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解读全球首份第四代半移动通信系统白皮书

笔者注:当下,随着蜂窝物联网(比如:无线智能抄表)、工业4.0(比如:无人机的精准控制)的不断发展,第四代移动通信系统4G(LTE-Advanced)正在不断地向前演进。
 
从2014年到2018年,移动通信国际标准组织3GPP进入LTE Release 13以及LTE Release 14的研究与标准化工作阶段,其核心工作就在于研发并标准化4G(第四代)移动通信系统的后续演进版本——4.5G(第四代半)移动通信系统。2015年2月18日,Huawei公司发布了全球移动通信业界首份4.5G白皮书:4.5G, Open the Giga World——《4.5G:打开未来Gbps的移动通信世界》。
 
该白皮书基于现有的相关预测以及(技术实现)能力,总结出了4.5G移动通信系统的三个主要驱动因素,并对应每个驱动因素提出应研发的关键技术,还提出了打造灵活的4.5G移动通信网络架构的关键技术(所以,总结起来,4.5G一共就有四大类型的关键技术)。
 
该白皮书还指出,4.5G移动通信系统将在2016年实现初步的商用部署。4.5G将成为连接现有4G网络(LTE-Advanced)以及有望于2020年商用的5G网络之间的一座必须要有的“桥梁”(笔者注:按照移动通信国际标准组织3GPP的规划,4.5G与5G实现初步商用部署分别是在2016年与2020年,而4G实现初步商用部署则是在2010年,三者间的时间跨度刚好均为四年)。
 
同时,还给出了4.5G的研发及商用部署时间表,详细阐述了未来4.5G移动通信系统可以支持的七大主要的无线应用类型,并叙述了现有4G移动通信系统向未来4.5G移动通信系统的演进。具体内容,综合编译及解读如下:
 
0、执行摘要
 
由于预见到人们对于移动宽带数据接入的需求将会不断增大,全球移动通信业界有着在正式商用5G(第五代移动通信系统)之前对4G(第四代移动通信系统)进行演进的共同需求。该白皮书对4G向4.5G(第四代半移动通信系统)的演进进行了定义,并描述了4.5G移动通信系统的相关愿景、驱动因素、关键技术以及IoT(Internet of Things,物联网)市场预测。
 
该白皮书紧接着指出,基于现有的相关预测以及(技术实现)能力,4.5G移动通信系统的驱动因素主要包括以下三个:
 
(1)用户端要具有高于1 Gbps的峰值移动数据接入速率;
 
(2)端到端延迟要达到10毫秒;
 
(3)每个小区要具有“海”量的移动连接数——所连接的物体数量最高可达10万(笔者注:此处之所以说“物体”,是因为考虑到了基于4.5G移动通信系统的各类无线物联网应用)。
 
该白皮书紧接着指出,移动通信系统在从4G向4.5G演进的过程中,必须要确保移动通信网络的平滑迁移以及4.5G终端与4G终端的后向兼容性。初期的4.5G移动通信系统商用部署将有望发生于2016年。目前,移动通信国际标准组织3GPP正在从事可以支持4.5G移动通信系统的关键技术(可查阅该白皮书的第五章)的研发设计工作,同时正在对其进行标准化。
 
此外,目前可以明确的是,未来4.5G移动通信系统可以支持的无线应用主要包括以下七大类型:物联网、固定宽带接入网替换、窄带MTC(Machine Type Communication,机器类通信。一种物联网应用)、车内娱乐(笔者注:更准确的说法应是“车内信息娱乐”)、虚拟现实、终端设备间直接通信、移动视频、移动企业业务(笔者注:指的是LTE群组/集群通信)。
 
上述4.5G移动通信系统的七大无线应用必须要能提供现有移动宽带接入网络所不能实现的一致的用户体验。因此,同理,对于预期中的接下来几年里的业务强劲增长,只有通过演进的移动通信网络架构(笔者注:即4.5G网络)才能得以最终实现。
 
该白皮书紧接着指出,(如果)移动通信基础网络运营商(在未来)不部署4.5G移动通信系统,(那么)其将会面临如下的困境:(1)错过各种新的以及扩展中的商业机遇;(2)将发展成这样一种局面:(相关的)资源越来越少,(以至于)不能有效地满足移动通信用户日益增长的移动数据接入需求,(同时)不能保持住(现有的)市场竞争力。
 
因此,4.5G就成为连接现有4G网络以及有望于2020年商用的5G网络之间的一座必须(要有的)“桥梁”。
 
14.5G移动通信系统的三大主要驱动因素
 
自从在几十年之前的诞生之日起,移动通信技术已经经历了数代的快速演进,从而平稳地支持了(每一代移动通信系统中)各类新兴应用的运行。
 
1)用户端要具有高于1Gbps的峰值移动数据接入速率
 
在上述的演进过程之中,移动通信从语音(通话)以及SMS(Short Message Service,短消息/短信服务)时代,步入了(如今以及未来)以移动(宽带)数据接入为绝对主导的时代,以满足广大移动通信用户对于高速数字生活的期望。
 
比仅使用语音(通话)业务的用户多得多的移动通信用户期望在任何地方、于任何时间都既能接入信息服务,又能接入(在线)娱乐(笔者注:比如实时的在线网游)服务。(从而,)相应地,广大移动通信用户对于高清晰度的、具有沉浸感的(移动)视频(业务)的需求也就日益增加。
 
该白皮书紧接着指出:一个简单的事实是,现有传统的4G移动通信网络不能支持数据率在40 Mbps左右的4K/8K UHD(Ultra High Definition,超高清晰度)视频业务的运行(笔者注:由于此处写的是40 Mbps,所以有两点值得注意:①针对的是电视机大屏的4K/8K UHD视频业务——不然无需如此大的信号码率;②40 Mbps指的是一路4K/8K UHD视频节目的码率。而目前尚未定义的5G移动通信技术/系统(的商用)又显得过于遥远,从而使得全球所有的移动通信基础网络运营商均在满足相关需求以及保持竞争优势方面面临不断增长的挑战。
 
正是由于上述的简单事实的存在,全球移动通信业界普遍认为,在2018年之前,移动数据流量将会增长10倍。
 
2)每个小区要具有量的移动连接数、端到端延迟要达到10毫秒
 
除此之外,各类(无线)物联网业务以及实时业务(一般是延迟敏感型)对于(小区)“海”量连接能力以及低延迟接入能力的需求,也同样地显得越来越显著。
 
该白皮书紧接着指出:远在2020年之前,这种在移动通信终端用户侧的史无前例的增长——包括用户数量的增长(笔者注:此处的“用户”指的不是人类用户,而是物体用户)以及每个用户的数据消费量的增长,将会在(移动)数据(接入)需求以及相关的/对应的系统技术能力之间形成一个大的“代沟”。而在为了满足上述系统容量需求的各项4.5 G创新之中,在未来的4.5G移动通信网络中,除了要使用授权频谱,还要使用各个非授权频段(笔者注:即部署基于非授权频段的移动通信系统。目前主要是在拥有较多可用连续频谱的5 GHz频段进行研发)。
 
此外,(由于)目前,跨越4G移动通信网络的端到端延迟大约在50毫秒左右,从而就不能有效地满足诸如(移动)在线健康、汽车自动驾驶、(移动)在线教育、(移动)智慧城市等各类正在快速发展中的实时业务的需求(笔者注:此处所主要指的是对于移动通信网络端到端延迟的需求)。该白皮书紧接着指出:我们正处于不能满足相关需求的危险(状态)之中。
 
34.5G移动通信系统可以通过集成4G后续演进与5G研发的进展来实现
 
同时,对于未来发展的愿景,激起了全球移动通信行业对于研发未来5G移动通信系统的巨大兴趣以及投资。但是,该白皮书紧接着指出:从整体上考虑而言,业界对于未来5G移动通信系统的研发将会导致一种全新的、可以更好地帮助定义最终5G的无线技术的出现——但是,这也将可能延长5G完全得到商用部署的时间周期。
 
把5G移动通信系统研发投资的早期成果利用起来,并加入过去两年中所发展出来的4G技术的各种演进,4.5G将注定被全球移动通信业界正式、广泛地视为LTE(移动通信长期演进)演进历程中一项具有里程碑意义的无线技术。4.5G可以有效地帮助移动通信基础网络运营商克服各种日益增长的(网络)传送限制/约束,同时保持现有的收入来源并开辟/增加新的收入来源。
 
从一开始,4.5G移动通信系统的集成实现(笔者注:此处之所以说成是“集成实现”,是因为该白皮书在上一自然段认为,4.5G网络技术=4G各种后续演进技术+对于5G网络技术的研发进展)就将会给移动通信基础网络运营商们在有效地克服各种预期的且日益增长的限制/约束以及数字业务增长方面带来一些商业上的优势——而不用等到未来5G移动通信系统的部署。
 
 
24.5G的关键性能目标
 
对于移动通信基础网络运营商们而言,4.5G将主要为其提供潜在的市场扩展能力。4.5G的目标涉及移动通信系统吞吐能力的提升、面向更扁平架构的移动网络的改进等方面,具体的主要目标为如图1所示的三个方面。该白皮书的下文将对其进行详细描述。
1  4.5G的三大关键性能目标
编译自Huawei Technologies2015218日发布的全球首份4.5G白皮书4.5G, Open the Giga World,第4页的Figure 1
 
1)(4.5G移动通信系统在)峰值(接入)速率与(网络)容量(方面的目标)
 
作为(移动)数据时代的早期,3G时代的主要业务应用为Facebook(笔者注:该白皮书在此处应该是以Facebook为例,意在说明是移动社交类应用)。因此,(3G)网络中任何一处支持1 Mbps平均吞吐能力的地方均足以为正在使用这类移动社交应用的用户提供足够大的使用体验保证。
 
而当演进至4G移动通信时代时,移动通信网络的主要业务类型最终变成了移动视频——尤其是移动高清晰度视频。如图2所示,为了有效地支持移动视频类业务的运行,同时确保具有优秀的用户体验,大约10 Mbps的吞吐量就足够了——而为了保证获得10 Mbps的吞吐量,就需要移动通信基础网络运营商部署载波聚合技术,聚合两个或者3个频段——3GPP标准中将其中的每个频段称为CC——即Component Carrier,成分载波(笔者注:以载波聚合技术作为主要技术的LTE-Advanced是全球移动通信行业的一大关键趋势。根据全球移动通信设备供应商协会于2015年元月7日发布的最新版的LTE市场与技术现状报告,全球一共有31个国家的49家移动通信基础网络运营商正式商用了LTE-Advanced网络。此外,全球还有107家移动通信基础网络运营商(占比为30%)正在探索LTE-Advanced网络的研究、试验或者部署。
面向移动视频业务的用户体验演进以及移动通信网络演进
编译自Huawei Technologies2015218日发布的全球首份4.5G白皮书4.5G, Open the Giga World,第5页的Figure 2
 
正如我们所知道的那样,移动通信系统的后续演进仍在持续进行——(未来的)4.5G移动通信系统将会把人与人之间的通信从“现实”转变为“虚拟现实”、视频业务体验也将从高清晰度视频转变为4K/8K超高清晰度视频。但是,这些多样化的业务类型(比如:虚拟现实)将需要Gbps级别的吞吐量来支持。现有的LTE网络如果要具有Gbps级别的吞吐能力,就必须要演进至4.5G。作为一种未来成熟的载波聚合设计,4.5G移动通信系统所支持的载波聚合技术的部署,将会高达32个成分载波CCs——目前,移动通信国际标准组织3GPP正在进行的LTE Release 13版本标准化工作中,正在进行相关的研发工作。预计在今后的几年,全球主流的移动通信基础网络运营商将会部署具有7个或8个成分载波CCs的载波聚合技术。
 
对于像LG U+和Softbank(日本软银)等这些拥有分散于不同物理频段(700 MHz、900 MHz、1.5 GHz、1.7 GHz、2.1 GHz、2.5 GHz以及3.5 GHz)、总带宽在100 MHz的无线频谱资源的移动通信基础网络运营商而言,(部署)大规模载波聚合技术将会进一步地提高其无线频谱资源利用率。
 
2)(4.5G移动通信系统在)更低的端到端延迟(方面的目标)
 
4.5G移动通信系统也将有望把端到端的延迟降低至10毫秒的水平——这就意味着,从终端用户的角度,网络响应就被限制在几个毫秒之内。由于等待时间得到了大幅度的降低,延迟参数的减小就将会进一步地提高用户(的业务使用)体验。
 
此外,当网络响应(时间)达到最小级别的时候,各类实时业务的商业应用就将会成为可能——这将可通过比4G移动通信系统少得多的处理时间(RTT(Round-Trip Time,往返延迟)以及TTI(Transmission Time Interval,传输时间间隔))来实现。
 
最近,自动化以及智能化正在通过大幅提高运行效率来转变工业生产率,这就给多个相关的行业带来新的商业机遇。而(移动通信系统)延迟参数的降低将进一步加速(工业生产)自动化与智能化(的部署),4G移动通信系统的端到端延迟大约为50毫秒,而4.5G移动通信系统的研发目标则是将其降低至10毫秒。
 
3)(4.5G移动通信系统在)量移动连接数(方面的目标)——每个小区(最高容纳)10万个移动连接
 
考虑到(未来移动通信网络中)人类通信与机器类通信的共存/同时存在,最近,机器到机器的通信不断增多,移动连接的数量将会增加。
 
在接下来的几年,电信行业将有望迅速地部署各类物联网应用,4.5G移动通信系统以打开连接所有物体的可能性之“门”为目标,将把现有的连接数量提高至300亿——这样,平均下来,每个小区所能容纳的移动连接数量将高达10万。诸如智能家居、智慧城市以及智能物流等各类物联网应用将对移动链接数量有着很高的要求。
 
34.5G移动通信系统的总体架构
 
14.5G移动通信系统的网络架构方面
 
全球移动通信业界有目共睹的是,由于对移动网络作了进一步的简化,4G就有着扁平的网络架构。而如果对移动通信国际标准组织3GPP所规范的4G移动通信核心网络EPC(演进的分组核心网)进行虚拟化,网络架构会更为扁平。但是,需要注意的是,无论是vEPC(虚拟化的EPC),还是现有传统的EPC,都要能支持4.5G无线接入网。业务、干扰消除/抑制以及频谱指配是可以从这种网络灵活性中获益的三个主要方面,从而可以进一步地提高网络性能。在这种以“云”为中心的虚拟核心网络之中,NFV(网络功能虚拟化)以及SDN(软件定义网络)将扮演着绝对中心的角色。云EPC以及云控制器将不仅使得网络架构具有灵活性,而且还将会大幅地降低端到端网络延迟。
 
随着端到端网络延迟的降低,4.5G移动通信系统就将可能支持4G移动通信系统所不能支持的各类实时型/延迟敏感型应用。
 
24.5G移动通信系统的无线频谱资源方面
 
由于移动数据流量将有望在接下来的几年时间里呈现指数级别的增长,以及需要有效地保证足够的系统能力来应对这种挑战,从而,理所当然地,就应该解决面向未来的4.5G移动通信系统的无线频谱资源问题。
 
6 GHz频点以下的频段将是4.5G移动通信系统的优选频段。为了将频谱资源的利用效率最大化,在所有的网络部署场景下,在(为4.5G移动通信系统)明确定义的各个频段之中,所有可用的无线频谱资源都必须得到灵活而有效的使用。
 
此外,除了授权频段之外,作为一种补充,4.5G移动通信系统还将利用费授权频段(很有可能是5 GHz频段)。
 
34.5G移动通信系统的终端方面
 
该白皮书指出,于此方面,需首先解决的问题是4.5G与4G的后向兼容性。4.5G的终端需要能够后向兼容4G移动通信网络,而4G的终端也需要能够接入到未来的4.5G移动通信网络。
 
其次,移动通信基础网络运营商的频谱战略(重耕2G以及3G频谱)、关闭2G移动通信网络、智慧城市项目将会对4.5G的诸如CA(载波聚合技术)以及LTE-M(主要应用于地铁等城市轨道交通)等功能产生巨大的影响。这些功能将可能是4.5G的首批/初期需求,从而将会推进各类相关终端设备的可用性。例如,目前,一些移动通信基础网络运营商所部属的是聚合两个或3个成分载波CCs的CA技术。而目前有一个明确的迹象是,4.5G将会使现有LTE-Advanced的载波聚合技术更为完善。平均看来,在未来的4.5G时代,移动通信基础网络运营商将会部署超过3个频段的载波聚合技术。
 
考虑到此前在终端发展方面的行业趋势,可支持4.5G技术的终端芯片集将有望在正式推出4.5G移动通信商用网络之后的短时间之内可用。LTE-Advanced的生态系统部署也将遵循同样的模式。从而,这将使得“4.5G移动通信系统的生态系统也将遵循同样的模式”更加具有说服力。
 
44.5G移动通信系统的回传网络方面
 
移动回传(解决方案)应该与4.5G无线网络的演进相匹配,具体地,表现为以下的三个方面:
 
(1)为了解决xGbps这一需求问题,需要在条件允许的情况下将光纤电缆敷设至移动通信基站,或者在E波段以及V波段内部署IP微波链路。
 
(2)将回程网络的传输延迟优化至几个毫秒的级别(快速三层路由,IP无线接入网);
 
(3)要能够处理近乎“海”量的移动连接(通过有线回程以及无线回程来进行聚合)。
 
此外,现代的移动通信网络回程解决方案还必须纳入SDN以及NFV的网络架构——这种演进将为4.5G无线接入网络在网络健壮性、灵活性以及流量负载均衡这三个方面带来明显的提升效益。
 
44.5G的时间表
 
预计4.5G移动通信系统将会在2016年得到商用部署,而且会进一步地作为迈向未来5G移动通信时代的有力“跳板”。
 
众所周知的是,4G(包括LTE-Advanced)由移动通信国际标准组织3GPP在2010年到2013年的LTE Release 10阶段、LTE Release 11阶段、LTE Release 12阶段进行了研究与标准化。
 
而另一方面,4.5G移动通信系统将会由3GPP在LTE Release 13阶段以及LTE Release 14阶段进行研究与标准化,相关的时间表如图3所示。
2010年到2020年的移动通信无线技术研发时间表
编译自Huawei Technologies2015218日发布的全球首份4.5G白皮书4.5G, Open the Giga World,第8页的Figure 3
 
4.5G将会成为5G移动通信时代的先行者/先驱,而且将会在接下来的两到三年的时间里,给移动宽带行业带来一系列巨大的变化。
 
而且再往大了说,4.5G移动通信系统将会引领电信行业的一次变革,并将积极地影响到其他相关行业。
 
54.5G移动通信系统关键的无线接入技术
 
在这一部分,该白皮书首先指出:如图4所示,已被确认作为4.5G关键技术的相关技术可以分为以下的四个主要方面:(1)xGbps峰值速率技术(即:大规模载波聚合技术以及授权的辅助接入LAA技术、大规模天线阵列MIMO技术以及三维波束成形技术3D BF、高阶调制256 QAM技术、LTE-M技术、半正交多址接入SOMA技术以及带宽灵活增强技术);(2)大规模连接技术(包括LTE-M以及终端直接通信D2D技术);(3)低的端到端延迟技术(包括往返延迟RTT以及传输时间间隔TTI);(4)灵活的网络架构(选择适用虚拟化的分组核心网架构)。
4  4.5G的关键技术
编译自Huawei Technologies2015218日发布的全球首份4.5G白皮书4.5G, Open the Giga World,第9页的Figure 4
 
在3GPP的标准化工作方面,两个或3个成分载波CCs的聚合技术已在LTE Release 12阶段完成,LTE Release 13阶段规划进行授权的辅助接入LAA技术的研发与标准化,32个成分载波CCs的聚合技术目前也已处于早期的讨论阶段。最高可达8T8R(笔者注:即8根发射天线、8根接收天线)的多天线MIMO技术已在LTE Release 10阶段、LTE Release 11阶段、LTE Release 12阶段进行了研究与标准化,而三维波束成形技术3D BF的研发与标准化计划将在LTE Release 13阶段、LTE Release 14阶段进行(笔者注:LTE Release 12阶段中对三维波束成形技术的信道建模进行了研究,形成了完整的三维波束成形技术信道模型。LTE Release 13阶段刚刚启动垂直波束赋形传输技术的预研,开始研究小于64端口的垂直波束赋形传输技术)。高阶调制256 QAM技术是LTE Release 12阶段的一部分,终端直接通信D2D技术标准化的一小部分工作已在LTE Release 12阶段完成,剩余的大部分工作将在LTE Release 13阶段、LTE Release 14阶段完成。更短往返延迟RTT以及传输时间间隔TTI的研发与标准化计划将在LTE Release 13阶段进行。此外,半正交多址接入SOMA技术以及带宽灵活增强技术目前正处于LTE Release 13阶段的讨论之中(笔者注:目前,LTE Release 13阶段刚刚启动,已确定将开展垂直赋形与全维MIMO传输技术、授权型频谱辅助接入LAA技术、物联网优化技术(低成本、低功耗以及广覆盖)等的研究和标准化工作),继续向提升网络容量、增强业务能力、无线频谱资源使用更灵活等方面发展)。
 
以下是未来的4.5G移动通信系统将带来的无线技术演进:
 
4.5G移动通信系统的大规模载波聚合技术有望聚合高达32个成分载波CCs。值得一提的是,32成分载波聚合技术应该被视为面向未来的成熟的载波聚合解决方案,目前,全球不会有任何一个移动通信基础网络运营商立即去部署这种技术。根据业内观察,更为现实的是,在接下来的几年时间里面,移动通信基础网络运营商将会部署8个成分载波CCs的载波聚合技术——从而达到xGbps的无线峰值速率接入(笔者注:最开始支持载波聚合功能的是3GPP的LTE Release 10版本——其所支持的是FDD下行频段内以及频段间的载波聚合、FDD上行频段内载波聚合、TDD频段内的载波聚合。LTE Release 11版本中引入了FDD上行频段间载波聚合、TDD频段间载波聚合、时隙配置不同的多个TDD载波间聚合(从而可以更灵活地利用TDD载波资源)。后续的LTE Release 12版本中还引入了FDD频段与TDD频段之间的载波聚合技术,使得移动通信基础网络运营商可以更为高效地利用已经拥有的FDD和TDD频谱资源)。
 
此外,LAA(授权型辅助接入)解决方案的出现,还可使得移动通信基础网络运营商除了使用授权型频谱,还可使用非授权型频谱。但是,基于非授权型频谱的移动通信系统并不能独立地工作,而是需要基于授权型频谱的移动通信系统与基于非授权型频谱的移动通信系统协同地工作。
 
大规模天线阵列/MIMO技术目前可以达到8T8R(8根发射天线、8根接收天线)的现网部署配置(笔者注:这种8×8的天线配置来源于已于2011年3月完成标准化工作的4G(LTE-Advanced)的第一个版本——Release 10,结合中继技术、多载波聚合技术(最大可支持100 MHz的物理带宽)、异构多层网干扰消除技术等,进一步地提升了移动通信的系统性能——系统的峰值吞吐量提高到1Gbps以上),并可在其中部署高阶QAM调制技术配置。而移动通信国际标准组织3GPP的LTE Release 13中所定义的大规模天线阵列/MIMO技术则高达64T64R(64根发射天线、64根接收天线)。在现网进行大规模天线阵列/MIMO技术与三维波束成形技术相结合的部署,可以获得非常高的无线频谱资源利用效率,同时获得比现有4G移动通信网络更好的网络覆盖效果。
 
如果移动通信无线接入网的SINR(Signal-to-Interference Ratio,信噪比)足够高,就可以于现网部署256 QAM这种高阶调制技术,其后可获得比64 QAM调制更好的系统吞吐性能,这对于异构多层组网的效用尤其明显。
 
此外,半正交多址接入SOMA的主要目标也将是更好的系统吞吐性能增益。而“灵活的带宽增强”解决方案将使得移动通信系统对于无线频谱资源的利用更为有效。
 
更短的传输时间间隔TTI/往返延迟RTT可以确保未来的4.5G移动通信系统获得比现有4G移动通信系统更快的HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request,混合式自动重复请求),这就意味着,用于网络资源调度的时间将会降低。
 
此外,未来4.5G移动通信系统之中部署的终端直接通信D2D技术将确保用户数据平面的设备直接通信,同时也会受到位于网络侧的系统的控制。(笔者注:D2D的研究和标准化工作是在3GPP的LTE Release 12阶段中进行的,这一阶段所主要针对的是公共安全场景,重点研究了终端之间的发现机制以及终端之间的广播通信技术,设计了终端之间全新的空中接口。)
 
大规模载波聚合技术通过聚合包括FDD频段、TDD频段以及非授权型LTE频段在内的多个频段,使得移动通信基础网络运营商可以部署One LTE解决方案(笔者注:即TDD/FDD混合组网解决方案(TD-LTE与LTE FDD融合组网解决方案),TD-LTE和LTE FDD融合发展是全球趋势。根据国内工信部电信管理局在本文参考文献[2]中所提供的最新信息,目前全球已有17个TD-LTE和LTE FDD的商用双模网络)。与4G移动通信网络之中部署的两载波或3载波的载波聚合技术相比,未来4.5G移动通信系统中所部属的大规模载波聚合技术所聚合的成分载波CCs的数量将可高达32个。从而,未来4.5G移动通信系统对于无线频谱资源的利用效率将会更高,同时,也会进一步地降低对于多载波系统进行载波管理的实现复杂度。通过对于授权型PCC(Primary Component Carrier,首要成分载波)以及非授权型SCC(Secondary Component Carrier,次要成分载波)的聚合,LAA(授权型辅助接入。在目前,其优选频段为5.4 GHz频段与5.8 GHz频段)可以很好地利用非授权型频谱。而在实际的现网部署方面,移动通信基础网络运营商可以根据实际需要,将非授权型次要成分载波SCC灵活地部署为上行载波或者下行载波。从而,可以进一步地提高公共区域的移动通信网络覆盖能力、系统容量、移动性管理以及业务一致性/可持续性。此外,值得一提的是,4.5G的大规模载波聚合技术既可以部署于宏小区之中,也可以部署于小基站之中。
 
大规模天线阵列/MIMO技术提供了部署使用大数量天线的可能性(8×8配置及以上,3GPP LTE Release 13阶段正在讨论的MIMO技术的配置高达64×64配置)。这种可能性将不仅会进一步地改善小区的覆盖能力以及吞吐能力,还将会进一步地提高无线频谱资源的利用效率。4.5G还将支持三维波束成形技术在移动通信网络之中的部署,可以在水平维度以及垂直维度根据用户的信号质量进行天线的波束赋形。(笔者注:在水平维波束赋形的基础上,垂直波束赋形技术利用有源天线,并自适应调整基站天线波束的下倾角,在垂直维形成波束赋形,有利于在密集的城市环境中实现对不同楼层的室内覆盖,可以更好地实现小区内和小区间干扰协调,支持高阶的多用户MIMO技术部署。)
 
此外,4.5G移动通信系统也将支持256 QAM这种高阶调制技术的部署,这就意味着,就将可能有着256种可能的信号组合(笔者注:星座图),而且每个符号之中含有8位(bits)的数据。(笔者注:256 QAM这种高阶调制技术主要用于为高信噪比用户提供更高的频谱接入效率,而在室内和热点区域,干扰小区较少,用户的信干噪比较高(相比于蜂窝网络用户),从而就适合于部署这种技术。在设备实现中,需考虑设备发送端EVM(误差矢量幅度IQ)和接收端I维度与Q维度接收电平不平衡对更高阶调制性能的影响。)
 
与4G移动通信网络之中所部属的OFDMA(正交频分复用多址)技术相比,将在4.5G移动通信网络之中部署的半正交多址接入SOMA技术可以再度提高空口性能,而且可能会逐步被高级终端接收设备所集成采用。半正交多址接入SOMA技术所主要利用的是用户终端的电平差异性,既可以部署于宏小区之中,也可以部署于小基站之中。目前,半正交多址接入SOMA技术正处于3GPP LTE Release 13阶段其中一项名为Enhanced Multi-User Transmissions——“增强型多用户传输技术”的新兴研究课题的讨论之中。
 
“灵活的带宽增强”解决方案使得未来4.5G移动通信系统通过组合使用各种3GPP标准带宽(比如:以两个5 MHz带宽的载波的部分覆盖叠加来实现总共7 MHz的物理带宽)来充分地利用物理带宽资源将成为可能。而“灵活的带宽增强”解决方案的核心功能就在于对各种不同载波的叠加覆盖进行精确的管理。(因此,)这种解决方案既可以部署于小区之中,也可以部署于小基站之中。
 
而为了最终达到端到端网络延迟为10毫秒这个目标,未来的4.5G移动通信系统还将部署更短的传输时间间隔TTI/往返延迟RTT以及更为扁平化的网络架构。首先,现有4G(笔者注:即LTE-Advanced)的空口往返延迟RTT大约为8毫秒、用于网络资源调度的时间大约是1毫秒,而未来的4.5G将会进一步降低:空口往返延迟RTT大约为4毫秒、用于网络资源调度的时间大约是0.5毫秒。除了上述在无线延迟方面的减小,未来的4.5G移动通信系统还将会考虑其他的网络工程优化解决方案(比如:内容缓存)来达到10毫秒延迟的目标。相关的解决方案既可以部署于小区之中,也可以部署于小基站之中。
 
此外,通过支持LTE-M技术,未来的4.5G移动通信系统还将支持“海”量的移动连接数。由于M2M(机器到机器。物联网应用)业务的种类很多,其对移动通信网络的接入带宽需求也不一,从几个kbps(比如智能电表应用)到几百kbps甚至1 Mbps,移动通信国际标准组织3GPP正在对NB MTC(窄带机器类通信)以及eMTC(增强型机器类通信)这两项补充性的技术进行标准化,前者于下行方向的移动数据接入速率为几百kbps,而后者于下行方向的移动数据接入速率可以高达1 Mbps。在早期的3GPP讨论阶段,窄带机器类通信NB MTC的物理带宽规范包括:2 kHz、2.5 kHz、3 kHz、3.75 kHz、5 kHz、7.5 kHz、15 kHz。此外,还考虑将一些新的调制技术应用于其中,包括:GFSK(高斯移频键控)、BPSK(二进制移相键控)、OQPSK(交错正交四相相移键控)、π/4-QPSK(π/4四相相移键控)以及GMSK(高斯最小移频键控)。窄带机器类通信NB MTC的典型应用场景包括:物联网以及智慧城市。
 
在3GPP LTE Release 10以及Release 11阶段,主要通过采用接入等级限制ACB和扩展的接入限制EAB相结合的双层控制机制,解决了由于大量机器类通信MTC设备同时接入所导致的接入网侧随机接入拥塞问题——终端从系统广播信息之中获得接入限制等级信息,并结合自身的接入等级,来决定是否发起随机接入,同时网络可以根据当前的拥塞状况拒绝或接受终端的接入。
 
在3GPP LTE Release 12以及Release 13阶段,物联网优化技术的重点研究方向是低成本(通过小带宽、低天线配置、低发射功率、低传输块设计、低发送射频指标等方式支持低成本的机器类通信MTC终端)、低功耗、覆盖增强(通过重复传输、功率提升、跨载波调度、跳频等方式实现15dB的覆盖增强)的技术方案。最后,针对低成本、覆盖增强等需求,研究了通过降低激活发射/接收时间、减少测量时间/测试报告/反馈信令/系统消息捕获/同步捕获时间等方式降低功耗的技术。)
 
终端直接通信技术D2D是一种不通过基站的通信技术,使得用户终端设备可以自主地发现周围设备(范围可达几百米之内),然后利用终端间良好的信道质量,以较低的功率开销来实现高速的直连数据传输。终端直接通信技术D2D独立于移动通信网络拓扑,而且可以部署于任何一个异构多层网络应用场景(笔者注:其中将可包括本地业务、应急通信、物联网增强、多用户MIMO增强、协作中继、虚拟MIMO等应用场景,所以其关键技术在于D2D发现技术、D2D同步技术、无线资源管理、功率控制和干扰协调、通信模式切换)。
 
64.5G的各类业务以及应用
 
4.5G移动通信系统的目标是:通过高吞吐、低延迟的网络,来有效地支持各类业务与应用的沉浸式使用体验。表1所示为未来4.5G移动通信系统所支持的主要业务及应用。
1
 
主要的应用
4.5G系统所提供的效益
市场发展机遇
4K/8K超高清视频
1)高吞吐(高达xGbps);
2)低延迟(10毫秒)。
1)在2018年或者2020年,面向大屏幕终端设备(包括电视机、平板电脑、平板手机、笔记本电脑等),进行该项业务的商用部署;
2)快速的视频采用部署。
自动驾驶汽车
1)高吞吐(高达xGbps);
2)低延迟(10毫秒)。
1)正在行驶中的交通工具与500米范围的其他交通工具进行信息互换。
M2M(机器到机器)、C-IoT(物联网)
1)通过部署扩展型覆盖技术(目标为20 dB增强),4.5G将可完全地支持LTE-M;
2)低成本的模块(价格低于5美元)、10年的蓄电池寿命以及较低的无线数据传输速率。
1)市场对于相关的业务应用有着巨大的需求——尤其是对于物联网的发展。
LTE群组/集群通信
1)3GPP已经有面向4.5G的相关标准。
1)主要应用于移动企业业务。
终端设备直接通信D2D技术
1)3GPP已经有面向4.5G的相关标准;
2)在不同的终端设备供应商之间进行标准化。
1)具有大量的商业应用场景;
2)2020年,终端设备直接通信D2D技术的收益预测将作为M2M的一部分。
移动虚拟现实
1)高吞吐(高达xGbps);
2)低延迟(10毫秒)。
1)可以用于发展各类实时的移动在线游戏,不同的玩家于不同的地点同时玩一个相同的游戏;
2)可以面向CVE(协作式虚拟环境),发展企业市场业务——比如,虚拟网真、远程健康。
(编译自Huawei Technologies2015218日发布的全球首份4.5G白皮书4.5G, Open the Giga World,第12页的Table 1。)
 
从上述表1中所列出的各类4.5G应用之中可以看出,很明显,其中的一些可以作为智慧城市的候选应用。例如,LTE-M可以在城市之中提供智能化操作,来优化人们对于各类能量的日常使用(比如:对于公共交通系统进行远程控制)、确保更高的安全性(比如:在街道上安装视频监控)以及更为高效的智能电表系统等。成千上万的以城市为中心的应用可以直接从4.5G移动通信网络中所部属的LTE-M系统之中获益。在这个意义之上,4.5G可以克服现有传统4G网络的相关限制(笔者注:即不能支持仅几kbps带宽的窄带数据应用),并可解决M2M应用场景的一些特定的需求问题(比如:高至几年的非常长的终端电池寿命)。
5  4.5G移动通信系统的应用示例
编译自Huawei Technologies2015218日发布的全球首份4.5G白皮书4.5G, Open the Giga World,第13页的Figure 5
 
此外,在诸如无人机救护车等可以挽救生命的实时的紧急应用场景之中,需要有着超快的响应时间。在这个应用场景之中,不在医院附近的心脏骤停患者的身边人可以通过无人机接入未来的4.5G移动通信网络,迅速、实时地与院方的医疗救护团队互换信息,获得医疗救助。
 
而在其余诸如地震的紧急应用场景之中,受害待救援的移动通信用户可以通过接入4.5G移动通信系统的可穿戴设备向救援队伍发出求救信号,从而可以加速救援过程,大幅地提高救援效率。
 
此外,对于正在行驶之中的汽车,通过所部属的“临近发现”技术,可与500米范围之内的其他汽车互换相关信息,这可以减小交通事故的发生几率。简而言之,4.5G移动通信系统将会对公共安全以及其他的商业业务产生很大的、积极的影响。
 
对于移动视频而言,4K超高清视频是现在的商用发展趋势。而媒体行业目前也正在讨论8K超高清视频的未来发展。面向大屏幕终端(包括电视机、平板电脑、平板手机、笔记本电脑等)的4K/8K超高清视频业务将为广大的终端用户带来前所未有的视频体验。然而,要传输此类全新型格式/规格的视频业务,就要求移动通信网络具有足够大的传输带宽(如果是8K超高清视频业务,就需要35 Mbps的传输带宽——无论是处于小区的哪个位置,比如小区边缘)。为未来的4.5G移动通信系统将可以在整个小区内提供一致、持续的4K/8K超高清视频业务体验。
6  2020年之前,全球市场之中,4.5G移动通信系统的各类目标应用
(根据Statista.comABIITUDigital TV ResearchReport & ReportGSMANasscom各自在2014年所发布的相关研究报告综合总结而得出的结论。)
编译自Huawei Technologies2015218日发布的全球首份4.5G白皮书4.5G, Open the Giga World,第13页的Figure 6
 
7、从4G移动通系统向4.5G移动通信系统的演进路线
 
该白皮书在此部分首先指出,我们已在上述的相关章节确定了可以有效地支持各类主要新兴移动通信应用的三大网络能力,其中包括:直至xGbps的高吞吐能力、小的端到端网络延迟(大约10毫秒)以及巨大的移动连接数密度(平均每平方千米地域内具有10万个移动连接数)。考虑到要实现这三大关键的网络能力,就要实现从现有4G移动通信系统向未来4.5G移动通信系统的平滑演进。该白皮书第5章详细地阐述了为实现这三大关键的网络能力而定义的一组关键技术。
 
此外,在未来商用了4.5G移动通信系统之后,还必须确保现有传统的4G终端能够接入到4.5G网络——当然,4G终端将并不能从4.5G能力之中获益。
 
如图7所示,显然,4.5G网络是现有4G网络与将在2020年左右得到商用部署的5G网络之间的一座“桥梁”。
7  4.5G网络“桥接”4G网络与5G网络
编译自Huawei Technologies2015218日发布的全球首份4.5G白皮书4.5G, Open the Giga World,第14页的Figure 7
 
为了保证自身的正常运行,一些移动数据应用(比如:移动云业务、移动企业业务、4K超高清视频业务、虚拟现实/增强现实业务、物联网业务、智慧城市业务等)对于足够的网络能力有着很大的需求。已经有非常明显的迹象显示,于近期之内,这些类型的应用将会为全球的移动通信基础网络运营商们带来巨大的收益(笔者注:如上文的图6所示)。
 
而4.5G移动通信系统正是为了满足这些类型的应用的上述需求而提出与设计的,可以带来相对于现今4G移动通信网络大幅的网络性能提升。4.5G移动通信系统将有望于2016年得到初步的商用部署。
 
最后,作为总结:4.5G网络是现有4G网络与将在2020年左右得到商用部署的5G网络之间的中演进以及过渡。
 
8、总结
 
上海情报服务平台即将发布的《解读IMT-2020(5G)PG对5G移动通信的定义》一文“笔者注”部分指出:要想定义出全新一代的移动通信系统,就必须首先确定其所应具有的标志性的关键能力指标,然后在此基础之上,对应地探讨其所应具有的核心的关键技术。
 
遵循着上述思路,我们就可以对本文中所述的4.5G移动通信系统作如表2所示的总结:
 
2  4.5G移动通信系统的定义
 
4.5G标志性的关键能力指标
对应的核心的关键技术
峰值移动数据接入速率≥1 Gbps
1)大规模天线阵列MIMO技术(最高配置可达64×64);
2)大规模载波聚合技术(最高配置可达32个成分载波);
3)授权的辅助接入LAA技术;
4)三维波束成形技术3D BF;
5)高阶调制256 QAM技术;
6)LTE-M技术;
7)半正交多址接入SOMA技术;
8)带宽灵活增强技术。
端到端延迟=10毫秒
1)空口往返延迟RTT;
2)传输时间间隔TTI;
3)内容分发网络CDN、内容高速缓存。
移动连接数密度均值=100000/m2
大规模连接技术(包括LTE-M以及终端直接通信D2D技术)
(来源:笔者根据本文内容所作的总结)
 
参考文献
 
[1] Huawei Technologies. 4.5G, Open the Giga World. [R]
http://www.gsacom.com/downloads/pdf/Huawei_4-5G_Open_the_Giga_World_Feb_2015.php4. 2015-02-18.
 
[2] 工信部电信管理局. 工业和信息化部解读LTE FDD业务经营许可发放[EB/OL].
http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n11293907/n11368223/16471635.html,2015-02-27.

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