8.1未來移動(dòng)通信面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展?fàn)顩r

8.25G性能需求

8.35G關(guān)鍵技術(shù)

8.45G應(yīng)用場(chǎng)景8.1未來移動(dòng)通信面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展?fàn)顩r自2015年以來移動(dòng)寬帶每年以92%的速度增長。隨著越來越多的無線設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，目前的移動(dòng)通信技術(shù)面臨著如下挑戰(zhàn)：頻譜十分稀缺。頻率范圍為幾百兆赫到幾吉赫。這些頻譜現(xiàn)已大量被使用。高能耗。在無線通信系統(tǒng)中能量消耗的增加會(huì)間接地導(dǎo)致二氧化碳排放增加。運(yùn)營商基站的能耗占總電費(fèi)的70%。其他挑戰(zhàn)。例如，平均頻譜效率、高速率和高移動(dòng)性、無縫覆蓋、不同的服務(wù)質(zhì)量QoS要求和分散的用戶體驗(yàn)。4G網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)據(jù)率上已經(jīng)達(dá)到理論極限，因此不足以容納上述挑戰(zhàn)。研究人員已經(jīng)開始研究超4G(B4G)或5G無線技術(shù)，有代表性的項(xiàng)目和工作如下：中英科學(xué)的橋梁項(xiàng)目是世界上第一個(gè)開始研究B4G的項(xiàng)目。歐洲和中國也開始了一些5G項(xiàng)目，如由歐盟支持的METIS2020項(xiàng)目，在中國由科技部支持的國家863重點(diǎn)項(xiàng)目。中國進(jìn)入了部分技術(shù)的試用階段。諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)的無線接入技術(shù)與2019年通信水平相比高達(dá)1000倍的通信流量。三星證明使用毫米波技術(shù)，在2?km的情況下，傳輸速率超過1GB/s。“5G”已成為近年來的最熱話題，尤其是2019年被譽(yù)為“5G元年”，與此同時(shí)，各方對(duì)5G的定義和理解不一，羅蘭貝格基于全球權(quán)威數(shù)據(jù)庫，結(jié)合豐富的5G項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和遍布全球的5G專家網(wǎng)絡(luò)，首次為我們憧憬了如圖8.1所示的5G生態(tài)全景圖，將5G這一行業(yè)跨度極廣、影響極其深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)進(jìn)行了清晰的定義。在這個(gè)“以標(biāo)準(zhǔn)整合服務(wù)，以服務(wù)支撐應(yīng)用，以應(yīng)用推動(dòng)顛覆”的5G生態(tài)全景圖中，5G的本質(zhì)和基石仍是一套由跨國界、跨行業(yè)專家通力協(xié)作制定的通信標(biāo)準(zhǔn)。這套標(biāo)準(zhǔn)既是全球通信及相關(guān)行業(yè)的“通用語言”，也是通信技術(shù)發(fā)展的“時(shí)代切片”。圖8.1體現(xiàn)了5G的終極目標(biāo)是連接整個(gè)世界，實(shí)現(xiàn)無縫和無處不在的通信。相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)達(dá)到1000倍的系統(tǒng)容量，10倍的頻譜效率、能源效率和數(shù)據(jù)速率(即在低速移動(dòng)下峰值速率為10GB/s和在高速移動(dòng)下峰值速率為1GB/s)，以及25倍的平均小區(qū)吞吐量。5G接入網(wǎng)設(shè)計(jì)需要考慮關(guān)鍵能力指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營能力和網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)要求這3個(gè)方面的因素?，F(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和滿足5G所提出的業(yè)務(wù)和能力需求方面，都面臨著新的挑戰(zhàn)。主要包括以下幾個(gè)方面：無法為用戶提供一致的良好體驗(yàn)。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，基站之間的交互功能不強(qiáng)或者不夠靈活，無法通過基站間通信實(shí)現(xiàn)高效的無線資源調(diào)度、移動(dòng)性管理和干擾協(xié)調(diào)等功能，導(dǎo)致現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)小區(qū)中心和邊緣用戶體驗(yàn)速率差異較大，很難滿足廣域覆蓋下100Mb/s及熱點(diǎn)地區(qū)1Gb/s的用戶體驗(yàn)速率。數(shù)據(jù)路由和分發(fā)手段單一?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)均通過核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)，模式單一。由于核心網(wǎng)關(guān)部署位置很高，導(dǎo)致業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量向網(wǎng)絡(luò)中心匯聚，特別是針對(duì)5G熱點(diǎn)區(qū)域“數(shù)十Tb/(s·km2)”流量密度的場(chǎng)景，對(duì)移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)造成較大的壓力。此外，現(xiàn)有端到端通信在控制面和數(shù)據(jù)面需要通過多跳網(wǎng)絡(luò)路由，傳輸路徑較長，時(shí)延難以有效降低，無法滿足低時(shí)延高可靠性業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。5G網(wǎng)絡(luò)需要支持多樣化的數(shù)據(jù)路由與分發(fā)功能、降低業(yè)務(wù)時(shí)延、支持多種回傳機(jī)制，優(yōu)化數(shù)據(jù)路由，提高傳輸效率。業(yè)務(wù)感知與開放能力不足。當(dāng)前無線接入網(wǎng)一直作為“盲管道”存在，缺乏對(duì)用戶和業(yè)務(wù)的感知能力，無法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理和最優(yōu)匹配。網(wǎng)絡(luò)協(xié)同能力有限。現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)只有核心網(wǎng)側(cè)的多網(wǎng)協(xié)同，由于不同接入技術(shù)采用不同的移動(dòng)性管理、QoS控制，導(dǎo)致互操作中復(fù)雜的信令流程出現(xiàn)。另一方面，多制式無法在接入網(wǎng)側(cè)進(jìn)行更緊密的協(xié)同，性能達(dá)不到最優(yōu)，尤其未來5G接入網(wǎng)包含4G演進(jìn)和5G新空口，接入網(wǎng)側(cè)協(xié)作將更為重要。5G接入網(wǎng)架構(gòu)可以通過增強(qiáng)協(xié)作控制，優(yōu)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā)管理，支持多網(wǎng)融合與多連接，支撐靈活動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)功能和拓?fù)浞植?，以及促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)能力開放等幾個(gè)方面，來提升網(wǎng)絡(luò)靈活性，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能和用戶體驗(yàn)、業(yè)務(wù)的有效結(jié)合度。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會(huì)向更扁平，基于控制和轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)一步分離，可以按照業(yè)務(wù)需求靈活動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的方向演進(jìn)。運(yùn)營商將可針對(duì)不同的業(yè)務(wù)和用戶需求，快速靈活按需地實(shí)現(xiàn)滿足不同質(zhì)量業(yè)務(wù)需求的組網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)整體的效率進(jìn)一步得到提升。8.25G性能需求5G需要具備比4G更高的性能，支持0.1～1?Gb/s的用戶體驗(yàn)速率，一百戶每平方千米的連接數(shù)密度，毫秒級(jí)的端到端時(shí)延，數(shù)十Tb/s每平方千米的流量密度，每小時(shí)500km以上的移動(dòng)性和數(shù)十Gb/s的峰值速率。其中，用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度和時(shí)延為5G最基本的三個(gè)性能指標(biāo)。同時(shí)，5G還需要大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營的效率，相比4G，頻譜效率提升了5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。在這些關(guān)鍵性能指標(biāo)中，并非一成不變，而是在不同場(chǎng)景下，有不同的要求，常見的例如速率上的要求，在高鐵和在普通場(chǎng)景下肯定是差異很大的。我們主要列舉了如表8.1所示的典型場(chǎng)景下對(duì)速率的要求。下面介紹幾種性能需求參數(shù)。1.用戶體驗(yàn)速率5G最顯著的特點(diǎn)是高速，按規(guī)劃速率會(huì)高達(dá)10～50?Gb/s，人均月流量大約有36Tb，人們對(duì)通信速率要求越來越高，迫使信道的帶寬就越來越寬，幾根電話線的帶寬不夠，那就增加到幾百根，幾百根不夠就換成同軸電纜，電纜帶寬不夠就換成光纖，有線通信的帶寬就是這樣遞增的。2.連接密度連接密度是指在特定地區(qū)和特定時(shí)間段內(nèi)，單位面積可以同時(shí)激活的終端或者用戶數(shù)，也就是單位面積上支持的在線設(shè)備總和。3.時(shí)延這里主要指端到端的時(shí)延，是指數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)開始傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)正確接收的時(shí)間。時(shí)延又分為單程時(shí)延(OTT)和往返時(shí)延(RTT)。單程時(shí)延是數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端的時(shí)間，往返時(shí)延是數(shù)據(jù)包從發(fā)送端發(fā)送，到接收端收到后返回確認(rèn)信息的時(shí)間。4.可用性及可靠性可用性是指在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)能滿足用戶體驗(yàn)質(zhì)量的百分比，也就是用戶能使用網(wǎng)絡(luò)，且基本體驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到標(biāo)準(zhǔn)?？煽啃詣t是指一定時(shí)間內(nèi)從發(fā)送端到接收端成功發(fā)送數(shù)據(jù)的概率。5.移動(dòng)性移動(dòng)性主要是指移動(dòng)終端設(shè)備在高速移動(dòng)的情況下，仍能保證用戶體驗(yàn)的性能。6.其他1)安全性安全性比較難衡量，目前一般以黑客侵入信息內(nèi)容需要的時(shí)間來衡量，在網(wǎng)絡(luò)切片中對(duì)安全的要求還在繼續(xù)研究中。2)能耗能耗方面，要求應(yīng)急通信中電池至少續(xù)航一周；在廣闊地區(qū)分布的設(shè)備，要求續(xù)航10年；電表、氣表等一般設(shè)備要求2～5年的續(xù)航能力。3)成本和可持續(xù)發(fā)展目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式發(fā)展時(shí)，可能會(huì)面臨以下問題：能耗、每比特綜合成本、部署和維護(hù)的復(fù)雜度難以高效應(yīng)對(duì)未來千倍業(yè)務(wù)流量增長和海量設(shè)備連接；多制式網(wǎng)絡(luò)共存造成了復(fù)雜度的增長和用戶體驗(yàn)下降；現(xiàn)網(wǎng)在精確監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)資源和有效感知業(yè)務(wù)特性方面的能力不足，無法智能地滿足未來用戶和業(yè)務(wù)需求多樣化的趨勢(shì)；此外，無線頻譜從低頻到高頻跨度很大，且分布碎片化，干擾復(fù)雜。為了應(yīng)對(duì)這些問題，需要從兩方面提升5G系統(tǒng)能力，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。(1)在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和部署方面，5G需要提供更高網(wǎng)絡(luò)容量和更好的覆蓋，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)部署，尤其是超密集網(wǎng)絡(luò)部署的復(fù)雜度和成本；5G需要具備靈活可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以適應(yīng)用戶和業(yè)務(wù)的多樣化需求；5G需要靈活高效地利用各類頻譜，包括對(duì)稱和非對(duì)稱頻段、重用頻譜和新頻譜、低頻段和高頻段、授權(quán)和非授權(quán)頻段等；另外，5G需要具備更強(qiáng)的設(shè)備連接能力來應(yīng)對(duì)海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入。(2)在運(yùn)營維護(hù)方面，5G需要改善網(wǎng)絡(luò)能效和比特運(yùn)維成本，以應(yīng)對(duì)未來數(shù)據(jù)迅猛增長和各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的多樣化需求；5G需要降低多制式共存、網(wǎng)絡(luò)升級(jí)以及新功能引入等帶來的復(fù)雜度，以提升用戶體驗(yàn)；5G需要支持網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶行為和業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能感知并作出智能優(yōu)化；同時(shí)，5G需要能提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案，以滿足各類移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及業(yè)務(wù)的需求。ITU制定的5G典型應(yīng)用場(chǎng)景和關(guān)鍵能力的需求滿足成為通信產(chǎn)業(yè)界面臨的關(guān)鍵問題。綜合考慮需求、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)以及網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)等因素，5G應(yīng)該同時(shí)存在新空口和4G演進(jìn)空口兩條路線。一方面，LTE/LTE-A作為4G標(biāo)準(zhǔn)，已在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署，中國移動(dòng)近兩年也建成了世界上最大的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，為了保證投資和網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)，4G空口將在現(xiàn)有4G框架基礎(chǔ)上持續(xù)演進(jìn)和增強(qiáng)，在保證兼容性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升，在一定程度上滿足5G場(chǎng)景與業(yè)務(wù)需求。比如，為了滿足增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)需求，4G演進(jìn)通過更多的載波聚合和多天線增強(qiáng)，如全維多天線(FD-MIMO)、大規(guī)模天線(MassiveMIMO)等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的吞吐率；通過多連接、多無線接入技術(shù)(RAT)融合持續(xù)增強(qiáng)技術(shù)能帶來更好的異構(gòu)組網(wǎng)和用戶體驗(yàn)；為了滿足海量機(jī)器通信(mMTC)場(chǎng)景需求，基于4G的機(jī)器與機(jī)器(M2M)特性，如窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)、eMTC將在技術(shù)和性能上帶來持續(xù)演進(jìn)和增強(qiáng)，滿足一定場(chǎng)景的需要；為了滿足超可靠且超低的時(shí)延業(yè)務(wù)(URLLC)場(chǎng)景需求，可以基于現(xiàn)有4G演進(jìn)車之間通信的協(xié)議(LTE-V)技術(shù)拓展車聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景。但另一方面，受限于4G技術(shù)框架的約束，大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、業(yè)務(wù)智能感知和分發(fā)、新波形和多址技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)框架和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下難以被采用而潛力未能發(fā)揮出來，4G演進(jìn)無法以低復(fù)雜度滿足5G極致性能需求。因此，5G需要突破后向兼容的限制，設(shè)計(jì)全新的空口，全面滿足5G關(guān)鍵指標(biāo)要求。綜合考慮，5G需要新空口和4G演進(jìn)空口協(xié)同發(fā)展。8.35G關(guān)鍵技術(shù)從標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)化角度出發(fā)，5G空口技術(shù)路線(圖8.2)主要包括新空口和4G演進(jìn)兩條技術(shù)路線。發(fā)展趨勢(shì)是基于統(tǒng)一的技術(shù)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)技術(shù)包括新型多址、大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)和全頻譜接入等八大關(guān)鍵技術(shù)，具有靈活的技術(shù)與參數(shù)配置方案，同時(shí)面向連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低時(shí)延高可靠、低功耗大連接四大覆蓋場(chǎng)景，此空口技術(shù)方案能夠滿足2020年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求。1.大規(guī)模天線技術(shù)MIMO天線技術(shù)中的空間分集是指多根發(fā)射天線或多根接收天線可以同時(shí)處理同一信號(hào)。這種應(yīng)用模式雖然對(duì)空間傳輸容量和頻譜利用率沒什么貢獻(xiàn)，但卻可以極大地提高無線傳輸?shù)目煽啃?。空間復(fù)用是指發(fā)射天線是多根，接收天線是多根也可能是單根，可組合成多路獨(dú)立空間子信道用來傳輸多路不同用戶信號(hào)。這樣雖然可以較大程度地提高無線傳輸容量或頻譜利用率，但很難改善無線信道的傳輸質(zhì)量。波束賦形是指多根天線在相關(guān)技術(shù)作用下，可以使多天線發(fā)射的電磁波在指定方向相長相消，形成較窄的定向波束覆蓋目標(biāo)用戶。這樣雖然可以獲得較高的傳輸可靠性，克服鄰區(qū)干擾，降低設(shè)備發(fā)射功率，提高通信質(zhì)量，但同樣不能提高傳輸容量和頻譜利用率。傳統(tǒng)MIMO天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波束賦形，理論上是無法兼顧系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用或空間分集的。因?yàn)榧夹g(shù)上存在完全相悖的基本要求，波束賦形要求MIMO天線系統(tǒng)中各子天線間距只能是半波長或半波長的倍數(shù)，以保證各子天線上信號(hào)具有相長相消的相干性。由于波束賦形的作用主要是將各子天線上相同信號(hào)通過相干性，使其輻射波形變得更窄，具有更強(qiáng)的方向性和目標(biāo)性，從而可以提高無線傳輸?shù)目煽啃?，這與空間分集產(chǎn)生的效果相似。發(fā)送端將信源比特流通過數(shù)字調(diào)制成串行碼流，再經(jīng)串并變換成為與MIMO多天線對(duì)應(yīng)的并行碼流，經(jīng)過空時(shí)編碼，使之成為適應(yīng)空間分集和時(shí)間分集的空時(shí)碼流，最后送到MIMO天線，使其在空域子信道上同頻同時(shí)傳輸。接收端MIMO天線在收到經(jīng)過無線信道傳輸?shù)亩鄰叫盘?hào)后，通過空時(shí)解碼，使其從混合接收信號(hào)中分離，估計(jì)出與多天線對(duì)應(yīng)的并行碼流，再經(jīng)并串轉(zhuǎn)換形成傳輸碼流，最后通過數(shù)字解調(diào)恢復(fù)信宿。在MIMO天線的工作過程中，系統(tǒng)可根據(jù)各子天線的間距及相關(guān)處理技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)空間分集、空間復(fù)用和波信號(hào)通過相干性使其輻射波形變得更窄，具有更強(qiáng)的方向性和目標(biāo)性，從而可以提高無線傳輸?shù)目煽啃?。這與空間分集產(chǎn)生的效果相似，也就是說，波束賦形與空間分集的主要作用具有異曲同工之妙。但波束賦形還可以提高發(fā)射電磁波的功率密度，可以有效地降低每個(gè)陣元上發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，可大大節(jié)省天線的發(fā)射能量，具有環(huán)保優(yōu)勢(shì)。移動(dòng)通信的基站和終端因架設(shè)和架構(gòu)的現(xiàn)實(shí)要求，使MIMO天線系統(tǒng)的體積、重量和功耗受到較大限制，而MIMO天線振子結(jié)構(gòu)的幾何大小與波長同數(shù)量級(jí)。4G網(wǎng)絡(luò)的主頻率小于3?GHz，波長大于10?cm，屬于分米波范圍，目前應(yīng)用于4G基站和終端中的MIMO天線一般為基站有8根天線和終端有2根天線的8?×?2模式，如此少量的子天線數(shù)，產(chǎn)生的空間復(fù)用、空間分集和波束賦形的效果非常有限。面向5G的頻譜選擇很有可能采用毫米波技術(shù)，從而使子天線尺寸局限在毫米范圍，從幾何尺寸和發(fā)射功率等方面，都已為5G系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐基礎(chǔ)，使之完全可以在基站和終端上建立少則幾十根、多則上千根子天線的大規(guī)模MIMO天線系統(tǒng)。2.非正交多址接入(NOMA)技術(shù)PDMA圖樣分割多址接入是一種基于多用戶通信系統(tǒng)整體優(yōu)化的新型非正交多址接入技術(shù)，通過發(fā)送端和接收端的聯(lián)合設(shè)計(jì)，在發(fā)送端采用功率/空間/編碼等多種信號(hào)域的單獨(dú)或者聯(lián)合非正交特征圖樣區(qū)分用戶，在接收端采用串行干擾消除(SIC)方式實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)最優(yōu)多用戶檢測(cè)?？偟膩碚f，非正交多址接入(NOMA)主要有3個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：(1)NOMA在接收端采用SIC技術(shù)來消除干擾，可以很好地提高接收機(jī)的性能。(2)發(fā)送端采用功率復(fù)用技術(shù)。(3)不依賴用戶反饋信道狀態(tài)信息(CSI)。3.同頻同時(shí)的全雙工技術(shù)隨著在線視頻業(yè)務(wù)的增加以及社交網(wǎng)絡(luò)的推廣，未來移動(dòng)流量呈現(xiàn)出多變特性：上下行業(yè)務(wù)需求隨時(shí)間、地點(diǎn)而變化等，目前通信系統(tǒng)采用相對(duì)固定的頻譜資源分配將無法滿足不同小區(qū)變化的業(yè)務(wù)需求。靈活雙工技術(shù)原理是將發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)設(shè)置在同一頻率和時(shí)隙上，使得資源開銷相比傳統(tǒng)雙工模式減半，從而提高頻譜效率。4.超密集組網(wǎng)為了滿足將來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量數(shù)百倍的增大，將用戶體驗(yàn)速率提高數(shù)百倍的要求，除了增加頻譜帶寬和使用大規(guī)模天線技術(shù)提高頻譜的效率外，提高空間重用的程度也是提高5G網(wǎng)絡(luò)無線系統(tǒng)容量的有效方法。以前無線通信網(wǎng)絡(luò)采用單元?jiǎng)澐址绞絹頊p小小區(qū)半徑，但是隨著現(xiàn)代小區(qū)覆蓋的減小，單元?jiǎng)澐肿兊秒y以實(shí)現(xiàn)，需要超密集組網(wǎng)技術(shù)，可以在數(shù)據(jù)使用量大的區(qū)域放置小型基站。將小型基站放置在宏基站所覆蓋的范圍內(nèi)，形成密集的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，增加單位面積內(nèi)小基站的密度，通過在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中引入超大規(guī)模低功率節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)增強(qiáng)，消除盲點(diǎn)，改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提高系統(tǒng)容量。超密集組網(wǎng)具有如下兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：提升移動(dòng)性能。由于小型基站部署在宏基站的內(nèi)部，可以始終保持宏基站與微基站之間的連接。微基站能夠給用戶提供連接，用戶通過小型微基站就可以實(shí)現(xiàn)信息的添加、修改和刪除。

資源利用率提升。宏基站可以通過統(tǒng)一控制和管理小型基站，對(duì)小型基站動(dòng)態(tài)開/關(guān)等給予協(xié)調(diào)管理，進(jìn)行優(yōu)化控制，提高整體的網(wǎng)絡(luò)容量和資源使用效率，降低能耗。超密集組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以使終端在一些地區(qū)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的距離變得更近，能夠得到更多的頻譜，提升業(yè)務(wù)效率、頻譜效率，大大提高系統(tǒng)容量功能和優(yōu)勢(shì)。超密集組網(wǎng)能夠滿足熱點(diǎn)地區(qū)500～1000倍的流量增長的需求?？蓱?yīng)用于密集街區(qū)、密集住宅、辦公室、公寓、大型集會(huì)、體育場(chǎng)、購物中心、地鐵等場(chǎng)景。5.設(shè)備到設(shè)備的直接通信傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式以基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)的覆蓋，而基站和中繼站無法移動(dòng)，其網(wǎng)絡(luò)在靈活性上有缺陷，隨著無線多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)形式已無法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需要。設(shè)備到設(shè)備(D2D)的直接通信技術(shù)無需借助基站的幫助就能實(shí)現(xiàn)通信中終端間的直接通信，拓展網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。因此D2D通信具有如下特點(diǎn)：端到端毫米級(jí)用戶面時(shí)延，實(shí)現(xiàn)較高數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和功耗；短距離通信可頻譜資源復(fù)用；無線P2P(PeertoPeer，點(diǎn)對(duì)點(diǎn))功能；拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。目前，D2D可用于實(shí)時(shí)云計(jì)算、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、在線游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能交通、智能電網(wǎng)、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。當(dāng)然，D2D通信技術(shù)只能作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的輔助通信的手段，而不能獨(dú)立組網(wǎng)通信。6.高頻段毫米波通信移動(dòng)通信傳統(tǒng)工作頻段十分擁擠，而大于6?GHz的高頻段可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張現(xiàn)狀，可以支持極高速短距離通信，能夠支撐5G容量和傳輸速率的需求。高頻段毫米波通信技術(shù)將滿足未來5G網(wǎng)絡(luò)需求的三大場(chǎng)景。(1)eMBB場(chǎng)景：GHz以下的低頻帶資源傳播特性更適合滿足增強(qiáng)覆蓋的需要，而高頻帶提供連續(xù)的大帶寬，盡管高頻帶的衰減很大，覆蓋面不好，但可以部署在熱點(diǎn)區(qū)域，以提高速率和系統(tǒng)容量。所以高頻和低頻協(xié)作是滿足eMBB場(chǎng)景的基本手段。(2)mMTC場(chǎng)景：由于大規(guī)模機(jī)器類通信的速率要求較低，但對(duì)于覆蓋范圍有較高的需求，故mMTC場(chǎng)景主要使用小于6GHz，特別是低于1GHz的頻帶。已經(jīng)確定，在物聯(lián)網(wǎng)中使用800M和900M頻帶中的窄帶頻帶，能夠滿足大規(guī)模機(jī)器的通信需求。(3)超可靠和低延遲通信(uMTC)場(chǎng)景：uMTC場(chǎng)景需要超高的可靠性，因此頻段的選擇將獨(dú)立分配授權(quán)頻譜。7.認(rèn)知無線電技術(shù)認(rèn)知無線電技術(shù)的核心思想是系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)能力，能夠感知授權(quán)用戶的存在，機(jī)會(huì)式地接入可用資源，并限制和降低沖突的發(fā)生。如果將認(rèn)知無線電應(yīng)用在蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，低功率節(jié)點(diǎn)就可以伺機(jī)占用宏基站的可用資源，無需授權(quán)，靈活高效。2014年7月，國家無線電監(jiān)測(cè)中心和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)發(fā)布《450?MHz～5?GHz關(guān)注頻段頻譜資源評(píng)估報(bào)告》，給出了北京、成都和深圳等城市部分無線電頻譜占用統(tǒng)計(jì)數(shù)字。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，5?GHz以下所關(guān)注頻段大部分的使用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10%，說明5GHz以下頻段使用效率有大量的提升空間。為了提高頻譜利用率，未來5G需要采用認(rèn)知無線電技術(shù)。8.自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)技術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)技術(shù)是一種智能的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維技術(shù)。SON的主要功能是自配置、自優(yōu)化、自治愈。SON技術(shù)可以緩解由于多制式網(wǎng)絡(luò)共存所帶來的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維效率低、網(wǎng)絡(luò)成本加大的難題，并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積、容量和通信質(zhì)量。9.濾波器組多載波FBMC技術(shù)在OFDM系統(tǒng)中，各個(gè)子載波在時(shí)域相互正交，它們的頻譜相互重疊，因而具有較高的頻譜利用率。OFDM技術(shù)一般應(yīng)用在無線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中；在OFDM系統(tǒng)中，由于無線信道的多徑效應(yīng)，從而使符號(hào)間產(chǎn)生干擾。為了消除符號(hào)間干擾(ISI)，在符號(hào)間插入保護(hù)間隔。插入保護(hù)間隔的一般方法是符號(hào)間置零，即發(fā)送第一個(gè)符號(hào)后停留一段時(shí)間(不發(fā)送任何信息)，接下來再發(fā)送第二個(gè)符號(hào)。在OFDM系統(tǒng)中，這樣雖然減弱或消除了符號(hào)間干擾，但破壞了子載波間的正交性，從而導(dǎo)致了子載波之間的干擾(ICI)。因此，這種方法在OFDM系統(tǒng)中不能采用。在OFDM系統(tǒng)中，為了既可以消除ISI，又可以消除ICI，通常保護(hù)間隔是由循環(huán)前綴CP來充當(dāng)?shù)摹P是系統(tǒng)開銷，不傳輸有效數(shù)據(jù)，從而降低了頻譜效率。而濾波器組多載波(FBMC)利用一組不交疊的帶限子載波實(shí)現(xiàn)多載波傳輸，F(xiàn)BMC對(duì)于頻偏引起的載波間干擾非常小，不需要CP，較大提高了頻率效率。除了FBMC外，還有多種波形改進(jìn)技術(shù)，如時(shí)頻填充(TFP)、稀疏碼多址接入(SCMA)、廣義頻分復(fù)用(GFDM)等，各種改進(jìn)的傳輸波形技術(shù)為5G性能的提升提供了多樣選擇。10.先進(jìn)編碼與調(diào)制技術(shù)調(diào)制編碼技術(shù)是移動(dòng)通信的核心技術(shù)，被譽(yù)為“皇冠上的明珠”，5G所用的編碼技術(shù)有空間調(diào)制(SM)、頻率正交幅度調(diào)制(FQAM)、256QAM高階調(diào)制、LDPC和Polar編解碼技術(shù)。SM和FQAM技術(shù)各具有如下優(yōu)點(diǎn)：SM以天線的物理位置來攜帶部分發(fā)送信息比特，將傳統(tǒng)二維映射擴(kuò)至三維映射，提高頻譜效率。每時(shí)隙只有一根發(fā)射天線處于工作狀態(tài)，避免了信道間干擾與天線同步發(fā)射問題，且系統(tǒng)僅需一條射頻鏈路，有效地降低了成本。FQAM將頻移鍵控和QAM相結(jié)合，提高頻譜效率。用于多小區(qū)下行鏈路中，能夠提高小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量。8.45G應(yīng)用場(chǎng)景5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景如圖8.3所示，所有事物都相互關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)云化，遠(yuǎn)程操作不再受空間的約束。虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AugmentedReality，AR)等設(shè)備將成為主流設(shè)備，無人駕駛車輛將會(huì)真正實(shí)現(xiàn)。獲取內(nèi)容的方式更多將是視頻、直播等形式。正如兩個(gè)世紀(jì)前工業(yè)革命期間新技術(shù)的出現(xiàn)改變了我們的生活，今天我們正在經(jīng)歷另一次技術(shù)革命，5G網(wǎng)絡(luò)將使我們的城市環(huán)境現(xiàn)代化，使我們的生活更加便利。1.?VR/ARVR/AR是虛擬現(xiàn)實(shí)、感知交互、渲染處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸和內(nèi)容制作等新一代信息技術(shù)相互融合的產(chǎn)物。新形勢(shì)下高質(zhì)量VR/AR業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、時(shí)延要求逐漸提升，速率從25Mb/s逐步提高到3.5Gb/s，時(shí)延從30ms降低到5ms以下。伴隨大量數(shù)據(jù)和計(jì)算密集型任務(wù)轉(zhuǎn)移到云端，未來云虛擬現(xiàn)實(shí)(CloudVR)將成為VR/AR與5G融合創(chuàng)新的典型范例。憑借5G超寬帶高速傳輸能力，可以解決VR/AR渲染能力不足、互動(dòng)體驗(yàn)不強(qiáng)和終端移動(dòng)性差等痛點(diǎn)問題，推動(dòng)媒體行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，在文化宣傳、社交娛樂、教育科普等大眾和行業(yè)領(lǐng)域培育5G的第一波“殺手級(jí)”應(yīng)用。2.超高清視頻作為繼數(shù)字化、高清化媒體之后的新一代革新技術(shù)，超高清視頻被業(yè)界認(rèn)為將是5G網(wǎng)絡(luò)最早實(shí)現(xiàn)商用的核心場(chǎng)景之一。超高清視頻的典型特征就是大數(shù)據(jù)、高速率，按照產(chǎn)業(yè)主流標(biāo)準(zhǔn)，4K、8K視頻傳輸速率至少為12～40?Mb/s、48～160?Mb/s，4G網(wǎng)絡(luò)已無法完全滿足其網(wǎng)絡(luò)流量、存儲(chǔ)空間和回傳時(shí)延等技術(shù)指標(biāo)要求，5G網(wǎng)絡(luò)良好的承載力成為解決該場(chǎng)景需求的有效手段。當(dāng)前4K/8K超高清視頻與5G技術(shù)結(jié)合的場(chǎng)景不斷出現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于大型賽事/活動(dòng)/事件直播、視頻監(jiān)控、商業(yè)性遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)展示等領(lǐng)域，成為市場(chǎng)前景廣闊的基礎(chǔ)應(yīng)用。3.車聯(lián)網(wǎng)車聯(lián)網(wǎng)是智慧交通中最具代表性的應(yīng)用之一，通過5G等通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)“人-車-路-云”一體化協(xié)同，使其成為低時(shí)延、高可靠場(chǎng)景中最為典型的應(yīng)用之一。融入5G元素的車聯(lián)網(wǎng)體系將更加靈活，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)、車際、車載互聯(lián)網(wǎng)之間的信息互通，推動(dòng)與低時(shí)延、高可靠密切相關(guān)的遠(yuǎn)控駕駛、編隊(duì)行駛、自動(dòng)駕駛等具體場(chǎng)景的應(yīng)用。遠(yuǎn)控駕駛，車輛由遠(yuǎn)程控制中心的司機(jī)進(jìn)行控制，5G用于解決其往返時(shí)延需要小于10?ms的要求。編隊(duì)行駛，主要應(yīng)用于卡車或貨車，提高運(yùn)輸安全和效率，5G用于解決3輛以上的編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)高可靠低時(shí)延要求。自動(dòng)駕駛，大部分應(yīng)用場(chǎng)景如緊急剎車，汽車對(duì)行人(V2P)、車路通信(V2I)、車車通信(V2V)、車與網(wǎng)絡(luò)(V2N)等多路通信同時(shí)進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集及處理量大，需要5G網(wǎng)絡(luò)滿足其大帶寬(10Gb/s的峰值速率)、低時(shí)延(1ms)和超高連接數(shù)(1000億連接)、高可靠性(99.999%)和高精度定位等能力。4.聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)5G網(wǎng)絡(luò)將賦予網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)(圖8.4)超高清圖視頻傳輸(50～150?Mb/s)、低時(shí)延控制(10～20?ms)、遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)協(xié)作和自主飛行(100?kb/s，500?ms)等重要能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)設(shè)備的監(jiān)視管理、航線規(guī)范、效率提升。5G聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)將使無人機(jī)群協(xié)同作業(yè)和7?×?24小時(shí)不間斷工作成為可能，在農(nóng)藥噴灑、森林防火、大氣取樣、地理測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、電力巡檢、交通巡查、物流運(yùn)輸、演藝直播、消費(fèi)娛樂等各種行業(yè)及個(gè)人服務(wù)領(lǐng)域獲得巨大發(fā)展空間。5.遠(yuǎn)程醫(yī)療通過5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可承載醫(yī)療設(shè)備和移動(dòng)用戶的全連接網(wǎng)絡(luò)，對(duì)無線監(jiān)護(hù)、移動(dòng)護(hù)理和患者實(shí)時(shí)位置等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)，并在醫(yī)院內(nèi)業(yè)務(wù)服務(wù)器上進(jìn)行分析處理，提升醫(yī)護(hù)效率。借助5G、人工智能、云計(jì)算技術(shù)，醫(yī)生可以通過基于視頻與圖像的醫(yī)療診斷系統(tǒng)，為患者提供遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)會(huì)診、應(yīng)急救援指導(dǎo)等服務(wù)。6.智慧電力5G技術(shù)將在智慧電力的多個(gè)環(huán)節(jié)得到應(yīng)用。在發(fā)電領(lǐng)域特別是在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域需實(shí)現(xiàn)高效的分布式電源接入調(diào)控，5G可滿足其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸、遠(yuǎn)程調(diào)度與協(xié)調(diào)控制、多系統(tǒng)高速互聯(lián)等功能。在輸變電領(lǐng)域，具有低時(shí)延和大帶寬特性的定制化的5G電力切片可以滿足智能電網(wǎng)