1.2.4 第四代移动通信

 

为了克服 3G技术存在的不足，第三代合作伙伴计划（3GPP）于2004年年底启动了下一代移动通信系统的标准化工作，并命名为长期演进（Long Term Evolution，LTE）。而 ITU于 2008年完成了 IMT-2000（即 3G）系统的演进——IMT-Advanced

（即俗称的“4G”）系统的最小性能需求和评估方法等的制定。为了保持3GPP标准的技术优势和市场竞争优势，3GPP于 2008年 4月正式开始了 LTE演进标准——LTE-Advanced（简称为LTE-A）的研究和制定工作，并于2010年 6月通过 ITU的评估，于 2010年 10月正式成为4G的主要技术之一。

IMT-Advanced（即 4G）定义的蜂窝网络系统必须满足以下要求。1）基于全IP（AllIP）分组交换网络。

2）在高速移动性的环境下达到约100Mbit/s的数据速率；在低速移动性的环境下达到约 1Gbit/s的数据速率，即移动/固定无线网络接入的峰值数据速率。

3）能够动态地共享和利用网络资源来支持每单元多用户同时使用。

4）使用 5～20MHz可扩展的信道带宽，高达 40MHz。

5）链路频谱效率的峰值为 15bit/(s·Hz)（下行）和 6.75bit/(s·Hz)（上行）。

6）系统频谱效率下行 3bit/(s·Hz·cell)，室内 2.25bit/(s·Hz·cell)。7）支持跨不同系统网络的平滑切换。

8）提供高服务质量（QualityofService，QoS），具备支持新一代多媒体的传输能力。

4G以正交频分复用多收发（OFDM-MIMO）天线技术和空分多址（SDMA）技术为基础，采用 Turbo码编码技术，支持 FDD和 TDD两种模式，其网络结构如图 1-4 所示。

 

图 1-44G网络结构

 

4G网络分为演进的通用移动通信系统陆地无线接入网（E-UTRAN）和演进分组核心网（EvolvedPacketCore，EPC）两部分。首先，接入网的结构更为扁平化，整个网络只有一种基站——eNodeB。eNodeB的功能由 3G阶段的 NodeB、RNC、SGSN、GGSN的部分功能演化而来，新增加了系统接入控制、承载控制、移动性管理、无线资源管理、路由选择等功能，并可以通过 X2接口互联。其次，EPC能够前向兼容已有的系统架构，并将之前的相关实体取代成移动管理实体（Mobile Management Entity，MME）与服务网关（ServingGateway，SGW），将电路域和分组域的业务统一承载在分组域上，实现了核心网的全 IP 化，并将控制面和用户面相分离。

整体而言，4G网络为全 IP化网络，可有效满足移动通信业务的高带宽发展需求。与 3G通信系统相比，4G通信系统数据传输速率更快，且能够更好地对抗无线传输环境中的多径效应，系统容量和频谱效率得到大幅提升。然而，随着经济社会及物联网技术的迅速发展，云计算、智慧城市、车联网等新型网络和业务形态不断产生，对通信技术提出了更高层次的需求。移动通信网络应面向工业制造、智慧交通、智能电网等领域提供个性化的服务，而以高带宽为特性的 4G网络难以满足超低时延、大规模接入和超高带宽等业务需求。面对这些存在的问题，5G技术被提上了日程。

 

1.2.2         第五代移动通信

 

2015年 10月 26—30日，在瑞士日内瓦的决议，并正式确定了5G正式名称为“IMT-2020”。第一个5G标准是3GPP的第15版（Release15），已于2018年 6月冻结，并于 2019年开始了商用部署。2019年被认为是中国 5G元年，在这一年的 6月 6日，工业和信息化部正式向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放了 5G商用牌照，标志着5G时代的正式开启。

与 2G、3G、4G不同，5G并不是一种单一的无线接入技术，而是多种新型无线接入技术和现有 4G后向演进技术集成后的解决方案总称。从某种程度上讲，5G是一个真正意义上的融合网络。5G网络融合了 SDN、NFV、超密集异构网络、自组织网络、内容分发网络、D2D通信、大规模 MIMO、毫米波、多连接等技术，实现了峰值速率、用户体验数据速率、频谱效率、移动性管理、连接数密度、网络能效等指标的全面提升^[4]。相对于 4G技术，中国 IMT-2020（5G）推进组设置的 5G关键技术指标要求如图 1-5所示。

                            

图 1-5

中国IMT-2020（5G）推进组设置的 5G关键技术指标要求相对于 4G，5G考虑了更多的性能维度提升，包括：峰值数据速率由 1Gbit/s

提升至 20Gbit/s；城区和城郊用户体验速率达到 100Mbit/s，某些热点地区的用户体验

数据速率提升至 1Gbit/s；频谱效率提升 3倍；支持的移动速度由 350km/h提升至

500km/h；支持极低时延要求服务，端到端时延从 10ms 降低到 1ms；支持更多数量的

设备连接，连接数密度由每平方千米 10⁵个设备提升至每平方千米 10⁶个设备；网

络能效提升100倍；区域通信能力提升100倍，由0.1Mbit（/  s·m²）提升至10Mbit（/  s·m²）。基于上述8个方面能力的增强，5G网络开始具备渗透垂直行业的能力，支持的应用场景涵盖增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠和低时延通信（uRLLC）和海量机器类通信（mMTC）三大场景。具体场景特征和关键技术将在第 2章进行详细介绍。

在无线侧，5G融合了多种现有无线通信技术，利用毫米波、大规模 MIMO等技术提升吞吐量，并支持独立组网和非独立组网两种架构。在核心网侧，5G旨在通过单个 5G核心网络满足各种应用的不同需求。因此，5G核心网络需要提供多种新功能，如敏捷资源分配、灵活的网络重构以及对各种平台的开放访问等。5G核心网络的典型演进包括移动边缘计算（MEC）、软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）和网络切片等。5G系统的网络结构如图 1-6所示。

图 1-65G系统的网络结构

 

图 1-6中 UE为用户终端，（R）AN为（无线）接入网络，DN为运营商数据网络，其他部分为 5G 核心网功能实体，其描述见表 1-1。

表 1-1 5G核心网络实体功能描述

 

 

5G核心网借鉴了 IT领域的“微服务”理念，采用了基于服务的架构（ServiceBasedArchitecture，SBA），通过模块化和软件化以实现面向不同场景需求的切片目的。

当前，5G移动网络的最终设计目标是满足终端用户多样化的服务质量（QoS）需求，这就要求网络实体能够实现对网络环境的认知和自主决策。网络层、控制层和管理编排层中的不同网络实体（如无线设备、基站和 SDN控制器）需要做出本地自主决策，包括频谱接入、信道分配、功率控制等，以实现不同网络的不同目标，如吞吐量最大化、时延和能量最小化等。随着移动通信网络规模的不断扩大和复杂化，我们面临着一个更加分散和多样化的网络环境。网络状态的动态性和不确定性，以及异构无线用户之间的共存和耦合，使得网络控制问题变得非常具有挑战性。5G架构难以同时满足三大场景的需求，且资源的调度过程仍然缺乏足够的弹性，难以满足资源随需即用的要求。针对这些问题，提出了 6G需求。