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2017年中国5G行业发展现状分析(图)

    5G,全称5thGeneration,即第五代移动通信。蜂窝移动通信从模拟通信(1G)演进到目前已经普及的LTE(4G),已经经历了4次更新换代。而从2012年开始,5G网络的研究和试验正在快速推进。

    中国蜂窝移动通信网络的更新换代

资料来源:公开资料整理

    相关报告:智研咨询发布的《2017-2023年中国5G行业分析与投资决策咨询报告

    如果我们把无线通信网络简单地看成一个黑盒子,我们暂时不关注这个黑盒子的内部结构,那么5G的黑盒子与前几代移动通信网络相比,其最大的不同是:同时满足三个场景。过去的2G、3G、4G主要是满足增强型移动宽带(eMBB,这是国际电联ITU定义的,而中国的5G标准推进组IMT-2020把这个场景定义为连续广域覆盖和热点地区高容量两个场景),而5G在满足这个场景的基础上,还增加了超高可靠低时延通信(uRLLC)和海量机器通信(mMTC)两个场景:

    1)增强型移动宽带(eMBB)

    这是传统的4G的主要技术场景。既满足连续广域覆盖,又满足热点地区高容量。连续广域覆盖,在满足用户移动性和业务连续性的前提下,无论在静止还是高速移动,覆盖中心还是边缘,用户都能随时随地获得100Mbps以上的体验速度;热点高容量,主要面向室内外局部人群集中等热点区域,为用户提供1Gbps的极高数据传输速率,满足数十Tbps/平方公里的极高流量密度需求。

    2)超高可靠低时延通信(uRLLC)

    主要面向车联网、工业控制等物联网及垂直行业的特殊应用需求,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。

    3)海量机器通信(mMTC)

    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、低成本、海量连接的特点,要求支持百万终端数/平方公里的连接数密度。

    总的来说,5G网络除了继续提高人与人联网的通信速度,还将满足人与物、物与物通信需要的低时延、高可靠和高密度的性能。5G将开启一个万物互联的时代。

    5G网络满足的三大场景

资料来源:公开资料整理

    具体到指标,为了满足3个场景的需求,5G网络将在速率、流量密度、连接数、时延、可靠性等方面提出要求。

    5G主要场景与关键性能指标

5G关键技术指标与4G参考值对比

资料来源:公开资料整理

    5G是无线接入技术和网络架构技术的完美结合——无线接入技术全面

    升级提升无线管道的传输效率为了满足先进的技术指标,5G技术的创新主要来源于无线接入技术和网络架构技术两方面。

    5G无线接入的关键技术主要包含6项:大规模天线阵列、超密集组网(UDN)、全频谱接入、新型多址、新型多载波、终端直连等。

    (1)接入技术1——大规模天线阵列(MassiveMIMO):增加天线端口数,提升相同时

    频下的用户数MassiveMIMO技术是5G移动通信的核心技术。目前3GPPLTERelease10(4G)中支持的多天线技术仅仅支持最大8端口的水平维度波束赋形技术,而5G为了进一步提升频率效率,一个直观的方法就是进一步增加并行传输的数据流的个数,或者更进一步:增加基站天线端口的数目,达到16、64甚至更高端口数,即可使传输的用户配对数目随天线阵列数目增加而增加,即使更多的用户在同一时间内进行传输,提升了频谱效率。

    除了端口数继续增加,MIMO天线也在挖掘空间维度的潜能——3D-MIMO。3D-MIMO是MassiveMIMO的一种,3D-MIMO是在传统的2D-MIMO的基础上,在垂直方向增加了一维可供利用的维度,可同时实现水平和垂直方向上的MIMIO,目前3D-MIMO将大规模用在4.5G系统中。

    MassiveMIMO示意图:单基站天线阵列增加

资料来源:公开资料整理

    MIMO的原理:提升并行数据流

资料来源:公开资料整理

    (2)接入技术2——超密集组网(UDN):大量增加小基站提升热点大容量场景覆盖5G网络要满足的其中一个场景是热点高容量,即办公室、密集住宅区、密集街区、校园、大型集会、体育场和地铁等热点地区和广域覆盖区域。随着移动数据业务飞速发展,尤其是热点地区的流量需求一直是运营商函需解决的重要问题,这一问题在5G网络将显得尤为显著。根据近几年运营商的统计数据看,虽然室内覆盖只占移动通信覆盖区域总面积的20%,却产生了所有覆盖区域业务量的70%。

    室内业务分布占比

资料来源:公开资料、智研咨询整理

    室内、室外移动通信业务量对比

资料来源:公开资料、智研咨询整理

    由于低频段资源的稀缺,仅依靠提升频谱效率无法满足大容量地区数据增长的需求,因此,通过增加单位面积内小基站密度,形成超密集组网,是解决该问题的最有效手段。

    根据3GPP对某密集住宅区场景及办公楼场景的小基站部署实验统计,随着小基站数目的增加,系统容量逐渐升高。密集住宅场景下:当部署8个小基站时,系统容量达到仅宏基站蜂窝覆盖的13倍。办公楼场景下:当每层部署40个小基站时,系统容量可提升至单小基站部署的14倍。

    系统容量与小基站部署数量的关系——部署小基站大大提升了密集住宅区的系统容量,最多可达13倍

资料来源:公开资料、智研咨询整理

    系统容量与小基站部署数量的关系——部署小基站大大提升了办公楼场景下的系统容量,最多可达14倍

资料来源:公开资料、智研咨询整理

    随着小区部署密度的增加,超密集组网需要解决如干扰、移动性、站址、传输资源以及部署成本等问题。为了满足大容量场景的需求和技术挑战,实现易部署、易维护、用户体验轻快的轻型网络,5G的超密集组网还需要解决如下技术:接入和回传联合设计、干扰管理及抑制、小区虚拟化技术等。

    (3)接入技术3——全频谱接入:增加6GHz以上高频段,高低频混合组网
如果把移动通信系统的建设看成是开发商盖“房子”,那频谱的作用就是“土地”,只有有了土地,开发商才能盖好房子。过去2G、3G、4G网络,主要用的是6GHz以内的低频段,而5G有着高数据流量和高传输速率的需求,根据ITU-RWP5D对2020年IMT(国际移动通信)频谱需求预测,中国2020年频谱需求总量为1490-1810MHz,而与我国目前已规划的IMT总频率687MHz相比仍然有800MHz的频谱缺口。所以5G将会是混合6GHz以下低频段和6GHz以上高频段,其中低频段是5G的核心频段,用于无缝覆盖;高频段作为辅助频段,用于热点区域的速率提升。

    中国IMT(国际移动通信)系统三大运营商的频段划分情况

资料来源:公开资料整理

    2020年频谱需求总量

资料来源:公开资料整理

    高频通信在军事通信和无线局域网(WLAN)等领域已经获得应用,但是在蜂窝通信领域的研究尚处于初步阶段。高频信号在移动条件下,易受到障碍物、反射物、散射体以及大气吸收等环境因素的影响,高频信道与传统蜂窝频段信道有着明显差异,因此,在全频谱接入方面,还需要解决如下技术:高频信道测量与建模、高频新空口、组网技术以及高频毫米波器件。

    (4)接入技术4——新型多址:搭建更多专线,减少多余信令开销
多址技术是基站区分终端用户的技术。3G时代的CDMA(码分多址)、4G时代的OFDMA(正交频分多址)等都是重要的多址技术,5G时代为了应对海量终端的接入,将引入多址技术。

    新型多址技术包括:SCMA(基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址技术,华为提出)、PDMA(基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入技术,中兴提出)和MUSA(基于非正交特征图样的图样分割多址技术,大唐提出)为代表的新型多址技术。
新型多址技术带来的优势:a)提升系统频谱效率;b)成倍增加系统接入容量;c)通过免调度传输简化信令流程,降低空口时延。

    新型多址技术相比较LTE优势:下行吞吐量提升86%,用户连接数提升3倍

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    (5)接入技术5——新型多载波:灵活配置的子载波长度

    OFDM是4G的主要载波方式,在5G时代,OFDM仍然是基本的载波方式,但为了应对5G业务多样化需求、更高频谱效率等需求,5G网络将应用滤波器对子载波进行过滤,为不同业务配置不同的时延、带宽等参数,自适应地应对高速移动、物联网等业务。
新型多载波技术包括:F-OFDM(华为提出)、FB-OFDM(中兴提出)、UFOFDM(上海贝尔提出)。

    (6)接入技术6——终端直连:邻居之间不经快递直接传信息
终端之间通信的传统模式是“终端-基站-终端”,而终端直连通信是一种“终端-终端”的模式,不再经过“基站”这个“快递公司”。终端直连通信可以减轻基站负担、减小通信时延,是5G网络的重要延伸技术。
终端直连主要采用WiFi、Bluetooth、LTE-D2D等技术,与传统的蜂窝通信融合以后,可产生智能交通的V2V/V2I(车车、车路)通信、多用户协作通信、数据共享网络等新应用场景。

    终端直连示意图

资料来源:公开资料整理

    5G网络架构的设计可以分解为上层针对功能的系统设计和下层面向部署的组网设计,并最终呈现功能按需重构、平面合理划分、资源弹性供给和组网灵活部署的全新架构。5G网络架构典型服务能力主要包括:网络切片、边缘计算MEC、按需重构的移动网络,网络能力开放等。

    (1)网络架构能力1——网络切片:SDN、NFV、云化等技术的集合体,满足5G各类应用场景的定制化需求从过去的2G、3G到目前4G网络,传统的移动网络主要服务移动手机用户,因此采用单一服务能力的网络层级,然而在5G时代,移动网络需要服务各种类型和需求的设备,对移动性、计费、安全、策略控制、延时、可靠性等方面有各不相同的要求。例如一个大规模物联网服务连接固定传感器测量温度、湿度等,并不需要传统移动网络那些主要服务手机的切换、位置更新等特性。因此,为了满足5G时代多类型用户需求,除了无线接入侧用到多载波等技术外,网络侧也需要通过网络切片技术实现将不同业务划分在不同通道,为典型的业务场景分配独立的网络切片。

    VPN是网络切片的基本版本,而SDN(软件定义网络)、NFV(网络功能虚拟化)、云化等技术作为网络切片的重要技术,SDN通过对流量的顶层设计,实现5G复杂场景下的网络侧的整体接入性能;基于NFV按需编排网络资源,满足端到端的业务体验和高效的网络运营需求。5G网络的NFV将从核心网全面延伸到无线接入网。

    最新产业情况:2017年3月,巴塞罗那2017年MWC大会上,中国移动、华为、德电、大众联合发布了服务可保证的5G网络切片白皮书。

    传统网络与切片网络示意图

资料来源:公开资料整理

    (2)网络架构能力2——边缘计算MEC:通过本地计算、存储,实现快速响应和传输
目前传统的网络架构是把运算、存储等业务能力放在“云端”,但是在5G时代,随着终端连接数量增加以及业务时延要求的提高,决定了业务终结点不可能全部在核心网后端的云平台,边缘计算MEC应运而生,将业务平台下沉到网络边缘,为移动用户就近提供业务计算和数据缓存能力。

    边缘计算的带来的优势:a)降低业务时延,如4K视频、VR/AR等,降低时延有效减轻观看者眩晕效果;b)业务本地化,减轻远程传输压力,如某些区域性的物联网业务,可以本地终端业务,减轻回传网络压力。

    中兴通讯基于5G架构的MEC解决方案

资料来源:公开资料整理

    (3)网络架构能力3——网络能力开放:开放调用菜单,方便第三方运营及发展大数据

    产业

    用户体验优化和新型商业模式探索,是移动网络发展永恒的课题。4G网络采用“不同功能、各自开放”的能力开放架构,控制单元分散,能力开放平台接口协议多,导致支持能力开放的网络架构复杂,部署难度大,用户体验差。在5G时代,将通过如下技术,实现能力平台的开放:

    a)基于控制转发功能分离的架构原则,5G网络能力开放平台实现了对集中部署的控制面功能的统一调用;

    b)基于虚拟化的基础设施平台,5G网络能力开放平台优化了基础设施资源的管控和调度能力;

    c)基于网络边缘计算平台,5G网络能力开放平台提供第三方业务运营的管控能力;

    d)通过能力开放平台与大数据分析中心进行对接与联动,提供大数据产业的开放数据源。

    5G能力开放平台

资料来源:公开资料整理

本文采编:CY330

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标签: 中国5G行业

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