5G 系列文章(一):四代移动通信系统概述

阅读数:1292 2019 年 11 月 12 日 09:00

5G系列文章(一):四代移动通信系统概述

本系列文章节选自《5G NR 标准:下一代无线通信技术  [5G NR: The Next Generation Wireless Access Technol]》,以 3GPP 2018 年 9 月的版本为基础,重点对 5G 新空口(NR)进行了详细而又深入的解读。本书作者 Erik Dahlman、Stefan Parkvall 和 Johan Sköld 先生,均就职于爱立信研究院,都是无线通信领域的技术专家,一直从事无线通信技术研究和标准制定工作。他们撰写的 3G 和 4G 专著也是无线通信领域的技术宝典。本书为读者深入剖析 5G NR 标准及其技术组成部分。

5G系列文章(一):四代移动通信系统概述

5G 概述

过去 40 年,世界见证了四代移动通信系统的发展。

第一代移动通信始于 1980 年左右,使用的是模拟传输,主要技术有北美制定的 AMPS(Advanced Mobile Phone System,高级移动电话系统)、北欧国家的公共电话网络运营商(当时由政府控制)联合制定的 NMT(Nordic Mobile Telephony,北欧移动电话),以及在英国等地使用的 TACS(Total Access Communication System,全接入通信系统)。基于第一代技术的移动通信系统只限于提供语音服务,不过,这是历史上移动电话首次可供普通民众使用。

第二代移动通信出现于 20 世纪 90 年代早期,其特点是在无线链路上引入了数字传输。虽然其目标服务仍然是语音,但是数字传输使得第二代移动通信系统也能提供有限的数据服务。最初存在几种不同的第二代技术,包括由许多欧盟国家联合制定的 GSM(Global System for Mobile communication,全球移动通信系统)、D-AMPS(Digital AMPS,数字高级移动电话系统)、由日本提出并且仅在日本使用的 PDC(Personal Digital Cellular,个人数字蜂窝),以及稍后发展出来的基于 CDMA 的 IS-95 技术。随着时间的推移,GSM 从欧洲扩展到世界,并逐渐成为第二代技术中的绝对主导。正是由于 GSM 的成功,第二代系统把移动电话从一个小众用品变成了一个世界上大多数人使用的、成为生活必需品一部分的通信工具。即使在今天,尽管第三代和第四代技术已经问世,在世界的许多地方 GSM 仍然起着主要作用,在某些情况下甚至是唯一可用的移动通信技术。

第三代移动通信,通常称为 3G,出现于 2000 年初期。3G 是朝着高质量移动宽带迈出的真正一步,尤其是借助于称为 3G 演进的 HSPA(High Speed Packet Access,高速数据包接入)[21] 技术,无线互联网的快速接入成为可能。此外,相对于早期的基于频分双工(Frequency-Division Duplex,FDD)对称频谱的移动通信技术(即网络到终端和终端到网络的链路各自使用不同的频谱,见第 7 章),3G 首次引入了非对称频谱的移动通信技术,它基于由中国主推的基于时分双工(Time Division Duplex,TDD)的 TD-SCDMA 技术。

从过去的几年到现在,作为主导的是以 LTE 技术为代表的第四代移动通信。在 HSPA 的基础之上,LTE 提供更高的效率和增强的移动宽带体验,即终端用户的数据速率更高。这有赖于能提供更大传输带宽的基于 OFDM 的传输技术以及更先进的多天线技术。此外,相对于 3G 支持一种特殊的非对称频谱工作的无线接入技术(TD-SCDMA),LTE 支持在一个通用的无线接入技术之中实现 FDD 和 TDD 工作,即对称和非对称频谱的工作。这样,LTE 就实现了一个全球统一的移动通信技术,适用于对称和非对称频谱以及所有移动网络运营商。在第 4 章里,我们还会详细讨论 LTE 的演进是如何把移动通信网络的范围扩展到非授权频谱的。

图 1-1 展示了移动通信系统的发展史。

5G系列文章(一):四代移动通信系统概述

1.1 3GPP 和移动通信的标准化

移动通信成功的关键是存在被许多国家认可的技术规范和标准。这些规范和标准保证了不同厂家生产的终端和设备的可部署性和互操作性,以及终端在全球范围内的可用性。

正如之前提到的,第一代 NMT 技术就是由多个国家共同制定的,使得终端及其签约使用在这几个北欧国家范围内都能有效工作。接下来的 GSM 移动通信技术规范和标准的制定也由欧洲的许多国家共同完成。相关工作在 CEPT 进行,CEPT 后来改名为 ETSI(European Telecommunications Standards Institute,欧洲电信标准组织)。所以从一开始,GSM 终端及签约服务就能在很多国家正常工作,涵盖了大量的潜在用户。这个巨大的共同市场对终端有极大的需求,催生了五花八门的手机品牌,大大降低了终端的价格。

不过,随着 3G 技术规范,特别是 WCDMA 的制定,迈出了制定真正的全球性移动通信标准的脚步。一开始,3G 技术标准的制定工作也基于区域分别在欧洲(ETSI)、北美(TIA,T1P1)、日本(ARIB)等地进行。然而,GSM 的成功已经表明技术覆盖广度的重要性,特别是终端的通用性和成本方面。而且越来越清楚的是,虽然不同的地区性标准化组织都在分别进行自己的工作,但是研究的技术具有很多相似性。特别是欧洲和日本,都在研究不同的,但非常类似的 WCDMA(Wideband CDMA,宽带 CDMA)技术。

最终,在 1998 年,各个区域性标准化组织走到一起,成立了 3GPP(Third-Generation Partnership Project,第三代合作伙伴项目),其目标是基于 WCDMA 来完成 3G 技术规范的制定。稍后,一个平行的组织(3GPP2)也成立了,其任务是制定 3G 技术的替代技术——cdma2000,作为第二代 IS-95 的演进。这两个有着各自 3G 技术(WCDMA 和 cdma2000)的组织(3GPP 和 3GPP2)随后共存了许多年。不过,随着时间的推移,3GPP 完全占据主导,并且进一步延伸到 4G 和 5G 技术的制定,尽管名字还是保持为 3GPP。今天,3GPP 是世界上制定移动通信技术规范的唯一重要组织。

1.2 下一代无线接入技术——5G/NR

关于 5G 移动通信的讨论开始于 2012 年左右。在许多讨论中,5G 这个术语指的是特定的、新的 5G 无线接入技术。不过,5G 也常常用在更宽泛的语境中,意指未来移动通信能够支持的、可预见的大量新的应用服务。

1.2.1 5G 应用场景

谈到 5G,一般常会提到三种应用场景:增强的移动宽带通信(eMBB),大规模机器类型通信(mMTC),以及超可靠低时延通信(URLLC)(参见图 1-2)。

5G系列文章(一):四代移动通信系统概述

eMBB 大致是指今天的移动宽带服务的直接演进,它支持更大的数据流量和进一步增强的用户体验,比如,支持更高的终端用户数据速率。

mMTC 指的是支持大量终端的服务,比如远程传感器、机械手、设备监测。这类服务的关键需求包括:非常低的终端造价,非常低的终端能耗,超长的终端电池使用时间(至少要达到几年)。一般而言,这类终端每台只消耗和产生相对来说比较小的数据量,因此不需要提供对高数据速率的支持。

URLLC 类服务要求非常低的时延和极高的可靠性,这类服务的实例有交通安全、自动控制、工厂自动化。

需要指出的是, 5G 应用场景分成这三个不同的类别在某种程度上是人为的,主要目的是为了简化技术规范的需求定义。在实际当中会有许多应用场景不能精确地归入这三类之中。比如,可能会有这样的服务,它需要非常高的可靠性,但是对于时延要求不高。还有的应用场景可能要求终端的成本很低,但并不需要电池的使用寿命非常长。

1.2.2 LTE 向 5G 演进

LTE 技术规范的第一个版本是在 2009 年提出的。之后,LTE 不断演进以提供增强的性能和扩展的能力。这包括对移动宽带的增强、支持更高的实际可达到的终端用户数据速率以及更高的频谱效率。它还包括扩展 LTE 的应用场景,特别是支持配有超长使用时长电池的低成本终端,类似于大规模 MTC 的应用。最近 LTE 在减少空口时延方面也有重要进展。

通过这些已完成的、正在进行中的以及未来的演进,LTE 将会支持 5G 的很多应用场景。从一个更广的角度来看,5G 不是一个特定的无线接入技术,而是由所支持的应用场景来定义,因此 LTE 应该被看作是 5G 整个无线接入解决方案的一个重要组成部分,参见图 1-3。虽然讲解 LTE 演进不是本书的主要目的,但第 4 章将会对 LTE 演进的当前状态做一个概述。

5G系列文章(一):四代移动通信系统概述

1.2.3 NR——新的 5G 无线接入技术

尽管 LTE 是一个强有力的技术,但是 5G 的某些需求是 LTE 及其演进无法满足的。事实上 LTE 肇始于十几年前,在这十几年里又出现了许多更先进的技术。为了满足这些需求并且发挥新技术的潜能,3GPP 开始制定一种新的无线接入技术,称为 NR(New Radio,新空口)。2015 年秋天举行的一次研讨会确定了 NR 的范围,具体的技术工作则开始于 2016 年春季。NR 标准的第一个版本完成于 2017 年年底,这是为了满足 2018 年进行 5G 早期部署的商业需求。

NR 借用了 LTE 的很多结构和功能。但是,作为一种新的无线接入技术,NR 不需要像 LTE 演进那样考虑向后兼容的问题。NR 的需求也要比 LTE 的需求更多更广,因而技术解决方案也会有所不同。

第 2 章讨论了与 NR 有关的标准化活动,第 3 章是对频谱的概述,对 LTE 及其演进的简要描述在第 4 章。本书的主要部分(第 5〜19 章)提供了一个对当前 NR 技术标准状态的详细描述,第 20 章是对 NR 未来发展的一个展望。

1.2.4 5GCN——新的 5G 核心网

除了定义 NR 这一新的 5G 无线接入技术,3GPP 也定义了一个新的 5G 核心网,称作 5GCN。新的 5G 无线接入将连接到 5GCN。不过,5GCN 也能为 LTE 的演进提供连接。同时,当 NR 和 LTE 运行在所谓的非独立组网模式(non-standalone mode)下时,NR 也可以连接到传统的 EPC 核心网,第 6 章将对此做进一步的描述。

作者简介:

埃里克·达尔曼(Erik Dahlman)

爱立信公司研究院高级专家,从事移动通信研究 20 多年,参与 2G、3G、4G、5G 的研究和标准化工作,拥有多项通信技术专利和奖项,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

斯特凡·巴克浮(Stefan Parkvall)

爱立信公司研究院高级专家,IEEE Fellow,从事移动通信研究 20 多年,参与 2G、3G、4G、5G 的研究和标准化工作,拥有多项通信技术专利和奖项,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

约翰·舍尔德(Johan Skld)

爱立信公司研究院主任工程师,从事移动通信研究 30 多年,参与 2G、3G、4G、5G 的研究和标准化工作,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》、《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

译者简介:

朱怀松,2004 年毕业于北京邮电大学并获硕士学位。 现任爱立信中国研发部多天线高级专家。长期从事无线基站的开发工作,主要研究领域包括多天线信号处理和系统性能分析等。工作期间获得专利 100 余项。

王剑,1994 年毕业于西北工业大学计算机系并获硕士学位。 现任爱立信中国研发部无线基带产品研发经理。从 2G 开始从事移动通信核心网和无线接入网产品管理、研发及标准化工作。工作期间获得多项国际专利。

刘阳,2003 年毕业于西安交通大学电信学院并获硕士学位。现任爱立信中国研发部主任系统工程师,从事无线接入网产品研发,经历了 3G、4G 到 5G 一系列基站产品,主要负责无线资源管理等算法的研究和产品化。

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相关文章:

《5G 系列文章(二):5G 标准化(上篇)》
《5G 系列文章(三):5G 标准化(下篇)》

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