5G基础通信原理、摘要~

zjb1200

移动互联网与物联网CIntemet of Things, IoT)业务正在成为移动通信发展的主要驱动
力。5G 移动通信网络在满足人们居住、工作、休闲和交通等多样化业务需求的同时，还将渗
透到物联网及各种行业领域，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的业务需求，实现真正
的"万物互联"。本章主要包括以下内容。
• 下一代移动通信系统的需求。
• 下一代移动通信系统的网络结构。
• 下一代移动通信系统的关键技术。
• 技术路线的演进。
8.1 下一代移动通信系统的需求
8 才. 1 5G 要求和主要性能指标
5G 愿景中提到任何人/物在任何时间和地点都可能需要进行信息交换。因此， 5G 把通信
从以人为中心扩展到同时以人和物为中心。移动通信演变成一种为人和物提供信息交换服务
的方式，从而给社会和经济带来巨大变化。
为了实现这些目标， 5G 能力将需要大幅度的扩张。5G 系统将具备更大的灵活性和更广
泛的集成能力，不仅包括传统的无线接入网络，也包括核心网、传输网络和应用。这就要求
5G 无线接入技术、网络架构和应用要以新的思路去设计。
现代社会日益广泛的移动多媒体业务与应用，推动移动流量以指数级方式增长，也加剧了对
无线连接的需求。lTU-R 将5G 移动网络业务划分为3 类:增强移动宽带业务CEnhanced Mobile
Broadband, e1在BB) 、超可靠低时延通信业务C U1tra-reliable and Low-latency Communications,
uRLLC) 以及海量机器通信业务C Massive Machine Type Communications, mMTC) 0 eMBB
聚焦对带宽有极高需求的业务，例如高清视频、虚拟现实/增强现实等，满足人们对数字化生
活的需求uRLLC 聚焦对时延极其敏感的业务，例如自动驾驶/辅助驾驶、远程控制等，满
足人们对数字化工业的需求; mMTC 则覆盖对联接密度要求较高的场景，例如智慧城市、智
能农业，满足人们对于数字化社会的需求，如图8-1 所示。
人工智能技术使工业领域的机器间和人机无线通信需求急速增长，对移动通信的无线接
入网络提出了更高的要求，如成本、复杂性、功耗、传输速率、移动性、时延和可靠性等方
第8 章下一代移动通信系统1203
面。如触动互联网(Tactile Intemet)要求无线时延低至lms 。图8-2 非常形象地展现了50
CIM下2020) 需求相对于IMT-Advanced 的提升。
增强移动宽带
海量机器通信超可靠低时延通信
图8-1 ITU 定义的5G 应用场景
用户体验速率
频i曾效率
500
移动性
(km/h)
连接密度元钱
(设备数/km') (ms)
图8-2 从I MT -Advanced 到IMT-2020 的关键能力的提升
在图8-2 中，各参数的含义如下。
• 峰值速率(Obitls): 网络可以达到的最大用户/设备数据速率。
• 用户体验速率(Mbi伯或Obitls): 在覆盖区域内用户/设备实际达到的速率。
• 频谱效率:每单位频谱或每个小区的平均数据吞吐量。
• 移动性(km!h): 满足标称QoS 条件下，网络可支撑的最大移动速率。
• 无线时延(ms): 数据包在空中接口MAC ，由信源达到信宿经历的时间，这里指单
程时延。
• 连接密度(设备数也丑2): 单位面积可以连接的设备数量。
• 能量效率(bitlJ) :在网络侧，能量效率是指无线接入网络消耗的每单位能量发送或
者接收的数据比特数;在终端侧，能量效率是指通信模组消耗单位能量发送或接收的
比特数。
2041 通信专业实务一传输与接人(无线)
• 单位面积容量C Mbitls/m2 ): 服务地理区域内的全部流量的和。
首先，为了满足移动互联网用户极限的视频及增强现实等业务体验需要， 5G 系统提出了
随时随地提供1 OOMbitls~ 1 Gbi饰的体验速率的指标要求，甚至在500km/h的高速运动过程
中，也要求具备基本服务能力和必要的业务连续性。
第二，为了满足移动互联网和物联网场景下设备高效接入的要求， 5G 系统需同时满足
Tbitlslkm2 的流量密度和百万1km2 的连接密度要求，而现有网络流量中心汇聚和单一控制机制
在高吞吐量和大连接场景下容易导致流量过载和信令拥塞。
第三，为了支撑自动驾驶和工业控制等高度实时性要求的业务， 5G 系统需要在高可靠
性前提下，满足端到端毫秒级的极低时延要求。现网中，端到端时延和业务中断时间都在
百毫秒量级，与5G 时延要求存在两个数量级的差距，也难以满足特定业务的可靠性和安全
性要求。
8. 才.2 5G 主要场景
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100Mbitls 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。1 Gbitls 用户体验速率、数十Gbitls 峰值速率和数十Tbi怕也d 的流量密
度需求是该场景面临的主要挑战。
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撑的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撑能力，满足100 万缸n2 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。
5G 主要场景与关键性能指标见表8-1 。
表8-1
场景
连续广域覆盖
热点高容量
低功耗、大连接
低时延、高可靠
5G 主要场景与关键性能指标
1OOMbitJs 用户体验速率
用户体验速率为1 GbitJs
峰值速率为数十GbitJs
流量密度为数十TbitJslkm2
连接数密度为1061km2
超低功耗，超低成本
空口时延为1ms
端到端时延为m 量级
可靠性接近100%
关键挑战
第8 章下一代移动通信系统1205
8.2 下一代移动通信系统网络结栩
移动网络架构的设计目标是定义网元(如基站、交换机、路由器、终端)，以及网元之间
的互操作，并确保系统操作一致性。5G 系统必须满足高带宽、低时延、大容量等多种需求，
但其中一些需求彼此间是互相矛盾的，需要协同处理。为了实现未来网络的灵活性，业界建
议采用诸如网络功能虚拟化CVirtual Network Function, NFV) 和App定义网络CSoftware
Defined Network, SDN) 等工具，特别是在支撑核心网应用方面。NFV 和SDN 的使用需要
重新考虑、传统的网络架构设计。
8.2.1 NFV
1.网络虚拟化概念
虚拟化C Virtualization) 是将同一物理资源虚拟出多个资源版本的过程，这些虚拟资源具
备相同的物理资源特性。虚拟化的主要特征是:物理资源的"抽象"和多个用户间的"共享"。
网络虚拟化CNetwork Virtualization) 是指通过将多个虚拟资源聚合形成一个虚拟化网络，使
得多个虚拟网络可以独立运行在同一物理设施基础上，其中每个虚拟网络与非虚拟化网络类
似，下层物理资源的虚拟化对虚拟网络是透明的。通过网络虚拟化会给用户/应用一种单独拥
有物理资源的感觉，但本质上是通过抽象以及网络功能与物理硬件的隔离实现多用户间网络
资源的共享。
2. NFV 技术概述
当前运营商的网络包含大量的硬件设备，每引入一种新业务往往需要集成复杂的专用硬
件。同时，硬件的生命周期由于技术和业务'快速创新而变短。NFV 将网络功能通过App来实
现，旨在利用虚拟化技术，通过App实现各种网络功能并运行在通用的x86 架构服务器上，
降低网络昂贵的设备成本，实现软硬件解祸及功能抽象，使网络设各功能不再依赖于专用硬
件，资源可以充分灵活共事，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自
愈等。2012 年11 月，欧洲电信标准化协会CEuropean Telecommunications Standards Institute,
ETSI) 发起成立了一个新的网络功能虚拟化标准工作组NFV ISG CNetwork Functions
Virtualization Indus町Specification Group) ，着重从电信运营商角度提出对网络功能虚拟化的
需求，以推进电信网络的网络虚拟化技术发展与标准化工作，目前己有超过220 多家网络运
营商、电信设备供应商、IT 设备供应商以及技术供应商参与。
3. NFV 斗E架
NFV 的技术基础是现有的云计算和虚拟化技术，通用的COTS 计算、存储、网络硬件设
备，通过虚拟化技术可以分解为多种虚拟资源，供上层各种应用使用，同时通过虚拟化技术，
可以使得应用与硬件解祸，使资源的供给速度提高，从物理硬件的数天缩短到数分钟;
通过云计算技术，可以实现应用的弹性伸缩，从而实现了资源和业务负荷的匹配，既提高了
资源利用效率，又保证了系统响应速度。如图8-3 所示，与现有业务网络+OSS 系统的网络架
构相比， NFV 从纵向和横向上进行了解构，从纵向看来，与计算资源虚拟化类似， NFV 架构
主要包含3 个层次的内容:基础设施层CNFV Infrastructure, NFVI) 、虚拟层C Virtualization
Layer, VL) ，虚拟网络功能实现层CVirtual Network Function, VNF) 。
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--L
运营支撑系统/商业支撑系统
--L
|噶理||7|
-•
| 虚拟计算I I 虚拟存储I I 虚拟网络|
虚拟层
VLHa~ 1J←
硬件资源
| 计算硬件I I 存储硬件I I 网络硬件|
←4 实行参照点-十-其他参照点
图8-3 N问架构
NFV管理编排
虚拟化
基础设施
管理器
一←主要NFV参照点
服务、VNF
和基础
设施描述
Or-Vi
(1) NFVI: 即最下层的物理资源，包括交换机、路由器、计算服务器、存储设备。
(2) VL: 虚拟网络层对应的就是目前各个电信业务网络，主要完成对硬件资源的抽象，
形成虚拟资源。
(3) VNF: 网络功能的App实现，可由一个或多个虚拟机组成。
从横向看，主要分为两个域:业务网络域与管理编排域。其中，业务网络域就是当前的
各电信业务网络。NFV 同传统网络的最大区别就是增加了一个管理编排域(11anagernentand
Orchestration, :MANO)o :MANO 负责对整个NFVI 资源的管理和编排，负责业务网络和NFVI
资源的映射和关联，负责OSS 业务资源流程的实施等。:MANO 内部包括虚拟化基础设施管
理器(Virtualized 1n企astructure 11anager, VW) 、VNF 管理器(VNF 11anager, VNF11) 和
NFV 编排器(NFV Orchestrator, NFVO) 3 个实体，分别完成对NFVI 、VNF 和NS (即业务
网络提供的网络服务) 3 个层次的管理。
按照NFV 的技术原理，一个业务网络可以分解为一组VNF 和VNFL (VNF link) ，表示
为VNF-FG (VNF Forwarding Graph) ，每个VNF 可以分解为一组VNFC (VNF Cornponent>
和内部连接图，每个VNFC 映射为一个V11;对于每个VNFL ，对应着一个E 地址连接，需
要分配一定的链路资源(流量、QoS 、路由等参数)。
8.2.2 SDN
除了NFV ， SDN 是另一个重要的未来到网络的赋能者。SDN 的基本原理是将控制面和
第8 章下代移动通信系统1 207
数据面分拆(也称为基础设施层和用户面)，网络智能的逻辑集中化，以及将物理网络通过标
准接口从应用和服务中抽象出来。不仅如此，网络控制集中到控制层，而网络设备(例如处
理数据的交换机和路由器)则分布在基础设施层中，如图8-4 所示。
应用层
控制层
图8-4 SDN 架构
控制层的北向接口通过标准化的应用编程接口API 与应用和服务互动，南向接口通过标
准的OpenFlow 指令集与物理网络交互。API 实现路由器、安全性和带宽管理等服务，而
OpenFlow 则允许直接访问网络设备，例如多厂商的交换机和路由器等。基于每一个线程的网
络可编程能力，能够响应不断变化的应用层实时需求，从而避免缓慢复杂的人工网元配置。
从拓扑结构的角度，属于控制层和基础设施层的NF 可以被集中化部署，也可以根据需要进
行分布式部署。NFV 和SDN 并非互相依存。但是由于NFV 提供了灵活的基础设施， SDN
App可以运行其上，反之亦然，即SDN 概念使基于线程的网络功能配置成为可能，因此这两
种技术高度互补。
8.2.3 RAN 架构基础
网络架构设计的首要目标是将技术元素集成为完整系统，井且使它们可以合理地协同操
作。因此， 如何获得关于系统架构的共识就变得十分重要， 即如何使多厂商设计的技术、设
备能够相互通信，协作实现有关功能。现有的标准通过逻辑架构的技术规范来实现这种共识，
包括逻辑网络单元CNetwork Element, NE) 、接口和相关的协议。标准化的接口在协议的辅
助下，实现阳之间的通信，其中协议包括过程、信息格式、触发和逻辑网络单元的行为等。
每个NE 包括一组网络功能CNetwork Function, NF) 并基于一组输入数据来完成操作，
而每个网络功能必须映射到一个或多个NE 。对技术元素进行功能分拆，并把网络功能分配
到NE 中的过程，由功能架构来描述，如图8-5 所示。
2081 通信专业实务一传输与接入(无线)
技术元索
网络功能分解
NF=网络功能
逻辑和功能架构编排架构
SDN!NFV
赋能
工具
图8-5 功能、逻辑、编排和物理架构之间的关系
物理架构
((t叫))1 \((tiJ))
i 二~\'，
物理节点
罗
7 安
物理终i~，l
标准化组织定义的技术规范确保世界范围内来自不同厂商的设备能够进行互操作。尽管传
统阳、协议和接口由技术规范约定，实现的过程中网络和终端设备厂商仍然有相当的自由度。
第一个自由度是如何将网元映射到物理网络。一方面，设备厂商可以将标准的网元分开
部署在多个物理节点，以实现集中化部署架构;另一方面，同一个供货商拥有在同一物理节
点合并网络单元的自由度。
第二个自由度是各厂商采用的硬件和App平台架构的自由度。到目前为止， 3GPP 还没
有定义任何的特定App或者硬件架构，或者定义任何面向网络单元的平台。
第三个自由度是厂商如何实现不同网络功能的决策逻辑(Decision Logic) 。例如， 3GPP
规定了空中接口的信息交换协议，即规定了eNodeB 传递调度信息及m 解读这些信息的方
式，以及四如何反应等。尽管如此， eNodeB 仍然具有如何使用信息进行资源分配的自由。
8.2.4 5G 网络切片
4G 网络为人们提供了移动高速的上网体验，主要服务于人与人之间的通信，而5G 不止
在带宽上提出了更高的要求，在移动性、时延、连接数等方面同样提出了很高的要求，而且
除了人与人之间的通信(H2H) 之外， 5G 还将服务于机器类通信，包括人与机器和机器与机
器之间的通信。
ITU 确定的3 个5G 主要应用场景包括:增强移动宽带、超可靠低延时通信、海量机器
类通信，分别体现在高带宽、低时延、海量连接数量的需求上。面向不同的应用领域， 5G 网
络需要具有多功能和灵活多样性。一个解决5G 网络多样性的方法就是网络切片技术，根据
NGMN 的定义，网络切片也称为" 5G 切片"支撑以一种特定方式处理控制面和用户面来实
现的特定连接类型的通信业务。5G 切片包括一组为特定用例和商业模型设定的5G 网络功能
和特定无线接入技术(Radio Access Technology, RAT) 设置的组合。因此，网络切片同样需
要做到端到端，涉及终端用户、无线接入网、核心网、业务服务器和云服务平台等以及各个
部分之间的连接与传输。
图8-6 给出了一个5G 切片在相同基础设施上共存的例子。从横向看，图8-6 中每一个网
络切片服务于特定的业务或商业模型，它需要由终端用户、无线接入网、核心网、业务服务器
和云服务平台等网元的一个个切片共同组成。而从纵向来看，以无线接入网举例来说，每一个
基站可能需要支撑不同类型的多个网络切片，并需要保证每个切片之间的资源共享与隔离。
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智能手机
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自动驾驶
第8 章下一代移动通信系统1209
访问节点〔云节点(边缘和中心) 8 网络节点臼~ 8 切片的一部分
图8-6 NMGN 5G 网络切片
网络切片是资源共享与隔离的基础。合理地选择网络切片方法，可以更容易地实现资源
的共享与隔离，从而可以高效地使用网络资源，提高资源的利用率。因此，在一定程度上可
以说，网络切片是网络资源虚拟化的核心。
8.3 下一代移动通信系统的关键技术
5G 技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。在无线技术领域，大规模天线阵列、
超密集组网CUltra-Dense Network, UDN) 、新型多址和全频谱接入等技术己成为业界关注的
焦点。其中，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。干
扰管理与抑制、小区虚拟化技术、接入与回传联合设计等是超密集组网的重要研究方向。新型
多址技术通过发送信号在空/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
C Sparse Code Multiple Access , 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CMulti-User SharedAccess, MUSA) 技术，基于非正交特征图样的图样分割多址C Pattem
Division Multiple Access , PDMA) 技术以及基于功率叠加的非正交多址C Non-Orthogonal
Multiple Access , NOMA) 技术。全频谱接入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〉资源来提升数据传输速率和系
统容量。6GHz以下频段因其较好的信道传播特性可作为5G 的优选频段， 6GHz~ 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。信道测量与建模、低频和高频统
210 I 通信专业实务→传输与接人(无线)
一设计、高频接入回传一体化以及高频器件是全频谱接入技术面临的主要挑战。
此外，基于滤波的正交频分复用CFi1tered-OFDM ， F-OFDM) 、滤波器组多载波CFi1ter-Bank
Multi-Carrier, FBMC) 、全双工、灵活双工、终端直通C Device-to-Device, D2D) 、多元低密
度奇偶检验码、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。
8.3.1 大规模多输入多输出
5G 需求之一就是，以与当前LTE-A 网络相似的成本与能耗，支撑比LTE-A 高1000 倍
的更大容量。系统容量受3 个因素的影响:频带宽度、基站的数量以及每个小区的频谱效率，
这3 个因素中任意一个提高，系统容量都将增加。
大规模多输入多输出CMultiple-Input Mu1tiple Output，阳MO) 技术能够提高每个小
区的频谱效率，因此对系统容量的提高有很大贡献。通常将大规模MIMO 系统定义为至少在
无线通信链路的一侧[通常在基站CBase Station, BS) 侧]使用大量000 或更多)可单独控制
的天线元件的系统。BS 侧的大规模MIMO 的应用示例如图8-7 所示。大规模MIMO 网络利用
天线提供的空间自由度CDegree of Freedom, Do凹，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，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。
除了用作接入链路之外，
大规模MIMO 还可以在多
Gbitls 回程链路方面发挥重要
作用，这些回程链路可以部署
在频分以及时分双工系统的基
础设施节点之间。
虽然大型天线阵列自20
世纪60 年代后期即在雷达系
统中开始广泛使用，但直到最
近才考虑将大规模MIMO 系
统应用于移动通信系统的接入
和回程。这是因为最近的研究
、
、
,,
,,
图8-7 具有大规模MIMO 基站的多用户与单用户
和实验已经指出，要实现大规模孔但MO 在蜂窝通信中的潜在益处，必须克服如下挑战。
最大的挑战在于大规模MIMO 在发射机侧需要准确的信道状态信息C Channel State
Information, CSI)。原则上，可以通过从每个天线元件发射正交导频信号(也称为参考信号)
来获得CSI 。但采用该方法具有以下缺陷:所需CSI 的导频信号开销随着发射天线的数目线
性增长。在发射机侧获得CSI 的另一个方法是利用信道互易'性， 这在TDD 系统中更易于实
现。使用互易性的成本是需要进行阵列校准以便消除不同天线元件的发射/接收射频CRF) 链
中的差异。在移动通信的时变信道中，导频传输、信道估计、信道反馈、波束成形器计算与
实际波束形成的数据传输之间的延迟将降低大规模MIMO 的性能。当然，还可以使用信道预
测技术来减少这种延迟。
另一个挑战是大规模阳MO 对多小区多层网络设计的影响。其中一个问题是导频污染的
影响。众所周知，在多天线系统中分配给导频信号和数据传输的时间、频率、码、空间和功
率资源之间需要权衡。在多小区多用户大规模MIMO 系统中，导频数据资源分配权衡与导频
第8 章下一代移动通信系统1 211
和数据信号上的小区间干扰(也称为污染)的管理交叉影响，这将导致需要重新思考在传统
系统如3GPP 中LTE 系统的导频信号设计。
此外，考虑到天线阵列的尺寸，在超密集部署的小小区中采用大规模阳MO 可能存在很
大的困难。解决方案为:一种方法是在宏基站侧部署大规模h但MO ，在宏小区和小小区之间
同信道部署的情况下，利用DoF 降低宏小区和小小区之间的干扰;另一种方法是考虑在小小
区侧部署高频的大规模MIMO ，高频系统中较小的天线尺寸允许系统根据实际需求部署大规
模天线阵列。
8.3.2 毫米波通信
岛ffiTIS 提到的某些场景，要求有最快的速率、最好的用户体验、为极密集人群服务等，
这些对移动通信系统的数据速率、业务处理能力、高容量传输的可用性提出了极高的要求。
这些场景映射到具体的需求，如需要支撑超过10Gbi饨的数据速率，相对于1M下Advanced ，
要支撑1O~100 倍数量的连接设备、1000 倍的业务流量、端到端的延迟需要降低5 倍等。这
些场景的峰值数据速率要求需要几百兆赫兹的频谱的支撑。5G 可以利用毫米波(mmWave)
频谱获得连续大块频带，如图8-8 所示。
I OG Hz~ 30G Hz
cmW .j. mmW
300GHz
叫
图8-8 5G 部署的重心在高达100GHz 的频段， LTE 将扩展到6GHz 左右的高频段
使用毫米波的主要原因是在30GHz 以上有丰富的频谱资源。毫米波频谱的范围为
30GHz~300GHz ，人们普遍认为，当前市场的半导体技术会将频段延伸到约100GHz ，而且
随着时间推移，将可能超越这个限制。一般情况下，低频段在实现上更具有吸引力，而且系
统化风险较小，尽管较高的频段可以使用更大的带宽，但终端和系统的复杂性会提高。目前，
低于60GHz 的大部分频段己经分配给不同的业务使用，包括移动业务。当前使用中的毫米波
频段主要用于雷达、地球探测、点至点服务和卫星通信等，目前没有运营在60GHz 以上的陆
地移动业务。
在世界大部分地区， 60GHz1SM 频段提供了高达7GHz 的频谱作为非授权频段使用，由
IEEE 802.11 定义的最近的"ad" 修订案已经开始使用，该方案能够使峰值速率高达7Gbitls 。
WiGig 正在使用这个规范超过2 . 16GHz 信道上的点到点毫米波链路，用于视频和数据传输。
此外， IEEE 802.11 的802.11ay 工作组正在考虑使用信道捆绑和M1MO 作为解决方案，用于
更高速率系统(超过30Gbitls) 的视频传输、数据中心应用和点对点通信。
毫米波频段给无线电通信提出了独特的挑战。视距传播的大尺度损耗通常遵循自由空间
的损耗公式，与相对于各个方向的辐射衰减值以及工作频率的增加的平方成正比。必须指出
的是，如果发送或接收天线的孔径大小保持不变，则不同的频率下恒定祸合损耗可以保持与
频率无关;各个方向频率相关的辐射衰减，也就是自由空间损耗，通常比用在发射器和接收
器高增益天线的补偿更多。在毫米波段，任何移动的无线系统都将需要自适应天线阵列或高
212 1 通信专业实务传输与接入(无线)
阶的波束赋形。
毫米波路径损耗还受其他附加因素影响，这些因素通常都与频率相关:①大气损耗，特
别是水蒸汽和氧气:②雨衰:③寄生损耗:④绕射损耗。低于100GHz 的频段中，在24GHz
和60GHz会产生两种大气吸取峰，这是由于水和氧气造成的。氧气的存在会增加额外15扭曲n
的衰减，短距离情况下，这种额外的衰减并不严重。信号传播路径中的障碍通常可作为反射
源，寄生损耗的影响沿着反射入射信号路径和漫散射可以使信号迅速衰减，衍射衰减随着波
长变短而增加。
小尺度损耗变化可采用各种模型模拟，如特定站点的几何模型、基于传播一般特征的统计
模型以及混合方法的模型等，采用高增益天线的窄波束赋形一般将降低信道的离散。波束跟踪
是在建模传播模型中的一个有用的工具，在这种模型中，统计变化包括由于环境中的物体和表
面非光滑的特征引起的漫散射和由于角效应产生的衍射。建筑物材质在吸取、反射率和传输特
性等方面各不相同，并且表面的入射角不同也会对损耗产生不同的影响。在较高的毫米波频段，
建筑物的墙壁穿透损耗可能会比较严重，身体损耗和由于移动带来的衰减也非常显著。
8.3.3 5G 中的新型中继技术
中继技术在LTE 标准的版本10 (Release 10) 中引入，通过图8 -9 (b) 中的自回传概念
进行描述。它通过回传链路与宏基站相连，通过接入链路与移动终端相连。5G 与LTE 主要
的不同之处在于对接入链路和回传链路之间干扰的处理方式。5G 中一般考虑多向通信的场
景，它采用基于无线网络编码的原则来利用干扰。另外，非正交多址接入的设计使得中继可
以进一步补偿半双工的限制从而接近全双工中继的性能。
(a ) 合作性中继(b) LTE Release 1. 0 中的自回传
图8- 9 多流中继示例
基于从前的关于中继与网络编码的研究，发现有3 种新技术能使中继变为一个提高5G
吞吐量的新技术动力。
(1)多流中继:无线网络编码背后的原则己经在很大程度上应用于双向中继的场景中，
其中两个设备通过一个中继站交互消息。可以将这些原则扩展到更为普遍的场景，包含多个
基站、中继站和移动终端。其中，可以在同一时间调度多条通信数据流以及下行和上行，这
样所产生的干扰可以通过附加信息进行消除。多流中继应用的主要领域预计是在小小区的
UDN 和移动站点中。
(2)非正交多址接入:考虑多个由普通中继辅助的双向中继(Two-Way Relaying, TWR)
通信的对子时，就需要考虑到中间接入的问题。在4G 中，中间接入是基于正交频分多址接
入的且会以正交的形式出现。对于TWR，继续采用OFDMA 即意味着每个通信对子需要分
配专门的资源。然而在5G 中，会有大量涌现的通信节点，而且对灵活性的要求更高。在这
第8 章下一代移动通信系统1213
些前提下，如果仍采用正交的信道接入，那么一方面将引入大量的由于调度产生的信令开销，
另一方面将只能提供有限的体现在速率要求和功率限制方面的灵活性，因此，采用正交信道
接入的代价将非常高。为降低成本，非正交的信道接入是一个非常有前景的5G 空中接口技
术的候选方案。非正交接入与双向中继TWR 的结合为系统设计摆脱了束缚。
(3)缓存辅助的中继:如果中继站都装备了缓存功能，那么系统就可以进行有针对性地
调度，从而产生可以对抗信道衰落、提供链路选择多样性的增益。如果网络部署了很多具有
缓存功能的中继站，那么就有可能绕过半双工的限制，让一个中继站侦听信号源，而另一个
中继站同时转发经过缓存的数据至目的地，而不是应用额外的多样性增益。
5G 中继技术面临的主要威胁在于，通过在单向通信中的带内半双工中继来减少频谱效率
损失。近年来，有很多成功的面向带内全双工射频的硬件实现，能够在同一带内同时进行发
送和接收，这显示出全双工设备是有可能成为5G 无线网络中的一部分的。
8.4 下一代移动通信系统演进的技术路线
从技术特征、标准演进和产业发展角度分析， 5G 存在新空口和4G 演进空口两条技术路线。
新空口路线主要面向新场景和新频段进行全新的空口设计，不考虑与4G 框架的兼容，
通过新的技术方案设计和引入创新技术来满足4G 演进路线无法满足的业务需求及挑战，特
别是各种物联网场景及高频段需求。
4G 演进路线在现有4G 框架基础上引入增强型新技术，在保证兼容性的同时实现现有系
统性能的进一步提升，在一定程度上满足5G 场景与业务需求。
此外， WLAN 己成为移动通信的重要补充，主要在热点地区提供数据分流。下一代WLAN
标准(802 .l 1ax) 制定工作已经于2014 年初启动，预计将于2019 年完成。面向2020 年及未
来，下一代WLAN 将与5G 深度融合，共同为用户提供服务。
制定全球统一的5G 标准已成为业界共同的呼声， ITU 己启动了面向5G 标准的研究工作，
并明确了IMT-2020 (5G) 工作计划， 3GPP 作为国际移动通信行业的主要标准组织，将承担
5G 国际标准技术内容的制定。3GPP R14 阶段被认为是启动5G 标准研究的最佳时机， R15
阶段可启动5G 标准工作项目， R16 及以后将对5G 标准进行完善增强。lTU-R 制定的IMT-2020
研究与标准工作计划安排如图8-10 所示。
温圈-e
图8-10 5G 工作计划