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5G移动通信系统及关键技术1 .第1章移动通信技术的发展及5G标准2 .第2章5G愿景与需求3 .第3章5G无线技术4 .第4章5G网络技术5 .第5章5G的频谱6 .第6章5G支撑技术7 .第7章5G网络的安全8 .第8章5G网络规划部署初探9 .参考文献10 .反侵权盗版声明11 .Jg第1章移动通信技术的发展及5G标准1.1 移动通信的发展历史1.1.1 移动通信的发展通信是衡量一个国家或地区经济文化发展水平的重要标志，对推动社会进步和人类文明的发展有着重大的影响。随着社会经济的发展，人类交往活动范围的不断扩大，人们迫切需要交往中的各种信息。这就需要移动通信系统来提供这种服务。移动通信系统由于综合利用了有线和无线的传输方式，解决了人们在活动中与固定终端或其他移动载体上的对象进行通信联系的要求，使其成为20世纪70年代以来发展最快的通信领域之一。目前，我国的移动通信网络无论从网络规模还是用户总数上来说，都已跃居世界首位。无线通信的发展历史可以上溯到19世纪80年代赫兹(HeinriChHertZ)所做的基础性实验，以及马可尼(GuglielmoMarconi)所做的研究工作。移动通信的始祖马可尼首先证明了在海上轮船之间进行通信的可行性。自从1897年马可尼在实验室证明了运动中无线通信的可应用性以来，人类就开始了对移动通信的兴趣和追求。也正是20世纪20年代末，奈奎斯特(HarryNyquist)提出了著名的采样定理，成为人类迈向数字化时代的金钥匙。移动通信是指通信双方或至少有一方处于运动中，在运动中进行信息交换的通信方式。移动通信的主要应用系统有无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信、海事卫星移动通信等。陆地蜂窝移动通信是当今移动通信发展的主流和热点。众所周知，个人通信(PerSOnalCOmmUniCatiOnS)是人类通信的最高目标，是用各种可能的网络技术实现任何人(WhOeVer)在任何时间(WheneVer)、任何地点(WhereVer)与任何人(WhOeVer)进行任何种类(WhateVer)的信息交换。个人通信的主要特点是每一个用户有一个属于个人的唯一通信号码。它取代了以设备为基础的传统通信号码。电信网能够随时跟踪用户并为其服务，不论被呼叫的用户在车上、船上、飞机上，还是在办公室里、家里、公园里，电信网都能根据呼叫人所拨的个人号码找到用户，然后接通电路提供通信，用户通信完全不受地理位置的限制。实现个人通信，必须要把以各种技术为基础的通信网组合到一起，把移动通信网和固定通信网结合在一起，把有线接入和无线接入结合到一起，才能综合成一个容量极大、无处不通的个人通信网，被称为“无缝网”，形成所谓万能个人通信网(UPT)。这是21世纪电信技术发展的重要目标之一。移动通信是实现个人通信的必由之路。没有移动通信，个人通信的愿望是无法实现的。1.1.2 第一代(IG)移动通信系统D.H.Ring在1947年提出蜂窝通信的概念，在20世纪60年代对此进行了系统的实验。20世纪60年代末、70年代初开始出现了第一个蜂窝(Cellular)系统。蜂窝的意思是将一个大区域划分为几个小区(Cell),相邻的蜂窝区域使用不同的频率进行传输，以免产生相互干扰。大规模集成电路技术和计算机技术的迅猛发展，解决了困扰移动通信的终端小型化和系统设计等关键问题，移动通信系统进入了蓬勃发展阶段。随着用户数量的急剧增加，传统的大区制移动通信系统很快就达到饱和状态，无法满足服务要求。针对这种情况，贝尔实验室提出了小区制的蜂窝式移动通信系统的解决方案，在1978年开发了AMPS(AdvanceMobilePhoneService)系统。这是第一个真正意义上的具有随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。它结合频率复用技术，可以在整个服务覆盖区域内实现自动接入公用电话网络，与以前的系统相比，具有更大的容量和更好的话音质量。因此，蜂窝化的系统设计方案解决了公用移动通信系统的大容量要求和频谱资源受限的矛盾。欧洲也推出来了可向用户提供商业服务的通信系统TACS(TotalAccessCommunicationSystem)o其他通信系统还有法国的450系统和北欧国家的NMT-450(NordicMobileTelephone-450)系统。这些系统都是双工的FDMA模拟制式系统，被称为第一代蜂窝移动通信系统。这些系统提供相当好的质量和容量。在某些地区，它们取得了非常大的成功。第一代系统所提供的基本业务是话音业务(VOiCeCOmmImiCation)。在这项业务上，上面列出的各个系统都是十分成功的。其中的一些系统直到目前还仍在为用户提供第一代通信服务。1.1.3 第二代(2G)移动通信系统随着移动通信市场的迅速发展，对移动通信技术提出了更高的要求。由于模拟系统本身的缺陷，如频谱效率低、网络容量有限、保密性差、体制混杂、不能国际漫游、不能提供ISDN业务、设备成本高、手机体积大等，使模拟系统无法满足人们的需求。为此，在20世纪90年代初，开发出了基于数字通信的移动通信系统，即数字蜂窝移动通信系统第二代移动通信系统。数字技术最吸引人的优点之一是抗干扰能力和潜在的大容量。也就是说，它可以在环境恶劣和需求量更大的地区使用。随着数字信号处理和数字通信技术的发展，开始出现一些新的无线应用，如移动计算、移动传真、电子邮件、金融管理、移动商务等。在一定的带宽内，数字系统良好的抗干扰能力使第二代蜂窝系统具有比第一代蜂窝移动通信系统更大的通信容量，更高的服务质量。采用数字技术的系统具有下述特点。(1)系统灵活性：由于各种功能模块，特别是数字信号处理(DigitaisignalProcessing,DSP)、现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)等可编程数字单元的出现和成熟，使系统的编程控制能力和增加新功能的能力与模拟系统相比大大提高。(2)高效的数字调制技术和低功耗系统：一方面，利用数字调制技术的系统，频谱利用率和灵活性等都超过了同类的模拟系统；另一方面，数字调制技术的采用，使系统的功率消耗降低，从而延长了电池的使用寿命。(3)系统的有效容量：在这方面，模拟系统是无效的，比如在配置给AMPS的333个信道中，大约有21个用于呼叫接通。这21个信道降低了有效带宽系统的通信能力，通过数字技术，用于同步、导频、传输控制、质量控制、路由等的附加比特位大大降低。(4)信源和信道编码技术：相比于有线通信，无线通信的频率资源是极其有限的。新一代的信源和信道编码技术不仅实现了数字语音和数据通信的综合，降低了单用户的带宽需要，使多个用户的语音信号复用到同一个载波上，并且改善了移动环境中信号传送的可靠性。如速率为13.2kbits的、应用于GSM系统的RPE-LTP(RegularPulseExcitedLongTermPrediction)语音压缩技未，速率为8kbits应用于IS-54系统的VSELP(VectorSumExcitedLinearPredictions)语音压缩技术，以及目前受到广泛重视的TUrbo信道编码技术等，不仅提高了频谱效率，也增强了系统的抗干扰能力。(5)抗干扰能力：数字系统不仅有更好的抗同信道干扰(CCI)和邻信道干扰(ACI)能力，而且有更好的对抗外来干扰能力。同时，采用数字技术的系统可利用比特交织、信道编码、编码调制等技术进一步提高系统的可靠性和抗干扰能力。这也是第二代、第三代和第四代蜂窝移动通信系统采用数字技术的重要原因之一。由于数字系统有可能在很高CCl和ACl的环境中工作，设计者可利用这个特征降低蜂窝尺寸，减少信道组的复用距离，减少复用组的数量，大大提高系统的通信容量C(6)灵活的带宽配置：由于模拟系统不允许用户改变带宽以满足对通信的特殊要求，因而对于一个预先固定带宽的通信系统，频谱的利用率可能不是最有效的。从原理上讲，数字系统有能力比较容易灵活地配置带宽，从而提高利用率。灵活的带宽配置虽未在第二代系统中得以充分体现，但它是采用数字技术的又一大优点。(7)新的服务项目：数字系统可以实现模拟系统不能实现的新服务项目，比如鉴权、短消息、WWW浏览、数据服务、语音和数据的保密编码，以及增加综合业务(ISDN)、宽带综合业务(B-ISDN)等新业务(这些应用在第二代移动通信系统中未能全部直接实现)。(8)接入和切换的能力和效率：对于固定数量的频谱资源，蜂窝系统通信容量的增加意味着相应蜂窝尺寸的减小，同时意味着更为频繁的切换和信令活动。基站将处理更多的接入请求和漫游注册。由于数字系统具有上述优点，所以第二代移动通信系统采用数字方式，被称为第二代数字移动通信系统。在第一代移动通信系统中，欧洲国家使用的制式各不相同，技术上也不占有很大优势，并且不能互相漫游。因此在开发第二代数字蜂窝通信系统时，欧洲联合起来研制泛欧洲的移动通信标准，提高竞争优势。为了建立一个全欧统一的数字蜂窝移动通信系统，1982年，欧洲有关主管部门会议(CEPT)设立了移动通信特别小组(GroupSpecialMobile.GSM)协调推动第二代数字蜂窝通信系统的研发，在1988年提出主要建议和标准，1991年7月双工TDMA制式的GSM数字蜂窝通信系统开始投入商用。它拥有更大的容量和良好的服务质量。美国也制定了基于TDMA的DAMPS、IS-54、IS-136标准的数字网络。美国的QUalcomm公司提出一种采用码分多址(CDMA)方式的数字蜂窝通信系统的技术方案，成为IS95标准，在技术上有许多独特之处和优势。日本也开发了个人数字系统(PDC)和个人手持电话系统(PHS)技术。第二代移动通信系统使用数字技术，提供话音业务、低比特率数据业务以及其他补充业务。GSM是当今世界范围内普及最广的移动无线标准。1993年，我国第一个全数字移动电话系统(GSM)建成开通。现在，我国主要使用的移动通信网络有GSM和CDMA两种系统。在市场方面，主要有三种技术标准获得较为广泛的应用，即主要应用于欧洲和世界各地的GSMs北美的IS-136和日本的JDC(JapaneseDigitalCellular)或PDC(PacificDigitalCellular)o第二代无绳电话标准有CT-2和DECT(DigitalEuropeanCordlessTelecommunications)o1.1.4 第三代(3G)移动通信系统由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有实现最初的目标，比如统一的全球标准；同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求愈来愈高，几千比特每秒的数据传输能力已经不能满足某些用户对于高速率数据传输的需要，一些新的技术，如IP等不能有效地实现。这些需求是高速率移动通信系统发展的市场动力。在此情况下，具有915OkbitZS传输能力的通用分组无线业务(GeneraipacketRadioServices,GPRS)系统和其他系统开始出现，并成为向第三代移动通信系统过渡的中间技术。第二代系统没有达到的主要目标包括以下几个方面：(1)没有形成全球统一的标准系统。在第二代移动通信系统发展的过程中，欧洲建立了以TDMA为基础的GSM系统；日本建立了以TDMA为基础的JDC系统；美国建立了以模拟FDMA和数字TDMA为基础的IS136混合系统，以及以NVDMA为基础的IS95系统。(2)业务单一。第二代移动通信系统主要是语音服务，只能传送简短的消息。(3)无法实现全球漫游。由于标准分散和经济保护，全球统一和全球漫游无法实现，因此无法通过规模效应降低系统的运营成本。(4)通信容量不足。在900MHZ频段，包括后来扩充到1800MHZ频段以后，系统的通信容量依然不能满足市场的需要。随着用户数量的上升，网络未接通率和通话中断率开始增加。第二代移动通信系统是主要针对传统的话音和低速率数据业务的系统。而“信息社会”所需的图像、话音、数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务的业务量超过传统话音业务的业务量。第三代移动通信系统需要有更大的系统容量和更灵活的高速率、多速率数据传输的能力，除了话音和数据传输外，还能传送高达2Mbits的高质量活动图像，真正实现“任何人，在任何地点、任何时间与任何人”都能便利通信这个目标。在第三代移动通信系统中，CDMA是主流的多址接入技术。CDMA通信系统使用扩频通信技术。扩频通信技术在军用通信中已有半个多世纪的历史，主要用于两个目的：对抗外来强干扰和保密。因此，CDMA通信技术具有许多技术上的优点：抗多径衰减、软容量、软切换。其系统容量比GSM系统大，采用话音激活、分集接收和智能天线技术可以进一步提高系统容量。由于CDMA通信技术具有上述技术优势，因此第三代移动通信系统主要采用宽带CDMA技术。现在第三代移动通信系统的无线传输技术主要有三种：欧洲和日本提出的WCDMA技术、北美提出的基于IS95CDMA系统的Cdnla2000技术，以及我国提出的具有自己知识产权的TD-SCDMA系统。后来WiMAX也成为3G标准。IMT-2000是自20世纪90年代初期数字通信系统出现以来，移动通信取得的最令人鼓舞的发展。它也代表了在20世纪过去的10年，ITU所取得的最重要的成就之一。第三代移动通信系统的重要技术包括地址码的选择、功率控制技术、软切换技术、RAKE接收技术、高效的信道编译码技术、分集技术、QCELP编码和话音激活技术、多速率自适应检测技术、多用户检测和干扰消除技术、软件无线电技术和智能天线技术。1.1.5 第四代LTE移动通信系统第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbits的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准拥有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集和远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入的IP系统。4G能够以100Mbit/s以上的速率下载，能够满足几乎所有用户对无线服务的要求。通信制式的演进如图1.1所示。图Ll通信制式的演进1.TE（LongTermEvolution,长期演进）是由3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject,第三代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（UniversalMobileTelecommunicationsSystem,通用移动通信系统）技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多TSGRAN#26会议上正式立项并启动。LTE系统弓I入OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交频分食用）和MlMo（Multiple-InputMultiple-Output,多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（20MHZ带宽，2×2MIMO1在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbit/S,除去信令开销后，大概为140Mbits,但根据实际组网情况以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbits,上行为50Mbits）,并支持多种带宽分配L4MHz、3MHz、5MHz、10MHz.15MHZ和20MHZ等，支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。LTE系统网络架构更加扁平化、简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。LTE系统有两种制式：LTEFDD和TDLTE,即频分双工LTE系统和时分双工LTE系统。两者技术的主要区别在于空中接口的物理层上（如帧结构、时分设计、同步等）。LTEFDD系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据；TD-LTE系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输。相对于FDD双工方式，TDD有着较高的频谱利用率。1.TE的演进可分为LTE、LTE-A、LTE-APrO三个阶段，分别对应3GPP标准的R8R14版本，如图1.2所示。LTE阶段实际上并未被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,在严格意义上还未达到4G的标准，准确来说，应该称为3.9G,只有升级版的LTE-Advanced(LTE-A)才满足国际电信联盟对4G的要求，是真正的4G阶段，也是后4G网络的演进阶段。RIO是LTEA的首个版本，于2011年3月完成标准化。RIO最大支持100MHZ的带宽，8'8天线配置，峰值吞吐量提高到IGbits°RlO引入了载波聚合、中继(Relay)s异构网干扰消除等新技术，增强了多天线技术，相比LTE进一步提升了系统性能。Rll增强了载波聚合技术，采用协作多点传输(CoMP)技术，并设计新的控制信道ePDCCHo其中，CoMP通过同小区不同扇区间协调调度或多个扇区协同传输提高系统的吞吐量，尤其对提升小区边缘用户的吞吐量效果明显；ePDCCH实现了更高的多天线传输增益，并降低了异构网络中控制信道间的干扰。RIl通过增强载波聚合技术，支持时隙配置不同的多个TDD载波间的聚合。R12被称为SmanCelL采用的关键技术包括256QAM、小区快速开关和小区发现、基于空中接口的基站间同步增强、宏微融合的双连接技术、业务自适应的TDD动态时隙配置、D2D等。R13主要关注垂直赋形和全维MlMO传输技术、LTE许可频谱辅助接入(LAA)以及物联网优化等内容。CRAN是4G网络中的热点技术。其主要原理是将传统的BBU信号处理资源转化为可动态共享的信号处理资源池，在更大的范围内实现蜂窝网络小区处理能力的即取即用和虚拟化管理，从而提高网络协同能力，大幅降低网络设备成本，提高频谱利用率和网络容量。当前，CRAN还面临一些技术挑战，包括基带池集中处理性能、集中基带池与射频远端的信号传输问题、通用处理器性能功耗比、软基带处理时延等问题。1.TE系统采用全IP的EPC网络，相比于3G网络更加扁平化，简化了网络协议，降低业务时延，由分组域和IMS网络给用户提供话音业务；支持3GPP系统接入，也支持CDMA、WLAN等非3GPP网络接入。面对OTT的挑战，灵活开放的网络架构、低成本建网和海量业务提供能力，以及快速业务部署能力，成为4G核心网发展的重要趋势。现有的EPC核心网架构主要面向传统的语音和数据业务模型，对新的OTT业务、物联网业务等难以适配。另外，EPC网元没有全局的网络和用户信息，无法对网络进行动态的智能调整或快速的业务部署。未来的新型网络技术一软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork.SDN)和网络虚拟化(NFV)等与4G核心网融合，将满足移动核心网络发展的新需求。1.TE的核心技术主要包括OFDM、MIMOs调制与编码技术、高性能接收机、智能天线技术、软件无线电技术、基于IP的核心网和多用户检测技术等。OFDM：C)FDM是一种无线环境下的高速传输技术C其主要思想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。MIMO：MlMO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，MlMo系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。例如，当接收天线和发射天线的数目都为8根，且平均信噪比为20dB时，链路容量可以高达42bitsHz.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，MlMo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复用技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，MlMO系统已经体现出优越性，也会在4G移动通信系统中继续应用。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、级联码和LDPC等)、自动重发请求(ARQ)技术和分集接收技术等，从而在低Eb/NO条件下保证系统的性能。高性能接收机：4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。香农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。按照香农定理，根据相关计算，对于3G系统，如果信道带宽为5MHz,数据速率为2Mbits,则所需的SNR为L2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20MbitZS的数据，则所需要的SNR为12dB.由此可见，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。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软件无线电技术：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转换器，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来实现。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，其优点是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。多用户检测技术：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。随着多用户检测技术的不断发展，各种高性能又不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出，在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。自1980年第一代移动通信技术商用至今，通信技术已经经历了4代的发展，表Ll详细描述了通信技术的发展历程及特征。未来的5G网络将实现万物互联，可提供更大的容量、更高的系统速率、更低的系统时延和可靠的连接。表Ll通信技术发展的历程及特征系统商用年份/年关键词系统功能无线技术核心网典型标准欧洲日本美国中国IG国际：1984国内：1987模拟通信频谱利用率低、费用高、通话易被窃听（不保密）、业务种类受限、系统容量低、犷展用雄FDMAPSTNNMT/TACS/C450/RTMSNTTAMPS2G国际：1989国内：1994数字通信业务他罔受限、无法实现移动的多媒体业务、各国标准不统一、无法实现全球漫游TDMA、CDMAPSTNCSM/DECTPl)CPHSDAMPS/CDMAONE续表系统商用年份/年关键词系统功能无线技术核心网典型标准欧洲日本美国中国3G国际：2002国内：2009宽带通信通用性高、在全球实现无缝漫游、低成本、优质服务质拈.高保密性及艮好的安全性能CDMA、TDMA电路交换、分组交换WCDMACDMA20TD-SCDMA4G国际：2009国内：2013无线多媒体高速率.领诺更宽、族谱效率高OFDMAIP核心网、分组交换LTEFDDWiMAXTD-LTE5G国际:2018国内：2020移动互联网更大的容址、更高的系统速率、更低的系统时延及更可靠的连接MassiveMlMO/FBMC/NOMA/名技术代波聚合等基于NFV/SDN1.2 4G面临的挑战1.2.1 运营商面临的挑战智能手机的普及带来CnT业务的繁荣。在全球范围内，OTT的快速发展对基础电信业造成重大影响，导致运营商赖以为生的移动话音业务收入大幅下滑，短信和彩信的业务量连续负增暇一方面，OTT应用大量取代电信运营商的业务，比如微信、微博、TwitterxWhatsAppsLine.QQ等即时通信工具，依靠其庞大的用户群，在4G时代开始加快侵蚀传统的电信语音和短信业务，特别是这些APP开始集成基于数据流量的VOIP通信，如“微信电话本”版本，支持高清免费视频通话功能，对运营商的核心语音视频通信业务直接形成竞争态势。尽管相比于传统电信业务，当前这些OTT应用还存在通话延迟、中断，以及接续成功率低等缺陷，但是随着技术的发展，OTT应用替代传统语音和短信势不可当。受OTT的影响，仅2014年，全球网络运营商语音和短信收入减少了140亿美元，较2013年同比下降26%。中国三大运营商移动语音、短信和彩信业务收入也出现全面下降。另一方面，OTT应用大量占用电信网络信令资源，由于OTT应用产生的数据量少、突发性强、在线时间长，导致运营商网络时常瘫痪。尽管移动互联网的发展带来了数据流量的增长，但是相应的收入增长和资源投入已经严重不成正比关系，运营商进入了增量不增收的境地。无论2020年流量增长IoOO倍还是500倍，实际上，运营商的收入增长并没有太大改善；相反，流量的迅猛增长却带来成本的激增，使得运营商陷入“量收剪刀差”的窘境。1.2.2 用户需求的挑战移动通信技术的发展带来智能终端的创新。随着显示、计算等能力的不断提升，云计算日渐成熟，增强现实（AugmentedReality,AR）等新型技术应用成为主流。用户追求极致的使用体验，要求获得与光纤相似的接入速率（高速率）、媲美本地操作的实时体验（低时延），以及随时随地的宽带接入能力（无缝连接）。各种行业和移动通信的融合，特别是物联网行业，将为移动通信技术的发展带来新的机遇和挑战。未来10年，物联网的市场规模将与通信市场平分秋色。在物联网领域，服务对象涵盖各行各业用户，因此M2M终端数量将大幅激增，与行业应用的深入结合将导致应用场景和终端能力呈现巨大的差异。这使得物联网行业用户提出了灵活适应差异化、支持丰富无线连接能力和海量设备连接的需求。此外，网络与信息安全的保障，低功耗、低辐射，实现性能价格比的提升成为所有用户的诉求。1.2.3 技术面临的挑战新型移动业务层出不穷，云操作、虚拟现实、增强现实、智能设备、智能交通、远程医疗、远程控制等各种应用对移动通信的要求日益增加。随着云计算的广泛使用，未来终端与网络之间将出现大量的控制类信令交互，现有语音通信模型将不再适应，需要针对大量数据包频发消耗信令资源的问题，对无线空口和核心网进行重构。超高清视频、3D和虚拟现实等新型业务需要极高的网络传输速率才能保证用户的实际体验，对当前移动通信形成了巨大挑战。以8K（3D）视频为例，在无压缩情形下，需要高达IoOGbit/s的传输速率，即使经过百倍压缩后，也需要IGbitZS的传输速率，而采用4G技术则远远不能满足需要。随着网络游戏的普及，用户对交互式的需求也更为突出，而交互类业务需要快速响应能力，网络需要支持极低的时延才能实现无感知时延的使用体验。物联网业务带来海量的连接设备，现有4G技术无法支撑，而控制类业务不同于视听类业务（听觉：100ms；视觉：IOms）对时延的要求，如车联网、自动控制等业务，对时延非常敏感，要求时延低至毫秒量级（Ims）才能保证高可靠性。总体来说，不断涌现的新业务和新场景对移动通信提出了新需求，如图1.3所示，包括流量密度、时延、连接数三个维度，将成为未来移动通信技术发展必须考虑的方面。连接密度/图1.3业务需求与移动网络能力示意图1.3 5G移动通信研究与标准化移动互联网和物联网作为未来移动通信发展的两大主要驱动力，为5G提供了广阔的应用前景。面向2020年及未来，数据流量的千倍增长、千亿设备连接和多样化的业务需求都将对5G系统的设计提出严峻挑战。与4G相比，5G将支持更加多样化的场景，融合多种无线接入方式，并充分利用低频和高频等频谱资源。同时，5G还将满足网络灵活部署和高效运营维护的需求，能大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率，实现移动通信网络的可持续发展。目前，许多国际组织、国家组织和企业都在积极进行5G方面的研究工作，如欧洲的METISsiJOINs5GNOW等研究项目，日本的ARIB、韩国的5G论坛、中国的IMT2020(5G)推进组等，其他一些组织，如WWRF、GreenToUCh等也都在积极进行5G技术方面的研究。IMT专门成立IMT2020从事5G方面的标准化工作。全球5G研发组织如图1.4所示。图1.4全球5G研发组织1.3.1 国际标准化组织1.ITU在标准化方面，5G工作主要在ITU的框架下开展。自2012年以来，ITU启动了5G愿景、未来技术趋势和频谱等标准化前期研究工作。2015年6月，ITU-R5D完成了5G愿景建议书，明确5G业务趋势、应用场景和流量趋势，提出5G系统的8个关键能力指标，并制订了总体计划：2016年年初启动5G技术性能需求和评估方法研究；2017年年底启动5G候选提案征集；2018年年底启动5G技术评估和标准化，并于2020年年底完成标准制定。2015年7月，ITU-RSG5确认将“IMT-2020”作为唯一的5G候选名称上报至2015年无线电通信全会(RA15)审批通过，会议规定了后续开展IMT2020技术研究所应当遵循的基本工作流程和工作方法。技术评估工作主要在ITUR5D中开展，而有关5G频率则通过世界无线电通信大会(WorldRadiocommunicaiionConference,WRC)相关议题研究确定。2015年11月，WRC15大会在瑞士日内瓦召开，大会涉及40多个议题，反映了全球无线电技术、业务发展的现状，体现了无线电频谱资源开发利用的新趋势。针对IMT新增全球统一的频率划分议题，最终，14271518MHz成为IMT新增的全球统一频率，部分国家以脚注的方式标注470694698MHZ33003400MHz、34003600MHz、36003700MHz、48004990MHz频段用于IMT。这些频段成为5G部署的重要频率。同时，为适应全球ICT的发展趋势，在WRQ19研究周期内，设立了高频段、智能交通、机器类通信、无线接入系统等一系列研究课题。这些课题有的与5G使用频率直接相关，有的则与5G应用相关。因此，在5G研究周期内，WRC-19议题研究工作的开展十分重要。2.3GPP3GPP(全球移动通信标准组织联盟)是5G标准化工作的重要制定者。5G相关的研究工作正在各标准组织中进行。5G标准化的完成凝聚了各标准化组织的贡献。各标准组织间已建立联络机制，未来将根据推进计划和时间需求，共同推动5G的标准化工作。5G已进入互联网领域，而且越来越多的接入是基于无线和移动的。因此，跨标准组织和工作组间协同工作也是确保未来两年内达成目标的关键。3GPP5G路线图如图1.5所示。按照该路线图，5GNR的部署计划分两个阶段。图1.53GPP5G路线图第一阶段：计划在2018年6月完成ReleaSe15版本的规范制定，并将于2020年完成前期的部署。按照第一阶段的详细计划，在2018年6月完成的ReleaSe15版本中，支持独立的NR和非独立的NR两种工作模式。其中，支持非独立的NR模式意味着ReleaSe15将基于LTE控制面协议进行兼容性升级；支持独立NR模式意味着支持全新的控制面协议栈。在用例场景和频段方面，Release15将支持eMBB和URLCC两种用例场景和6GHz以下及60GHZ以上的频段范围。第二阶段：需要考虑与第一阶段兼容，计划将在2019年年底完成ReleaSe16版本的规范制定，并作为正式的5G标准提交到ITURIMT-2020。该版本的商用系统计划将于2021年完成部薯。为实现5G的需求，3GPP将进行以下4个方面的标准化工作：新空口（NR）；演进的LTE空口；新型核心网（NextGen）；演进的LTE核心网（EPC）。3GPP5G相关标准化工作组主要涉及SAI、SA2sSA3、SA5和RAN等。其中，SAI研究5G业务需求；SA2研究5G系统架构；SA3研究安全；SA5研究电信管理；RAN工作组研究无线接入网。SAl工作组关注5G业务需求研究，成立了SMARTER（StudyonNewServiceandMarketsTechnologyEnablers,薪血W帝总技术实现方法）研究项目，并分为4个子课题组，包括移动宽带增强（eMBB）、紧急通信（Cric）x大规模机器通信（MlOT）、网络运维（NEO）o项目研究内容包括业务需求案例、场景和对网络的潜在需求分析。SA2工作组成立NedGen研究项目进行5G网络架构研究。其研究成果由3GPPTR23.799StudyonArchitectureforNextGenerationSystem（新型网络架构研究）输出。该项目负责Release14阶段的5G网络架构研究。3GPP在5G核心网标准化方面重点推进以下工作。在ReIeaSe14研究阶段聚焦5G新型网络架构的功能特性，优先推进网络切片、功能重构、MEC,能力开放、新型接口和协议，以及控制和转发分离等技术的标准化研究，目前已经完成架构初步设计。ReleaSe15将启动网络架构标准化工作，重点完成基础架构和关键技术特性方面内容。研究课题方面将继续开展面向增强场景的关键特性研究，如增强的策略控制、关键通信场景和UErelay等，预计在2017