5G概念、关键技术与应用

5G概念、关键技术与应用2019年5月5G概念5G关键技术5G进展与应用1.1什么是5G2G3GIMT-20004GIMT-Advanced5GIMT-2020~1990年~2000年~2010年~2020年WCDMATD-LTE及增强FDDLTE及增强cdma2000TD-SCDMA•10kbps-200kbps•语音和低速数据业务•300kbps–50Mbps•移动多媒体业务•100Mbps–1Gbps•移动宽带业务•10Gbps•多样化关键能力指标•移动互联网→物联网802.16eGSMIS-95802.16m3GPP3GPP2IEEE全球统一31.2先定一个小目标5G与4G关键能力对比5G：100Mbps4G：10Mbps5G：20Gbps4G：1Gbps峰值速率体验速率连接密度时延5G：1ms4G：10ms5G：106/km24G：105/km2频谱效率网络能效移动性区域容量5G相对4G提升3倍5G相对4G提升100倍5G：500km/h4G：350km/h5G：10Mbps/m24G：0.1Mbps/m24连续广域覆盖场景热点高容量场景增强型移动宽带场景（eMBB）低时延高可靠场景(uRLLC)低功耗大连接场景(mMTC)5G三大类应用场景：eMBB、uRLLC、mMTC1.35G能做什么-15用在指尖生死攸关大隐于市1.35G能做什么-265G概念5G关键技术5G进展与应用2.1独立（SA）和非独立组网（NSA）-182.1独立（SA）和非独立组网（NSA）-2•SA支持网络切片、边缘计算等5G新特性•5G网络初期以eMBB热点区域覆盖为主，离开5G区域，通过核心网实现与4G的互操作。对于eMBB业务，终端本身有缓存机制，业务体验不受影响•SA和NSA都可以实现4G/5G协同，只是NSA与SA标准完成时间有先后•SA是目标网络方案，可避免NSA的网络频繁改造和终端复杂的问题•基于4G核心网的NSA仍需向SA演进，网络需要频繁改动•基于5G核心网的NSA需4G基站升级到eLTE，改造量大，异厂家基站间难实现4G/5G双连接•NSA方案下3.5GHz频段组合在终端侧存在较严重干扰问题，为解决该问题将导致终端成本较高•SA终端由于不涉及双连接等技术，终端相对简单，成本低SA的终端成本低SA的业务能力更强SA对现网改造量小SA是网络演进目标方案92.2空口技术-概览100MHz400MHz中低频高频大规模天线大带宽百兆级基础带宽主流的3.5GHz频段单载波最高采用100M带宽灵活可配的空口帧结构满足单向eMBB4ms，URLLC0.5ms时延30kHz子载波间隔成为国内eMBB空口配置首选上下行时隙配比待定1ms时隙15kHz30kHz60kHz符号级调度快速反馈0.5ms时隙0.25ms时隙•平均频谱效率提升3倍的主要手段•64T64R成为业界宏站主流•标准最高支持12流，业界基于产品实现可支持更高流数，理论峰值频谱效率随流数线性增长mini-slot•精简PCFICH和PHICH信道•引入BWP（BandwidthPart），增强对终端支持•同步信号PSS、SSS与广播信道PBCH组成一个SSB(SS/PBCHblock)捆绑传输•支持长和短两种前导序列，一共13种前导格式•舍弃LTE空口小区级的参考信号CRS•2.5ms双周期、2.5ms单周期、2ms单周期三种帧结构102.2空口技术-协议gNBPHYUEPHYMACRLCMACPDCPPDCPRLCSDAPSDAPgNBPHYUEPHYMACRLCMACAMFRLCNASNASRRCRRCPDCPPDCP用户面控制面RRC_CONNNECTEDRRC_IDLERRC_INACTIVE1235G控制面在RRC层新增RRC_INACTIVE态，能够降低时延并利于节电5G用户面协议栈设计基于LTE进行了修改新增SDAP层，用来实现QoSflow和数据无线承载DRB之间的映射以及完成对上下行数据包的标记QFI在PDCP层，引入duplication在RLC层，取消了LTE中RLC层的级联和按序传输功能111.3MassiveMIMO波束介绍MassiveMIMO作为5G的主要特性之一，实现波束赋形，形成极精确的用户级超窄波束，并随用户位置的不同而不同，将能量定向投放到用户位置，相对传统宽波束天线可提升信号覆盖，同时降低小区间用户干扰。•MassiveMIMO天线波束分为静态波束和动态波束，小区级数据采用小区级静态波束，采用时分扫描的方式；用户数据采用用户级动态波束，根据用户的信道环境实时赋形。•5G静态广播波束采用窄波束轮询扫描覆盖整个小区的机制，选择合适的时频资源发送窄波束，可以根据不同场景配置不同的广播波束，以匹配多种多样的覆盖场景，这里就涉及到如何根据不同的场景规划合适波束的问题；业务波束采用动态波束赋形不支持波束定制。2.3空口技术-大规模多入多出天线122.3MassiveMIMO波束赋形机械下倾：•由机械调整决定的下倾角，同时对公共波束和业务波束进行调整，5G机械臂支持的机械下倾角调整范围为：-20~20°。预置电下倾：•考虑典型的应用场景，为支持更大的有效范围范围，5GAAU单元阵子会预置一定度数的下倾，5G单TRX预置下倾角为6°。•对于广播波束，预置下倾仅影响可调电下倾角调整范围和最大增益指向，不影响实际控制信道倾角度数；•对于业务波束，影响业务包络最大增益指向。可调电下倾：•5GAAU可调电下倾角功能仅支持广播波束下倾角的调整，不支持业务信道动态波束下倾角的调整。•通过参数配置调整控制信道波束下倾角度，支持以1°为粒度，整体调整控制信道波束下倾角。132.3MassiveMIMO增益对比142.3MassiveMIMO终端当前各厂商测试终端普遍采用非商用终端（类似基站平台）形式，操作方便，体积大、功耗高，性能与商用终端存在差异A厂商终端B厂商终端C厂商终端D厂商终端152.3MassiveMIMO制式选择部署建议：中国电信将优先6GHz以下的大规模天线基站部署•6GHz以下：国内具备较好的产业基础，也具备商用产品研发能力•6GHz以上：商用设备的研发能力还需要进一步测试论证天线设备的选择•目前产品主要有64通道及16通道两种形态•在高楼较多、站间距较小、用户数量较密集的密集城区场景，对用户容量及垂直维度波束赋形精度方面的要求较高，应采用高通道数的天线设备（如厂家主流的64T64R的天线设备）•在低矮建筑为主、站间距较大、用户数量较小的郊区或农村场景，对用户容量及垂直维度波束赋形精度方面的要求较低，可以采用低通道数的天线设备，可以有效的降低成本和能耗（如厂家主流的16T16R的天线设备）•在中低建筑为主、用户密度一般的一般城区场景，应根据具体需求和成本情况选用适当的天线设备基站的下倾角设置•可设置初始机械下倾角，后期不建议调整机械下倾角•可设置预置电下倾角•对于64TRx192AE的天线设备，其数字波束赋形可以代替电调能力•其余的天线设备，还有待验证162.4CU/DU技术172.4CU/DU架构-1CU/DU分离优势不明显，且会带来运维复杂化、传输资源需求增加、CU集中需要考虑部署位置与时延要求折衷等挑战，建议现阶段CD/DU合设。18CU/DU分离部署CU/DU合设部署DU难以虚拟化，CU虚拟化目前存在成本高代价大的挑战适用于mMTC小数据包业务，但目前标准化工作尚未启动，发展趋势不明确节省网元，减少规划与运维复杂度，降低部署成本无需中传，减少时延123123避免NSA组网双链接下路由迂回，而SA组网无路由迂回问题缩短建设周期445GCU/DUAAU5GDU5GCU核心网核心网AAU回传无集中CU架构有集中CU架构前传回传中传前传注：无线网络切片功能与CU/DU是否分离无关，MEC部署的关键是UPF的下沉，与CU/DU是否分离无关2.4CU/DU架构-2192.55G网络切片-1202.55G网络切片-221PCFNRFUPFNRFPCFNSSF切片选择功能NRFPCFNRF网元发现功能DN1DN2SMFNRFPCFSMF切片#1,2,3的公用网元切片#1切片#2切片#3SMFAMFUPFUPF网络切片是端到端的逻辑子网，涉及核心网络（控制平面和用户平面）、无线接入网、IP承载网和传送网，需要多领域的协同配合•部署在统一的底层物理设施：不同切片承载不同网络服务，底层资源共享•不同网络切片可以进行功能定制：不同切片承载的网络服务对网络功能的要求不同，切片之间的逻辑隔离可以方便实现网络功能定制•为不同的垂直行业提供个性化服务：为不同企业提供差异化SLA，例如不同的QoS级别，不同的安全级别等等2.55G网络切片-3222.6开放、云化、柔性的核心网23边缘计算网络功能云化：云原生、虚机/容器化基础设施云化：统一、层次化基础设施资源池个性化定制网络：面向业务，快速按需部署安全隔离：不同行业应用/客户的业务与数据安全隔离用户面按需下沉：按场景部署，满足5G业务多样化需求能力增强：提升用户体验，减轻传输压力全面云化服务化架构网络功能设计模块化：服务重用、网络可灵活扩展接口服务化和IT化：易于与IT网络互通融合网络切片2.6核心网架构图-1RANMMES/PGWPCRFAFHSSDNMMES/PGW-UPCRFAFHSSDNS/PGW-C承载控制分离AMFUPFAFAUSFDNSMFPCFUDM4G核心网4G核心网+5G核心网RANRAN242.6核心网架构图-2AMFPCFUE(R)ANUPFDNN13N7N3N6N2N4N1AFN5SMFN11N9AUSFN8N12UDMN10N14N15NSSFN22AccessandMobilityFunction，接入与移动性管理功能：终结N1接口的NAS信令，并负责注册管理、连接管理、可达性管理、移动性管理等。AuthenticationServerFunction，认证服务器功能：负责鉴权认证UnifiedDataManagement，统一数据库：存储签约信息，并支持鉴权证书存储和处理SessionManagementFunction，会话管理功能：会话管理（例如会话建立、修改和释放等）、IP地址分配，用户面功能的选择与控制等PolicyControlFunction，策略控制功能：为控制面功能提供策略信息、存储并提供用户策略相关的签约信息ApplicationFunction，应用功能：与3GPP核心网交互，并提供业务服务UserPlaneFunction，用户面功能：数据转发与路由、数据报文检测和策略执行、用户面QoS处理。DataNetwork，数据网络：如Internet、企业网等。NetworkSliceSelectionFunction，网络切片选择功能：为终端选择切片实例与服务AMF，确定终端允许接入的切片252.75GNR覆盖能力特点263.5GNR较LTE上行传播损耗更大，到达基站接收端的可用功率更低，深度覆盖情况下上行功率只能支持较少RB，造成NR高带宽、高阶调制、多流等优势无法生效且由于NR采用TDD方式，相对FDD系统，上行覆盖能力存在明显劣势总体结果：3.5GNR相对1.8GLTE，在深度覆盖区域上行覆盖存在差距4715140661123212846116114420292736313946114415323283.62.4-71-86-89-98-102-104-101-101-82-82-93-102-97-111-104-95-100-98-80-83-100-104-104-112-116-121-150-100-50050100150200FDDNRFDDNRFDDNRFDDNRFDDNRFDDNRFDDNRFDDNRFDDNRFDDNRFDDNRFDDNRFDDNR12345678910111213UL吞吐量(Mbps)RSRP(dBm)基本结论下行：依靠NR高带宽、波束赋形能力，3.5GNR下行速率明显高于1.8GLTE