5G介绍及相关应用V1.1

5G介绍及技术应用25G介绍01技术特点02相关应用0331G与2G第1代移动通信系统（1G）是模拟式通信系统，模拟式是代表在无线传输采用模拟式的FM调制，将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上。从1G跨入2G的分水岭则是从模拟调制进入到数字调制，相比于第1代移动通信，第二代移动通信具备高度的保密性，系统的容量也在增加，同时能够提高多种业务服务。从这一代开始手机也可以上网了。3G3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存在3种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。在3G的众多标准之中，CDMA这个字眼曝光率最高，CDMA（码分多址)是第三代移动通信系统的技术基础。4G4G包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载。4G移动系统网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。45空分复用智能天线云RAN异构网络HetNets小基站波束成型大规模MIMO空中接口&SDND2D&M2M毫米波01030507090204060810Prospectivenetworktechniquesfor5Gmobilecommunication:Asurvey65G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统.根据移动通信的发展规律,5G将具有超高的频谱利用率和能效,在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高,其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高。5G移动通信将与其他无线移动通信技术密切结合,构成新一代无所不在的移动信息网络,满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求.5G移动通信系统的应用领域也将进一步扩展,对海量传感设备及机器与机器(M2M)通信的支撑能力将成为系统设计的重要指标之一.未来5G系统还须具备充分的灵活性,具有网络自感知、自调整等智能化能力,以应对未来移动信息社会难以预计的快速变化Theincreasinggrowthofdatatrafficandthepopularityoftheintelligentterminalsleadtothefactthatthefourthgenerationmobilecommunicationnetwork(4G)cannotmeetthedemandintermsofcapacity，speed，andthespectrum．Therebythefifthgenerationmobilecommunicationnetwork(5G)comesintobeing．75G介绍01技术特点02相关应用038根据行业和学术界的不同研究计划，下一代5G系统的8个主要要求：1)实际网络中1-10GBps的数据速率：这几乎是传统LTE网络的理论峰值数据速率150Mbps的10倍。2)1ms往返行程延迟：从4G的10ms往返时间减少近10倍。3)单位面积中的高带宽：需要在特定区域中使具有更高带宽的大量连接的设备具有更长的持续时间。4)大量的连接设备：为了实现物联网的愿景，新兴的5G网络需要提供连接到成千上万的设备。5)99.999％的感知可用性：5G设想网络应该实际上总是可用的。6)几乎100％的覆盖“随时随地”连接：5G无线网络需要确保完全覆盖，而不管用户的位置。7)能源使用量减少近90％：标准机构已经考虑了绿色技术的发展。这对于高数据速率和5G无线的大规模连接将更加重要。8)高电池寿命：器件的功耗降低对新兴的5G网络十分重要。9101112新兴的毫米波频率提出了许多移动无线通信的新挑战。主要的挑战是任何标准信道模型的不可用性。对信道行为的技术理解提出了新的架构技术，不同的多址和空中接口的新方法。此外，毫米波频率的生物安全性也在审查。还分析了安全问题的毫米波的非电离和热特性。1)传播损耗：其中LFSL主要考虑毫米波的传输损耗，d表示发射机-接收机距离，f是载波频率。看来，在较高频率下损耗突出。然而，只有在特定频率的路径损耗插入两个各向同性天线。较短的波长使得在较小的区域中较小天线的密集封装，从而对未来5G网络的各向同性天线的使用提出挑战。与自由空间损失相关的研究工作表明，对于相同的天线孔径面积，与其较长的对应物相比，较短的波长不应该遭受任何主要的缺点。此外，mm波链路能够铸造非常窄的波束。例如，70GHz链路比18GHz链路窄四倍。此外，最近的研究还表明，窄波束定向传输减少了干扰，提高了蜂窝应用的空间复用能力。然而，毫米波束性能取决于许多其他因素，如节点之间的距离、无线电链路余量和多径分集。132)穿透和LOS(可视)通信：对于有效的系统设计，迫切需要理解在不同环境中的毫米波传播。为了理解室内和室外环境中的传播特性，就必须确定传播信号在一般结构、树叶和人类周围的传播行为。理解在不同环境下的毫米波的衍射，穿透，散射和反射，为5G网络部署奠定了基础。研究团队对信号中断调查和建筑材料反射系数比较，如彩色玻璃，透明玻璃，干墙，门，立方体和金属电梯，他的团队发现，普通室外建筑材料对mm波具有高穿透阻力。此外，室内环境结构，如干墙，白板，杂波和网眼玻璃也被发现显着影响衰减，多径分量和自由空间路径损耗。室内信道脉冲响应证实，人体对毫米波传播造成了相当大的阻碍。人们的运动产生阴影效应，这可以通过更大的天线波束宽度和角度多样性的引入来减轻。从可用的传播结果，我们可以得出结论，户外mm波信号大多被确定为室外，很少的信号穿透室内通过玻璃门。室内-室外隔离强调了不同节点对不同覆盖位置的需要。然而，隔离的特性有助于在预期区域中配置能量。14此外，室内和室外交通的分离减轻了与无线电资源分配和发射功率消耗相关的开销。开销通过灵活的聚类，有效的用户选择和自适应反馈压缩进一步显着降低。有趣的是，小型蜂窝结构已经在密集的城市地区部署。例如，在日本城市，BS间距离只有200米。因此，在小型小区环境中应用LOS传播有望成为毫米波通信的前景。确保LTE需要大规模的天线部署，没有任何预定的模式。网络特定的随机部署预计将因情况而异。随机，密集和现场特定LOS通信的示例图如图所示。与LOS通信相关的挑战自动需要调查非视线(NLOS)传播和所需的基本支持。大规模部署153)多径和NLOS：在无线通信中，多径是天线中信号接收的影响多于一个路径。根据SMARAD卓越中心的SylvainRanvier和MikkoKyro，通过选择延迟扩展作为验证参数，很好地描述了通道的多径特性。功率延迟特性(PDP)的均方根(RMS)有助于探测毫米波通信中的多径效应。了解多径可能使NLOS问题减轻。LOS链路在动态室外环境中不一定可行。因此，探索部分阻塞LOS和NLOS链路的可能性是很重要的。测量了平均雨衰，雨中短期信号电平，植被衰减，玻璃和宽带功率延迟分布。与清晰，干燥的天气条件相比，在雨中检测到更多的多径分量。在不同的指向角下的许多多径分量可以用于链路改进。建立角落，边缘和人类活动可能不总是完全削弱LOS链接。相反，这些往往造成阴影。不同表面的反射系数表明阴影区域有合理的信号电平的可能性。还观察到较宽的波束宽度天线给出接收信号的准确估计。另一方面，较小的波束宽度天线具有空间方向性的优点。波束拓宽技术的适当组合探讨了在小区域中变化特性的优点。此外，天线角度的最佳组合也使系统具有高信噪比和低均方根延迟扩展。在NLOS路径中的通信需要均衡器，这引入了高延迟，增加的功耗和低数据速率的新挑战。多径统计的知识有助于设计均衡器和选择调制技术。现有和当前信道统计的适当组合有助于解决大多数NLOS传播挑战。如图所示。建议在延迟域信道模型，采用任意放置散射反射信号的点对点扩展。信号屏蔽反射信号16毫米波虽然具有很大的带宽，但是却不能穿透建筑等介质（频率越高，就越贴近直线传播），甚至会被植物跟雨水吸收（传播过程中衰减很明显），为了解决这个问题，我们提出了采用微型基站的方法。目前，信号传输时通过一个大型高功率基站进行传输，为了不被介质影响，所以通过大功率传输覆盖更多的设备。如果是毫米波的话，只要你跟基站之间有介质格挡，你就接收不到信号，我们的解决方法就是用上千个低功耗小型基站，进行收发信号来代替现在的大型基站。这种技术特别适用于城市，当你被障碍物挡住了信号的时候，手机会自动切换到另一个小基站来保证稳定的连接。但是，如果让运营商在城市中，布置那么庞大数量的小基站，成本过高，高通提出了毫米波的移动化，也就是客户端在移动的时候依旧能提供服务，需要波束搜索和波束追踪算法，等等17随着在传统无线频谱中亚毫秒等待时间和带宽限制的要求，准备打破以基站（BS）为中心网络范式。图描绘了从BS中心到设备中心网络的这种逐渐移动。5G网络建议使用更高的频率进行通信。在室外环境中，毫米波信号的传播和穿透是相当有限的。因此，节点布局不能遵循传统的蜂窝设计或其他任何定义模式。Rappaport和他的团队提出了5G无线电网络设计的场地特定节点布局。例如，超密集部署在需要高数据速率的地区是必要的，例如地铁站，商场和办公室。我们尽量选择LOS通信。或者，反射，散射和衍射信号仍然可能具有足够的能量，这需要在LOS被完全阻挡时被探测185G蜂窝技术需要与大量用户，各种设备和多样化的服务一起工作。因此，主要关注的是5GBS与传统蜂窝网络的集成。三星提出了不同的配置，如毫米波BS网格系统，毫米波与4G系统和毫米波独立系统集成。大波束成形增益扩展了覆盖范围，同时减少了干扰并提高了小区边缘的链路质量。这个特性使得毫米波BS网格可以提供低延迟和成本效益的解决方案。图(A)示出了mm波(5G)和传统4G网络的混合系统。它提出了一个双模式调制解调器，使用户能够在两个网络之间切换更好的体验。或者，mm波频谱也可以仅用于数据通信，而控制和系统信息可以通过使用传统的4G网络传输。另一方面，在图(B)中，独立的5G系统仅在毫米波上工作。这样的系统设想对回程和无线接入链路使用相同的毫米波频谱。19毫米波传播的小无线电波长需要小的天线尺寸。这使得能够使用大量较小的天线。使用阵列天线控制信号的相位和幅度有助于增强所需方向的电磁波，同时在所有其他方向消除。这需要引入定向空气界面。右图示出了空中接口从单向传输到定向传输的这种改变。可以通过使用自适应波束成形技术来保证高定向辐射模式，从而引入空分多址(SDMA)。有效的SDMA改进了在发射机和接收机的波束成形天线的频率复用。全方向天线天线元素阵列方向型的天线20有三种经典的频谱复用方法：即时分复用（典型应用：中国移动2G）、频分复用（典型应用：中国联通3G）和码分复用（典型应用：中国联通3G）。可以用一个例子来说明时分复用、频分复用和码分复用的区别。在一个屋子里有许多人要彼此进行通话，为了避免相互干扰，可以采用以下方法：1)讲话的人按照顺序轮流进行发言（时分复用）。2)讲话的人可以同时发言，但每个人说话的音调不同（频分复用）。3)讲话的人采用不同的语言进行交流，只有懂同一种语言的人才能够相互理解（码分复用）。当然，这三种方法相互结合，比如不同的人可以按照顺序用不同的语言交流（即中国移动3G的TD-SCDMA）。然而，这三种经典的复用方式都无法充分利用频谱资源，它们要么无法多用户同时间通讯(TDMA)，要么无法使用全部频谱资源(FDMA)，要么需要多比特码元才能传递1比特数据(CDMA)。21那么，有没有一种方法可以克服以上多路方式的缺点，让多个用户同时使用全部频谱通讯呢？让我们先来思考一下，如果在一个房间里大家同时用同一种音调同一种语言说话会发生什么？很显然，在这种情况下会发生互相干扰。这是因为信号会向着四面八方传播，所以一个人会听到多个人说话的声音从而无法有效通讯。但是，如果我们让每个说话的人都用传声筒，让声