5G知识之5G技术指标、应用场景及相关技术（零星版）

5G的特征指标

有更高的网络速率，这是大众消费者认识5G最典型的方式。网络速率只能表明一个网络可以多快地传输数据，可以明显被用户感知。当通信网络需要面向万物提供连接时，每个特征指标都会成为网络服务的重要内容。

传输带宽：第一代移动通信的信道带宽：2.5kHz，只能用于传输窄带的语音信号。5G网络想要平滑传输8K的高清视频信号，网络带宽至少达到百兆。

通信能耗：一个网络传输信号，需要接受设备和发射设备做大量相关工作，消耗大量能量。对于长期安置在野外工作的物联网设备，设备的功耗在这些场景就是网络服务最重要的需求。物联网设备大部分能耗来自通信，所以除了自身设计需要节能外，还需要网络尽量精简不需要的通信内容，使物联网设备以最精简，经济的方式得到指令和传输数据。

移动通信能力：移动通信设备与通信网络之间在多快地相对运动速度中仍能保持良好的通信能力。对于高速移动的汽车飞机等场景而言，这个指标很关键。

覆盖范围：一个基站可以覆盖多大范围。对于开阔的地区场景，森林，河流，沙漠

网络的连接密度：给定区域内可以同时连接多少设备。场景：在仓储、加工车间、货运码头等设备密集区域，设备数量动辄上万。

网络传输可靠性：关键性任务系统最核心的网络特征指标。关键性任务系统每次通信非常重要，传输的数据必须准确到达目的地。

网络传输时延：需要快速反应的系统。自动驾驶。

很多网络指标之间可能相互排斥，不可能成为完美的多边形战士。如：很高的传输可靠性必定需要更多的网络资源，有效信息的传输速率就会降低，网络消耗也必然会提高

5G在工业控制比较关注的属性：

重要性1属性：网络时延，网络可靠性，网络安全性，网络终端成本 重要2属性：通信能耗，网络可管理

5G三大应用场景及相关技术：

增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broad Band,eMBB）大规模机器通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）超高可靠低时延通信（Ultra Reliability and Low Latency Communications，uRLLC）

5GeMBB带宽设计目标400MHz，最低载波频率为24Ghz，这个频段的载波波长是毫米级，所以5G称为毫米波通信（mmWave communication）

5G使用高频段原因：1、提升载波的带宽承载能力（载波频率越高，能承载的通信信号的带宽越高）2、低频段资源分配完

毫米波用于5G的好处：1、毫米波频率资源丰富，拥有构建高带宽能力；2、抗干扰能力强，有利于构建高质量的通信信道；3、处理和传输毫米波的器件体积可以做的小，这些器件更容易进行微型化制造。

毫米波缺陷：1、发射功率不变，频率越高的信号，衰减速度越快，传输距离就越短。2、容易受空气中悬浮颗粒影响，影响传播距离。3、毫米波信号的穿透能力很差，基本上不能穿透任何固体，意味着毫米波基站进行规划会很复杂。所以5G网络部署使用超密集网络（Ultra-Density Network，UDN）进行。

  因为传输距离的问题，5G基站覆盖范围小，（4G1~3KM,5G100~300M）覆盖相同面积，5G网络需要建设更多更密的基站。

  密集的基站部署会给5G网路部署带来麻烦：1、网络建设和运维（设备费用，购买和租用基站地址，基站与核心网络的光纤线路增多，传输费用增多）2、网络的基站部署密集，基站间如何保障通信协同，如何互相抗干扰。移动通信时，切换问题。

分布式无线网络架构（Distributed Radio Network Architecture）:为了解决上述的超密集网络问题。原来的集中式网络：所有的基站与核心网相连，将信息传回核心网（回传），由核心网进行路由和交换处理。分布式架构中有：覆盖范围10KM的宏蜂窝基站（Macrocell），2KM的微蜂窝基站（Microcell），室内覆盖的微微蜂窝基站（Picocell），便携式的非蜂窝基站（Femtocell）。宏蜂窝统一协同微蜂窝。微蜂窝可做与用户终端通信的基站，也是中继基站，把用户终端的通信数据，回传给宏蜂窝，再由宏蜂窝回传给核心网；通过多次跳跃技术，将微微蜂窝或临近的微蜂窝中继到宏蜂窝，这样就不用每个基站都建立回传线路。

宏蜂窝统一进行用户设备在不同微蜂窝下的切换；微蜂窝只负责用户设备传递信息。

5G无线接入机制：5G NR(5G New Radio)

5G NR包括双工工作模式，无线波形，天线，多址模式，调制编码模式

5G多址+5G编解码结合实现5G NR高速率数据传播

5G NR的多址技术：非正交多址接入NOMA（Non-Orthogonal Mulltiple Access），可以提升信道容量。同一信道可以传输多组通话，每组通话按照不同功率从大到小发射。接收端接收时，先提取功率最大的，其他信号作为噪声滤除，若不是该信号则用波形正好相反的进行叠减，消去该信号，之后重复前面过程。除此之外5G还有很多信道复用多址技术。

5G NR的编解码技术：高效率的信息编码

在传输中会出现错误，混入噪声，再编解码中需加入校验码，用来发现和纠错。理想的编码就是无限接近香农极限的编码（用尽可能少的校验码来达成无差错的信息传输）。目前最接近香农极限的两种编码方式：极化码（Polar），低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check，LDPC）

极化码：大量信道组合时，信道会产生极化现象，部分信道噪声趋于0，部分信道噪声无限大。在信道噪声趋于0的信道传输有用信息，即可大幅提升信道的有用信息传输速率。

LDPC：分组纠错码。在编码数量较长时，能体现出性能上优势。

5G数据传输的编码方式（长码）：LDPC

5G控制信令的编码方式（短码）：Polar

mMTC：大规模天线阵列面向的场景，就是mMTC场景，该场景理想工作频段为1GHz以下。

大规模天线阵列介绍：

第一代通信系统之前，全向天线，圆形区域为一个通信区域，只能同时承载一组通话

第一代引入蜂窝，扇区天线，可以划分成3个夹角120的扇形通信区域

4G：多入多出（MIMO）天线阵列技术，一个天线头控制不同扇区，划分更多的通信子区域。加上信道复用多址技术，大大提升通信区域可连接设备数量。

5G,大规模多入多出（Massive MIMO）：多达256个天线头，每个头建立单独的通信覆盖区域。引入波束赋形（Beamforming）,将传输信号的波束控制在夹角很小的区域内。夹角在2°~3°，几乎成了一条定向直线。波束赋形好处：波形覆盖区域小，减少了不同天线头覆盖的重叠区域，排除了大规模天线阵列的干扰；让能量聚焦到固定位置，降低收发通信的能量消耗；增大安全性。

uRLLC超高可靠，超低时延：面对的场景往往是面对关键性任务系统提供通信服务。（自动驾驶）

OFDM多载频调制，提高载频利用率，降低传输等待时间。

HARQ混合自动重传请求。

边缘

无线接入网：两个核心设备：基站和基站控制器。基站：发射和接受无线信号，建立与用户终端的无线链路。该功能主要通过射频拉远头（RRH,Remote Radio Head）实现。基站控制区：控制基站的动作，并且将传输数据在无线信号上加载或卸载。主要设备是基带处理单元（Based Band Unit,BBu）传统无线接入网中，BBU在基站旁机房，通过前传线路与RRU连接，在通过回传与核心网连接，达到核心网对无线接入网的协调控制。

3G到4G时期，提出C-RAN：将原来控制每个基站的BBU集中起来，形成一个C-BBU，由C-BBU统一控制区域内基站。这种方法避免无线接入网部署时出现信号重叠覆盖的问题。C-BBU为核心的无线接入网基站集中控制平台也将进一步云化成云计算平台。

若想通过边缘计算实现低时延的网络，将应用服务安装到无线接入网区域内的边缘云，在进一步对网络架构进行改造，才能实现用户设备与边缘服务的连接以及访问。最关键的改变是用户平面（传输业务和引用数据，如网页聊天内容的传输）与控制平面（传输控制信令，如建立、维护、释放连接的过程）的分离。传统输数据传输中两功能均在核心网内。分离后，核心网仅包含控制平面，用户平面（UPF）部署到网络的边缘，称为UPF的下沉。分离可以按需调度用户数据通过哪个UPF完成，网络总能在距离用户终端最近的地方提供服务，降低时延。

面向连接到面向服务

SDN软件定义网络：在控制平面和转发平面分离后，可以通过软件定义数据传输路径，就是SDN。网络结构简化，自由度提升，网络建设成本，运维成本大幅下降。

网络切片服务：在面向服务的网络架构中，网络功能可以由软件编写成一个虚拟网络功能单元（VNF），并把VNF部署在电信云上。电信云将服务编排成虚拟网络，可以根据用户提供差异化网络服务（视频青年分配宽带的网络切片，共享单车窄带大覆盖切片）。

最后

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