什么是5G

5G(5th Generation Mobile Communication System)指第五代移动通信系统

5G的特性

• 高速率
• 低时延
• 大连接/高网络容量：两个层面，无所不包和无所不在
  具体而言，4G的大功率宏基站虽然覆盖范围大，但是距离基站远的位置信号弱；而5G大量密集部署小功率微基站，从而覆盖末梢通信点
• 低功耗
  目的是在保证网络质量的同时降低成本，主要有eMTC和NB-IoT技术，它们都是基于4G的两种移动物联网制式（相当于阉割的4G协议，沿用到5G物联网中，是因为物联网不需要大速率/低时延，而是追求能够接入大量设备，如路灯、电表等）

eMTC和NB-IoT互为补充：

• NB-IoT技术使得移动网络覆盖范围更大、能接入的设备更多、设备功耗更低，但是速率低、时延高
• eMTC则网络速率高、时延短

5G的三大应用场景

5G三大应用场景：

• 增强移动宽带业务eMBB(enhanced Mobile Broadband)
  整体提升用户体验，即网络覆盖范围更大、速率更快、用户容量更多
• 海量机器类通信业务mMTC(massive Machine Type Communication)
  属于物联网的应用场景，侧重人与物的信息交互，主要是依靠5G的大容量来支持海量终端接入，从而实现智慧城市、智慧工厂和智能家居等
• 低时延高可靠通信业务uRLLC(ultra Reliable Low Latency Communication)
  也属于物联网的应用场景，侧重物与物的通信需求，主要是依靠5G的低时延、高可靠、高可用性来实现车联网、自动驾驶、远程医疗等

可见，5G不单单是给人用的（2C），其变革性在于在垂直行业应用的拓展（2B）
上面的eMBB就主要适用于 2C 的 VR、AR、8K、云游戏等；而mMTC和uRLLC则是用于2B

目前在NSA组网下，仅实现了支持 eMBB 的 5G 网络

增强移动宽带业务eMBB的实现：高速率

根据香农公式$C=Blo{g}_2(1+S/N)$，提升传输速率最直接的方法是提高带宽，可以从三个方面来实现：

• 毫米波：电磁波波长短频率高，是微波向高频的延伸和光波向低频的发展
• MIMO：利用空间资源，在不同空间信道上使用同样的频段，从而提高系统容量和频谱利用率，主要带来分集增益和复用增益
• 载波聚合CA：多个载波同时为用户传输

此外，还有一些其他技术：

• 同时同频全双工CCFD：提高传输效率
• 3D波束赋形：控制信号相位，使其精准指向移动终端，从而留出更多的空间信道资源，提高空间利用率和抗干扰性
• 设备到设备通信D2D：终端不经过基站直接通信，降低功耗

毫米波

毫米波带来了更丰富的频带资源，而电磁波的频率越高，绕射能力越弱，穿透能力越强，传播中的能量消耗也越大

• 故毫米波以直射波的形式进行视距传输，具有可靠性
• 毫米波传输损耗大，传输距离短，覆盖范围小（因此基站的覆盖范围也随之减小，需要微基站）
• 毫米波绕射能力差，易受阻挡
• 毫米波波束很窄，方向性良好

5G其实没什么突破性的新技术，提升速率和容量无非就是：

• Massive MIMO增加天线数量
• 继续开发高频段，即毫米波波段，但又毫米波特性决定了覆盖范围小，必须使用微基站和超密集组网

波束赋形

聚拢信号能量，从而产生方向性波束(类比喊话时使用喇叭将声音聚拢，声波就能传输得更远)，一般波束越窄，信号增益越大，但只要波束偏离用户，信号质量极差

• 波束管理技术：将波束快速对准用户
• 波束扫描：基站先用宽波束粗扫描，确定用户大致方向，然后用窄波束扫描，对准用户形成高质量链路
• 波束匹配：对于发射波束，终端变换并选择最佳接受波束（从预先定义的码本中选择最优的码本进行接收），形成一对最佳波束对

多点协作传输CoMP技术：干扰抑制

多点协作传输CoMP(Coordinated Multipoint)，不同基站协作解决干扰问题，两种思路：避免干扰/将干扰转化为有用信号
CoMP本质上就是MIMO技术在多小区场景下的应用，即利用空间信道上的差异来传输信号

• 动态小区选择DCS：多个协作小区都有要为终端发送的数据包，但同一时刻只有一个小区在向终端发送数据（根据信道状态选择发送数据的基站，多小区采用动态切换的方式发送数据到一个终端），最终消除了小区间干扰
• 协同调度/波束赋形CS/CBF:协作小区通过波束协调调度，将波束的方向避开，减少波束间的互相干扰
• 联合传输JT：多个协作小区在同一时刻发送（相同或者不同的）数据到同一终端，将小区间的干扰信号变为有用信号，从而减少小区间干扰

同时同频全双工CCFD

传统的双工方式：TDD和FDD，它们都需要将通信资源分为两份，供双向通信使用，需要双倍的资源开销
同时同频全双工CCFD：在同一时间和同一频段实现双向通信，提升了频谱效率，增加系统的数据吞吐量

CCFD的关键技术：自干扰消除，也就是消除自己发出的信号
自干扰消除具体有三类：

• 天线抑制消除：增加收发天线的隔离度，从而自己的发射天线发出的信号无法进入接收天线
• 射频干扰消除：将发射天线的信号作为干扰参考信号，从接收信号中减去干扰参考信号（实际上还需要经过反馈电路调节干扰参考信号的幅度相位）
• 数字干扰消除：解调后的信号，减去在数字域重建的干扰信号

正交频分复用OFDM与F-OFDM

传统的复用有TDM、FDM、CDM，其中CDM的思想是用正交的扩频码处理数据，使得数据能够在同时同频上传输，并且还能被完全分离

到了4G时代，提出的复用技术是OFDM
相比FDM，OFDM的各个子载波不需要保护频带，即使这样各载波也能完全分离，原因就在于各个子载波之间正交（正弦/复指数信号的正交特性），其思想与CDM有异曲同工之妙

然而，OFDM信号，在连续的频带内虽然无需保护频带，但在频带的边缘，仍然逃不了使用保护频带，在 4G 网络中，这个保护频带所占用的带宽要达到总带宽的10%，也就是说 10%的频率资源都白白浪费掉了

5G的改进在于使用F-OFDM，泄漏情况大大改善，保护频带所占用的频带缩减到 2-3%，从而数据传输速率可以提升 8%左右

海量机器类通信业务mMTC的实现：非正交多址NOMA

即使是F-OFDM 的复用效率，远远没法支撑 mMTC 宏大的目标：每平方公里能同时接入100 万个设备

海量机器类通信业务mMTC的场景，需要实现大量终端的同时通信，因此引入了非正交多址NOMA

复用技术，就是同一个信道上同时传输多个数据流；
多址技术，就是同一个信道上同时传输多个数据流，且每个数据流服务一个用户，最终同一信道服务多个用户

多址技术的演进：

• 1G为FDMA，2G为TDMA，3G为CMDA
• 4G为正交频分多址OFDMA：一般OFDMA指的是OFDM/FDMA，即：同一时刻，频带资源分成多份，供多个用户同时使用，甚至可以动态为不同用户分配子载波数

OFDM中同一时刻仅一个用户，占用所有频带资源；
而OFDMA是OFDM与多路存取的结合，有OFDM/FDMA、OFDM/TDMA、OFDM/CDMA

• 5G为正交频分复用NOMA：发送端非正交发送，主动引入干扰（虽然单个用户仍为OFDMA，但不同用户的子载波重叠在同一个频段，这样总体上就是“非正交多址”）；接收端使用串行干扰删除SIC技术解调（依次分离功率最强的信号）

NOMA的具体方案有：华为的 SCMA、中兴的 MUSA 、大唐的PDMA等

NOMA的优势：

• NOMA在时域、频域、码域之外，开辟了新的功率域，通过串行干扰删除SIC技术解调
  原来多个用户之间互相竞争频谱资源，而NOMA中多个用户共享同一频谱资源，从而所有终端都能获得最大的可接入带宽，最终可以容纳大规模连接
  

• 原先的正交多址OFDMA需要严格的接入流程和调度控制，成本高且接入节点数量受限；
  而NOMA连接成本和功耗低，可实现海量接入（类比传统收费站，货车和轿车严格接收分别的调度；而NOMA就好比ETC，自动识别车辆和费用，控制开销很小）

• NOMA无须知道每个信道的状态信息

但是要注意，NOMA的缺点也很明显：

• NOMA仅适用于单用户传输少量的数据，而用户数量很大的场景
• 用户需要高速率传输大量数据时，用户之间的干扰，会直接抹平 NOMA 复用效率的提升

因此，只有 mMTC场景下，会采用 NOMA

此外，对于uRLLC场景，也不需要连续传输大量数据，用 OFDM 或者 NOMA 都有可能

5G的复用和多址技术，不是单一的 OFDM，而为了适应更多场景，会采OFDM+NOMA 的结合

各频段的频谱利用

高频段和中低频段都要充分利用，一方面高频段解决了热点地区的容量问题，另一方面中低频段解决网络覆盖，保证远距离通信，高中低频段相互补充

• 增强中低频段的利用，使用频谱共享技术，细分为频谱聚合（多个载波碎片聚合为一个更宽的频谱）、射频聚合（不同网络链路如LT）

低时延高可靠通信业务uRLLC的实现

移动边缘计算MEC

• 移动云计算：[集中式大数据处理]计算任务在云端完成，终端只负责数据输入输出

如果终端直接访问移动云计算，带来大量数据传输，增加网络牙利

• 移动边缘计算MEC：[边缘式大数据处理]在接近终端的位置提供云计算，将计算能力下沉到分布式基站（原来的数据中心分为多个小型的数据中心，并部署在核心网边缘）
• 移动边缘计算MEC有助于实现低时延和高带宽，可用于增强现实AR、车联网、智能视频加速等

扩展现实XR与5G

XR扩展现实，包括VR、AR等技术
传统VR设备，对于CPU与GPU的算力要求高，故导致了VR眼睛设备庞大；
而如果利用移动边缘计算，结合5G的高速率和低时延，使CPU与GPU从VR眼镜中分离出来放在云端，直接将渲染好的图像传输至VR设备，VR眼镜转变成了单纯的显示设备，即可实现轻量化

R17将评估边缘云+轻量化终端的分布式架构是否能支撑XR应用场景

终端直通技术D2D

终端与终端在近距离内自建链路进行通信，而无须经过基站，从而降低核心网压力，实现低延迟

• 集中式控制D2D：基站获得链路信息，控制D2D连接
• 分布式D2D：设备获取链路信息，自主建立D2D连接

D2D可用于本地业务、基站受损时的应急通信、车联网中的V2V通信

5G网络架构

• 接入网：密集的基站部署、智能的基站间协作
• 承载网（打通基站和中心机房之间的数据传输，连接接入网与核心网，也连接核心网内部的电信机房与骨干网）：带宽更大，时延更短
• 核心网（数据的处理和路由，超级路由器）：虚拟化，灵活分配资源

超密集组网架构

5G使用更高频段（毫米波），带来了更丰富的频带资源，而电磁波的频率越高，绕射能力越弱，穿透能力越强，传播中的能量消耗也越大，从而基站的覆盖范围也随之减小，因此需要微基站的密集建设，微基站功率更小，离移动终端更近

具体实现中，有两种超密集组网架构

• 宏基站&微基站部署模式：宏基站（含接入集中控制模块）管理微基站，微基站对用户提供服务，而对于一些快速移动的终端，为了防止频繁切换基站，直接由宏基站提供服务
• 微基站&微基站部署模式：微基站共同协作，为某片区用户提供服务，即虚拟宏小区技术：一个微基站（含接入集中控制模块）代替之前的“主管”宏基站，而所有基站之间占用部分信道资源进行协调

以用户为中心的网络UCN

以用户为中心的网络UCN(User-Centric Networks)，核心思想：终端用户可以按需选择和控制为其服务的网络

• 传统网络，用户优先连接信号最好的基站，因而在两个基站边缘需要进行切换，这可能造成“掉线”问题
• 5G微基站下，切换更频繁，更可能产生“掉线”问题
• 5G将[以基站为中心]的架构变为[以用户为中心]，维护动态站点集合，用户与多个基站/基站群连接，从而保证用户始终处于“逻辑小区”的中心，消除边界上的切换和信号弱的问题（即使一部分基站在切换，终端也与其他一些基站保持连接）

集中式无线接入网C-RAN

网络架构的演进：

• 传统一体化基站：每个基站自成体系，基站和配套设施在机房内，然后基站经过馈线与铁塔上的天线连接
• 分布式基站：将基站分为室外的远程无线电单元RRU和室内的基带带宽单元BBU，一个BBU带动多个RRU，两者由光纤连接
• C-RAN：减少基站数量从而降低功耗，另外通过集中式、协作式技术，将基站集中为一个大的基站资源池，并通过虚拟化集群实现基站之间的资源共享和调度，最终高效利用资源。
  5G在无线资源虚拟化中引入NFV和SDN，进一步根据处理内容的实时性，将BBU切分为中央单元CU和分布式单元DU，CU处理非实时的无线高层协议栈，DU处理实时的物理层和数据链路层功能，为节省RRU和DU的传输资源也可将部分物理层功能上移至RRU

C-RAN的特点：

• 集中化处理Centralized Processing
• 协作式无线电Collaborative Radio
• 云计算架构Cloud Infrastructure
• 绿色无线接入网架构Clean system

网络切片技术

网络切片，就是将物理网络分为多个虚拟网络，每个虚拟网络对应不同场景，即满足不同的服务需求（时延、带宽、可靠性），各个网络切片独立运行，各取所需，总体上更有效的利用资源，实现分类管理、灵活部署

具体实现上，使用网络功能虚拟化NFV这一工具，将网络切分为提供不同服务的网络切片，将网络设备分解为硬件和软件，用软件来控制真实硬件上的网络功能；
对应将网络分为物理链路层和逻辑链路层。逻辑上，切片就是根据需求来重组网络功能NF资源，底层数据的具体传输，则由通用服务器统一部署硬件来完成

无人机UAV基站

UAV基站就是用无人机搭载通信基站，可以灵活部署，提供空中接入，用于灾区临时基站、热点地区的补热覆盖、为建筑物阴影补盲等

5G非地面网络（5G NTN）

将5G用于非对地面通信（对空、对海等），可使5G用于无人机、船只通信，从而建设立体覆盖的网络

• 对人通信：5G非地面网络，由THALES牵头
• 对物通信：NB-IoT与eMTC非地面网络，由联发科牵头

6G技术

6G愿景：智慧连接、深度连接、泛在连接
具体技术：太赫兹通信、可见光通信、轨道角动量技术（传统使用电磁波的线动量）、空天地一体化网络