2016年5G 的主要应用场景 以及关键技术实现分析【图】

    （一） 5G主要应用场景

    从具体网络功能要求上来说，IMT-2020(5G)推进组定义了 5G 的四个主要的应用场景：连续广覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。

    连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足 2020 年及未来的移动互联网业务需求，也是传统的 4G 主要技术场景。

    连续广域覆盖场景是移动通信最基本的覆盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣环境）为用户提供 100Mbps 以上的用户体验速率。热点高容量场景主要面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。1Gbps 用户体验速率、数十 Gbps 峰值速率和数十 Tbps/km2 的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。

移动互联网业务需求场景

   低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是 5G 新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持地物联网及垂直行业应用。低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近 100%的业务可靠性保证。

物联网业务需求场景

    国际电信联盟 ITU 在 2015 年 6 月召开的 ITU-RWP5D 第 22 次会议上明确了 5G 的主要应用场景，ITU 定义了三个主要应用场景：移动宽带、大规模机器通信、高可靠低延时通信，具体场景如下：

ITU 发布的 5G 三大应用场景

    这三个场景与我国 IMT-2020（5G）推进组发布的四大场景基本相同，只是我国将移动宽带进一步划分为广域大覆盖和热点高速两个场景。

    （二） 5G 的关键性能挑战及实现

5G 主要场景与关键性能挑战

     5G 技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。其需求来自于以上的关键性能挑战。可以将关键性能分为以下三个部分：

5G 关键性能要求分类

    为了实现更高网络容量，无线传输增加传输速率大体上有两种方法，其一是增加频谱利用率，其二是增加频谱带宽。提高频谱利用率的主要的技术方式有增加基站和天线的数量，对应 5G 中的关键技术为 大规模天线阵列（MassiveMIMO）和 超密集组网（UDN）；而提高频谱带宽则需要拓展 5G 使用频谱的范围，由于目前 4G 主要集中在 2GHz以下的频谱，未来 5G 将使用 2-6GHz，甚至6-100GHz的全频谱接入，来获取更大的频谱带宽。

    而对于关键任务要求上，尤其是毫秒级的时延要求，对于网络架构提出了极大的挑战，5G 技术中将提出 新型的多址技术以节省调度开销，同时基于 软件定义网络（SDN ）和网络功能虚拟化（NFV ）的新型网络架构将实现更加灵活的网络调度。

    1 、大规模天线阵列：提高频谱效率，未来需要更多的天线及射频模块

    在现有多天线基础上通过增加天线数可支持数十个独立的空间数据流，以此来增加并行传输用户数目，这将数倍提升多用户系统的频谱效率，对满足 5G 系统容量与速率需求起到重要的支撑作用。大规模天线阵列应用于 5G 需解决信道测量与反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现等关键问题。

美国 莱斯大学 Argos 大规模天线阵列原型机样图

    大规模天线技术已经在 4G 系统中得以广泛应用。面对 5G 在传输速率和系统容量等方面的性能挑战，天线数目的进一步增加仍将是 MIMO 技术继续演进的重要方向。根据概率统计学原理，当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交，在这种情况下，用户间干扰将趋于消失。巨大的阵列增益将能够有效提升每个用户的信噪比，从而利用空分多址（SDMA）技术，可以在同一时频资源上服务多个用户。

    空分多址技术（SDMA）是大规模天线阵列技术应用的重要支撑，其基础技术原理来自于波束赋形（Beam forming）,大规模天线阵列通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而带来明显的信号方向性增益，并与 SDMA 之间产生精密的联系。

空分多址（SCMA）提高频谱效率

    大规模天线的优势可以归结为以下几点：

    第一：提升网络容量。波束赋形的定向功能可极大提升频谱效率，从而大幅度提高网络容量。

    第二：减少单位硬件成本。波束赋形的信号叠加增益功能使得每根天线只需以小功率发射信号，从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器，减少了硬件成本。

    第三： 低延时通信。大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。传统通信系统为了对抗信道的深度衰落，需要使用信道编码和交织器，将由深度衰落引起的连续突发错误分散到各个不同的时间段上，而这种揉杂过程导致接收机需完整接受所有数据才能获得信息，造成时延。在大规模天线下，得益于大数定理而产生的衰落消失，信道变得良好，对抗深度衰弱的过程可以大大简化，因此时延也可以大幅降低。

    第四：与毫米波技术形成互补。毫米波拥有丰富的带宽，但是衰减强烈，而波束赋形则正好可以解决这一问题。

波束赋形示例

    大规模天线的研发和使用同样面临巨大的挑战，从研究层面而言，物理层研究会面临下表中的多个难点。而从实际部署层面而言，硬件成本是最主要的阻碍。首先随着发射天线数目的增多，天线阵列的占用面积将大幅增加，天线群及其对应的高性能处理器、转换器的成本也都远高于传统基站天线，使得大规模部署存在成本问题；其次实际的使用中，为了平衡成本和效果，可能会采用一些低成本硬件单元替代，在木桶原理的作用下小幅降低成本可能会导致性能急剧下降，从而达不到预期效果。

大规模天线阵列物理层研究难点

    相比于 SISO 或分集天线系统，大规模多天线系统属于硬件、软件密集型的。大规模多天线系统由多个天线子阵列组成，每个子阵列共享数模转换、混频器等元件，而子阵列的每根天线单独拥有移相器、功率放大器、低噪放大器等模块。所以随着天线数的增加，硬件的部署成本会快速增加。不过与此同时，多天线的增益效应使得系统的容错能力提升，每个单元的模块（如数模转换、功率放大器等）的功能可以进一步减弱。

    软件层面则需要复杂的算法来管理和动态地适应与编码和解码用于多个并行信道的数据流，这就需要一个相对强大的处理器，通常被实现为一个 FPGA。

利用混合波束赋形技术的天线系统架构图

    整体而言 ， 未来 MIMO 将对天线带来升级需求，同时射频模块（ 移相器、功率放大器、低噪放大器等 ）的需求将爆发，此外数据的增加将利好功能更加强大的综合处理模块 ，如 如 FPGA。

    2 、超密集组网：解决热点网络容量问题 ，带来小基站千亿市场容量

    未来移动数据业务飞速发展，热点地区的用户体验一直是当前网络架构中存在的问题。由于低频段频谱资源稀缺，仅仅依靠提升频谱效率无法满足移动数据流量增长的需求。超密集组网通过增加基站部署密度，可实现频率复用效率的巨大提升，但考虑到频率干扰、站址资源和部署成本，超密集组网可在局部热点区域实现百倍量级的容量提升，其主要应用场景将在办公室、住宅区、密集街区、校园、大型集会、体育场和地铁等热点地区。超密集组网可以带来可观的容量增长，但是在实际部署中，站址的获取和成本是超密集小区需要解决的首要问题。而随着小区部署密度的增加，除了站址和成本的问题之外，超密集组网将面临许多新的技术挑战，如干扰、移动性、传输资源等。对于超密集组网而言，小区虚拟化技术、接入和回传联合设计、干扰管理和抑制是三个最重要的关键技术。

超密集组网示例

    由于超密集组网对基站和微基站的需求加大，以及在重点场景下基站选址将面临更大的挑战，未来将利好具备较好成本控制能力及基站选址能力的厂商。

基站性能及成本对比

    2020 年全球小基站市场每年将超过 6 亿美金，国内 小基站市场容量最终有望达到千亿级别。根据预测，全球小基站市场空间有望在 2020 年超过 6 亿美元。截止至 2016 年半年报，中国移动，中国联通，中国电信披露今年要达到的的 4G 基站数分别为 140 万个、68 万个、85 万个。考虑联通中报披露了与电信共享的 6 万个基站，假设年内共享基站达到 10 万个，则中国当前存量基站市场大约为 283 万个。假设未来小基站的数量能达到目前基站数量的 10 倍以上，即未来小基站市场需求达到 2830 万个，假设小基站平均价格为 5000 元/个，则未来小基站市场容量将达到千亿级别。

2016 年国内基站数量将超过 280 万 个

2020 年全球小基站市场空间超过 60 亿美元

    3、全频谱接入：扩大频谱宽度，未来利好射频器件厂商，但频谱暂未分配

    相对于提高频谱利用率，增加频谱带宽的方法显得更简单直接。在频谱利用率不变的情况下，可用带宽翻倍可实现数据传输速率也翻倍。通过有效利用各类移动通信频谱（包含高低频段、授权与非授权频谱、对称与非对称频谱、连续与非连续频谱等）资源可以提升数据传输速率和系统容量。但问题是，现在常用的6GHz以下的频段由于其较好的信道传播特性，目前已经非常拥挤，6~100GHz高频段具有更加丰富的空闲频谱资源，可作为5G的辅助频段，然而30GHz~100GHz频率之间属于毫米波的范畴，这就需要使用到毫米波技术。

频谱使用情况

    到2020 年我国 5G 频谱缺口近 1GHz。 低频段为首选，高频将成为补充。目前 4G-LTE 频段最高频率的载波在 2GHz上下，可用频谱带宽只有 100MHz。因此，如果使用毫米波频段，频谱带宽能达到 1GHz-10GHz，传输速率也可得到巨大提升。我国 5G 推进组已完成 2020 年我国移动通信频谱需求预测，届时移动通信频谱需求总量为 1350～1810MHz，我国已为 IMT 规划的 687MHz 频谱资源均属于 5G 可用频谱资源，因此还需要新增 663～1123MHz 频谱。我国无线电管理“十三五”规划中明确为 IMT-2020（5G）储备不低于 500MHz 的频谱资源。

    4 、 新型多址技术 ：降低信令开销，缩短时延

    通过发送信号在空/时/频/码域的叠加传输来实现多种场景下系统频谱效率和接入能力的显著提升。此外，新型多址技术可实现免调度传输，将显著降低信令开销，缩短接入时延，节省终端功耗。目前业界提出的技术方案主要包括基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址（SCMA）技术，基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入（MUSA）技术，基于非正交特征图样的图样分割多址（PDMA）技术以及基于功率叠加的非正交多址（NOMA）技术。

    此外，基于滤波的正交频分复用（F-OFDM）、滤波器组多载波（FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通（D2D）、多元低密度奇偶检验（Q-ary LDPC）码、网络编码、极化码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。

    5 、 5G 网络关键技术 ：NFV 和 和 SDN ，网络能力开放或利好第三方服务提供商

    未来 5G 网络架构将包括接入云、控制云和转发云三个域：接入云支持多种无线制式的接入，融合集中式和分布式两种无线接入网架构，适应各种类型的回传链路，实现更灵活的组网部署和更高效的无线资源管理。5G 的网络控制功能和数据转发功能将解耦，形成集中统一的控制云和灵活高效的转发云。控制云实现局部和全局的会话控制、移动性管理和服务质量保证，并构建面向业务的网络能力开放接口，从而满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率。转发云基于通用的硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现海量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。

5G 网络架构图

    基于“三朵云”的新型 5G 网络架构是移动网络未来的发展方向。未来的 5G 网络与 4G 相比，网络架构将向更加扁平化的方向发展，控制和转发将进一步分离，网络可以根据业务的需求灵活动态地进行组网，从而使网络的整体效率得到进一步提升。5G 网络服务具备更贴近用户需求、定制化能力进一步提升、网络与业务深度融合以及服务更友好等特征，其中代表性的网络服务能力包括、网络切片、移动边缘计算、按需重构的移动网络、以用户为中心的无线接入网络和网络能力开放。

基于 NFV/SDN 技术实现网络切片 以及网络能力开放

    其中，网络能力开放将不仅带来用户的体验优化，还将带来新型的商业模式探索。5G 网络能力开放框架旨在实现面向第三方的网络友好化和网络管道智能化，优化网络资源配置和流量管理。4G 网络采用“不同功能、各自开放”的架构，能力开放平台需要维护多种协议接口，网络结构复杂，部署难度大；5G 网络控制功能逻辑集中并中心部署能力开放平台间统一接口，可实现第三方对网络功能如移动性、会话、QoS 和计费等功能的统一调用。而这一切都需要虚拟化的基础设施平台支撑。实现5G新型基础设施平台的基础是网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）技术。

传统网络架构

SDN+NFV 下的网络架构

    SDN/NFV 技术融合将提升 5G 进一步组大网的能力：NFV 技术实现底层物理资源虚拟化，SDN 技术实现虚拟机的逻辑连接，进而配置端到端业务链，实现灵活组网。

    SDN 典型架构包含三层及两个接口：

    控制层：控制器集中管理网络中所有设备，虚拟整个网络为资源池，根据用户不同的需求以及全局网络拓扑，灵活动态的分配资源。SDN 控制器具有网络的全局视图，负责管理整个网络：对下层，通过标准的协议与基础网络进行通信；对上层，通过开放接口向应用层提供对网络资源的控制能力。

    物理层：物理层是硬件设备层，专注于单纯的数据、业务物理转发，关注的是与控制层的安全通信，其处理性能一定要高，以实现高速数据转发。

    应用层：应用层通过控制层提供的编程接口对底层设备进行编程，把网络的控制权开放给用户，基于上开发各种业务应用，实现丰富多彩的业务创新。

SDN 三层架构图

SDN 与 传统网络架构对比

    南向接口：是物理设备与控制器信号传输的通道，相关的设备状态、数据流表项和控制指令都需要经由 SDN的南向接口传达，实现对设备管控。

    北向接口：是通过控制器向上层业务应用开放的接口，目的是使得业务应用能够便利地调用底层的网络资源和能力，其直接为业务应用服务的，其设计需要密切联系业务应用需求，具有多样化的特征。

    相关报告：智研咨询发布的《2016-2022年中国5G行业市场深度调研及发展前景预测报告》

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