放大到足够高的功率，以便通过天线有效地辐射出去。射频滤波：

在发射和接收路径上进行滤波，抑制带外噪声和干扰，确保信号符合频谱规范。低噪声放大：

在接收路径上，对微弱的接收信号进行初步放大，同时尽量引入最小的噪声。双工处理：

实现发射和接收信号在同一根天线或天线阵列上的分离（通常通过双工器）。天线接口：

直接连接到天线或天线阵列。8.5第五代移动通信技术

BBU与RRU之间的连接与协作连接方式：BBU和RRU之间通过光纤连接。早期主要使用CPRI接口标准传输数字化的基带采样信号。随着5G需求（更大带宽、更低时延），eCPRI接口被引入，它可以将部分物理层功能下沉到RRU（或称为AAU），传输的内容可以是部分处理的比特流而非原始采样信号，从而降低传输带宽需求。协作流程：下行（网络到用户）：

核心网数据->BBU（进行协议栈处理、基带信号生成）->通过光纤（CPRI/eCPRI）->RRU（数模转换、射频调制、功率放大）->天线辐射出去。上行（用户到网络）：

天线接收信号->RRU（低噪放大、射频解调、模数转换）->通过光纤（CPRI/eCPRI）->BBU（基带信号处理、协议栈处理）->核心网。BBU：

是基站的“大脑”和“后台处理中心”，负责复杂的数字信号处理、协议处理、资源管理和网络连接。RRU：

是基站的“肌肉”和“前端收发器”，负责将数字基带信号与空中传播的射频信号进行转换和功率放大，部署在靠近天线处。协同：

两者通过高速光纤连接（CPRI/eCPRI），共同完成4GLTE信号的无线收发和处理任务。这种分离式设计是4G及后续5G网络提升性能、灵活性和效率的关键架构。2.接入网架构的变化在5G网络中，接入网不再是由BBU、RRU、天线这些东西组成了。而是被重构为3个功能实体：CU、DU、AAU。CU(CentralizedUnit,集中单元)：原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。DU(DistributeUnit,分布单元)：BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。AAU(ActiveAntennaUnit,有源天线单元)：BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。8.5第五代移动通信技术

2.接入网架构的变化8.5第五代移动通信技术

图8.164G与5G接入网架构变化2.接入网架构的变化8.5第五代移动通信技术

4G(LTE):BBU(基带处理单元)：

集中处理物理层高层（部分PHY）、MAC层、RLC层、PDCP层、RRC层等所有协议栈功能，以及无线资源管理、传输接口等。是一个功能相对集中的硬件实体。RRU(射频拉远单元)：

负责数模/模数转换、射频调制解调、功率放大、低噪放大、滤波等纯射频功能。通过光纤（CPRI接口）与BBU连接。架构特点：

基本是BBU+RRU的两层架构。BBU通常部署在机房，RRU部署在塔上/靠近天线处。2.接入网架构的变化8.5第五代移动通信技术

5G(NR):CU(集中单元-CentralizedUnit)：处理高层协议栈功能，主要是PDCP层

和RRC层、SDAP层。负责非实时功能：无线资源控制、连接管理、移动性管理、小区间协调、数据传输（用户面和控制面分离）、QoS流映射（SDAP）。位置更灵活：可部署在区域中心机房或云化平台上（靠近核心网），实现资源池化和集中管理。DU(分布单元-DistributedUnit)：处理实时性要求高的基带处理功能，主要是RLC层、MAC层、物理层高层（HighPHY）。负责调度、HARQ、部分物理层处理（如编码/调制映射、预编码、资源映射）。通常部署在靠近AAU的位置（如本地机房、汇聚点），满足低时延要求。2.接入网架构的变化8.5第五代移动通信技术

AAU(有源天线单元-ActiveAntennaUnit)：是RRU的演进形态，将传统RRU和天线物理上集成在一起。除了RRU的功能（射频收发、功放、滤波、低噪放），还集成了大规模天线阵列，直接支持MassiveMIMO和波束赋形。处理部分物理层底层功能（LowPHY），如快速傅里叶变换/反变换、部分波束赋形权重应用等（具体划分取决于实现方式）。架构特点：

演变为CU+DU+AAU的三层架构。核心是将4GBBU的功能按实时性要求拆分为CU和DU，并将RRU升级为集成了天线和部分物理层功能的AAU。2.接入网架构的变化8.5第五代移动通信技术

图8.164G与5G接入网架构变化4G(LTE):BBU-RRU接口：

主要采用CPRI(通用公共无线接口)。它传输的是未经压缩的原始I/Q采样数据，带宽需求巨大（尤其是多天线场景），对光纤资源消耗大。BBU-核心网接口：S1接口（控制面S1-C，用户面S1-U）。BBU-BBU接口(可选)：X2接口，用于基站间协调和切换。2.接入网架构的变化8.5第五代移动通信技术

5G(NR):DU-AAU接口(前传-Fronthaul):主要采用eCPRI(演进型CPRI)或IEEE1914.3(RoE)。关键变化：不再传输原始I/Q采样数据，而是传输经过部分处理（如压缩、波束域数据、PRB数据）的比特流或更高效的数据格式。这大大降低了对前传带宽的需求（可能降低10倍以上），允许使用更便宜的承载网络（如部分场景可用25GbE甚至10GbE）。支持功能切分的灵活性（不同Low/HighPHY切分点）。CU-DU接口(中传-Midhaul):采用F1接口。F1接口明确分为F1-C(控制面)和F1-U(用户面)。F1接口基于IP传输，标准化程度高，使得CU和DU可以来自不同供应商，促进网络开放和解耦。CU-核心网接口(回传-Backhaul)：NG接口（控制面NG-C，用户面NG-U）。gNB-gNB接口(Xn接口)：

类似4G的X2，但功能增强。8.5第五代移动通信技术

特征4G(LTE)5G(NR)变化的核心目的与优势核心架构BBU+RRU(2层)CU+DU+AAU(3层)功能解耦与重构：按实时性分离功能，提升灵活性与可扩展性射频单元RRU(射频功能)AAU(射频+天线+部分LowPHY)深度集成天线：原生支持MassiveMIMO与波束赋形，提升覆盖与容量前传接口CPRI

(原始I/Q，高带宽)eCPRI/RoE

(处理后的数据，低带宽)大幅降低前传带宽需求，降低成本，增加部署灵活性新接口X2(基站间)F1(CU-DU)，Xn(增强的基站间)实现CU-DU解耦，支持异厂商互通；标准化开放接口虚拟化BBU虚拟化探索阶段CU云化(主流)，DU虚拟化推进中资源池化、弹性伸缩、自动化管理、降低成本网络切片支持有限原生支持的关键架构基础

(通过CU-DU分离与云化)实现差异化、端到端、按需服务的网络边缘计算外挂式集成架构内深度集成

(用户面下沉UPF/CU-UP)极低时延业务、本地数据处理基站名称eNBgNB-3.承载网的变化承载网是基础资源，必须先于无线网部署到位。5G想要满足以上应用场景的要求，承载网是必须要进行升级改造的。在5G网络中，之所以要功能划分、网元下沉，根本原因，就是为了满足不同场景的需要。因为承载网的作用就是把网元的数据传到另外一个网元上。8.5第五代移动通信技术

4.核心网的变化与4G相比，5G网络逻辑结构彻底改变了。5G核心网采用的是SBA架构（ServiceBasedArchitecture，基于服务的架构）。SBA架构，基于云原生构架设计，借鉴了IT领域的“微服务”理念。把原来具有多个功能的整体，分拆为多个具有独自功能的个体。每个个体，实现自己的微服务。5G核心网就是模块化、软件化。就是为了“切片”，为了满足不同场景的需求。8.5第五代移动通信技术

对于移动通信技术来说，无线空口是制约网络性能的最关键的因素。5G通过多样化部署、多样化频谱、多样化服务和终端等手段，构成了更强大的空口技术，以实现高速率、低时延，灵活应对各种应用场景。8.5第五代移动通信技术

8.5.35G空口关键技术1.多载波技术R15标准确定采用由多载波（MCM）技术发展而来的正交频分复用（OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex）技术。下行采用的是循环前缀正交频分复用（CP-OFDM）波形，上行采用CP-OFDM及傅里叶变换扩展OFDM（DFT-S-OFDM，DiscreteFourierTransformSpreadOFDM）或SC-FDMA，这样做可以有效降低发射波形的峰值平均功率比（PAPR）以减轻功放回退的要求，从而降低了终端发射机的功耗。8.5第五代移动通信技术

1.多载波技术3GPPRelease15（R15）是5G标准的第一个正式版本，于2018年6月完成功能冻结（ASN.1冻结），标志着5G技术从理论走向商用。它是5G的基石性标准，定义了5G的核心架构、关键技术及初代组网方案，为后续版本演进奠定基础。以下是其核心内容解析：一、R15的核心目标快速部署：通过NSA（非独立组网）

方案，利用现有4G核心网（EPC）快速推出5G服务。长期框架：完成SA（独立组网）

架构设计，构建真正的5G核心网（5GC）。基础能力覆盖：重点支持eMBB（增强移动宽带）

场景，兼顾URLLC（低时延高可靠通信）

初步需求。8.5第五代移动通信技术

8.5第五代移动通信技术

模式技术方案特点NSA（非独立组网）基于4G核心网（EPC）EN-DC（E-UTRA-NR双连接）：4G基站（eNB）为主站，5G基站（gNB）为辅站快速商用（2019年主流方案）依赖4G锚点，无法支持5G核心功能SA（独立组网）基于全新5G核心网（5GC）gNB直接连接5GC真5G架构支持网络切片、边缘计算频谱支持：Sub-6GHz（FR1）：3.5GHz、2.6GHz等（主流频段）毫米波（FR2）：24.25GHz–52.6GHz（高频段，用于热点覆盖）灵活参数设计：可扩展Numerology：支持多种子载波间隔（15/30/60/120kHz），适配不同场景。动态时隙结构：Mini-slot（2~14符号）满足URLLC低时延需求。物理层技术：信道编码：数据信道用LDPC码，控制信道用Polar码。大规模MIMO：支持64T64R以上天线阵列，波束赋形（Beamforming）成为必选。2.频段5G系统中，定义了多种频段，FR1和FR2分别对应不同的频段范围，2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz都属于FR1，26GHz和39GHz则属于FR2。中国移动获得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz频段的5G试验频率资源，中国联通获得3500MHz-3600MHz频段的5G试验频率资源，中国电信获得3400MHz-3500MHz频段的5G试验频率资源。8.5第五代移动通信技术

8.5第五代移动通信技术

特性FR1（Sub-6GHz）FR2（毫米波mmWave）频率范围450MHz–6GHz24.25GHz–52.6GHz主流频段•中国：2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz•欧洲：3.4–3.8GHz•美国：2.5GHz、3.7–3.98GHz•24.25–27.5GHz（全球主流）•37–40GHz（美国）•47–48GHz（日本）带宽单载波最大

100MHz单载波最大

400MHz（8×100MHz载波聚合）标准化名称3GPP

n1/n3/n28/n41/n78

等3GPP

n257/n258/n260/n261

等FR1（Sub-6GHz）FR2（毫米波）✅广域连续覆盖（城市/乡村）✅超高密度热点（场馆、商业区）✅移动宽带（eMBB）基础网络✅固定无线接入（FWA替代光纤）✅物联网（NB-IoT/RedCap）✅工业互联网（URLLC+大上行带宽）✅车联网（V2X中低速通信）✅沉浸式XR（AR/VR8K实时传输）3.超密集组网超密集组网技术就是以宏基站为‘面’，在其覆盖范围内，在室内外热点区域，密集部署低功率的小基站，将这些小基站作为一个个‘节点’，打破传统的扁平、单层宏网络覆盖模式，形成‘宏—微’密集立体化组网方案，以消除信号盲点、改善网络覆盖环境。5G技术引入了体积小，耗能低的微基站，这种基站可以安装部署在城市的任何位置，可以安装到路灯、信号灯、商场、住房等等。每个基站可以从其它基站接收信号并向任何位置的用户发送数据。信号接收均匀，承载量大，形成泛在网，解决高频段长距离传输差的缺点。8.5第五代移动通信技术

4.大规模天线大规模天线技术（MassiveMultiInputMultiOutput）作为5G的核心关键技术，在满足eMBB、uRLLC和mMTC业务的技术需求中发挥着至关重要的作用。例如，针对eMBB场景，其主要技术指标为频谱效率、峰值速率、能量效率、用户体验速率等，高阶MU-MIMO传输可以获得极高的频谱效率，同时，随着天线规模的增加，用户间干扰和噪声的影响都趋于消失，达到相同的覆盖和吞吐量所需的发射功率也将降低，提升能量效率。8.5第五代移动通信技术

5.高性能编码信道编码选择基本原则是高编码性能（纠错能力以及编码冗余率好）、编码效率（复杂度及能效）、灵活性（编码的数据块大小、能否支持“增量冗余的混合自动重传”）。在此基础上，5G的编码分成了以下几种：（1）Turbo码（2）LDPC码（LowDensityParityCheckCode）（3）Polar码8.5第五代移动通信技术

8.5第五代移动通信技术

分类核心内容技术细节/说明网络架构CU-DU-AAU三层分离•

CU：处理高层协议（PDCP/RRC），非实时功能•

DU：实时基带处理（MAC/PHY高层）•

AAU：集成天线+射频+部分物理层（波束赋形）核心网革新•

SBA服务化架构（微服务设计）•

UPF下沉（支持边缘计算）•

控制面/用户面分离（CUPS）频谱划分FR1（Sub-6GHz）•

范围：450MHz–6GHz•

特点：覆盖广（穿透强）、带宽≤100MHz•

应用：广域覆盖、移动宽带、物联网FR2（毫米波）•

范围：24.25GHz–52.6GHz•

特点：带宽高达400MHz、速率10Gbps+、但覆盖弱•

应用：热点区域、FWA、XR/工业互联网关键技术无线技术•

MassiveMIMO（64T64R以上天线）•

波束赋形与追踪（对抗毫米波衰减）•

灵活参数集（子载波间隔15/30/60/120kHz）核心突破•

网络切片（端到端逻辑隔离）•

eCPRI前传接口（带宽比CPRI降低10倍）•

LDPC/Polar码（数据/控制信道编码）8.5第五代移动通信技术

分类核心内容技术细节/说明标准演进R15（2018）•首个商用标准•定义NSA/SA双模架构•支持基础eMBB，URLLC/mMTC能力有限R16（2020）•增强URLLC（时延≤1ms，可靠性99.999%）•支持V2X车联网、5G定位•完善网络切片管理R17（2022）•引入RedCap轻量化物联网•扩展毫米波能力、卫星通信（NTN）•AI/