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美洲移动通信协会“LTE与5G创新”技术报告(二)

美洲移动通信协会的这份白皮书所讨论的主要内容包括:消费者们对于移动宽带接入服务的“爆炸式需求”、移动通信行业奔向5G之路、相关支撑技术与网络架构、VoLTE(LTE语音)、Wi-Fi calling(Wi-Fi通话)、LTE在公共安全领域中的应用、扩展移动通信网络容量的可选方式、频谱指配进展。
 
以下就该白皮书中不同于其他技术文档的独特内容进行介绍。
 
1、目前美洲移动通信行业在研的5G关键候选技术
 
(1)大规模天线阵列技术
 
大规模天线阵列技术是对现有MIMO(多入与多出)技术理念的进一步扩展——在一个基站处高密集度地部署数百幅天线。大规模天线阵列技术将有望提高无线频谱资源利用效率——至少两倍,理论上是5~10倍。
 
(2)高频段(10 GHz频点或更高)移动通信技术
 
目前,大多数的蜂窝移动通信基站均工作于低于3 GHz频点的物理频段,而下一代的移动通信网络中,小基站的工作频段将可达到10 GHz~100 GHz。这一新兴物理频段具有更丰富的可用物理频谱资源(比现有的多达十倍甚至更高)、更宽的无线信道(物理频宽为1 GHz或者2 GHz),从而具有相比于现有蜂窝移动通信网络更高的无线数据传输速率。
 
(3)新的多载波无线传输技术
 
现有的LTE移动通信网络仅采取了OFDM(正交频分复用)这种波形技术。而未来的第五代移动通信网络无线接入网将可采取的波形技术包括:FBMC(Filter-Bank Multi-Carrier,滤波器组多载波)、UFMC(Universal Filtered Multi-Carrier,通用滤波型多载波)与GFDM(Generalized Frequency-Division Multiplexing,广义频分复用)。
 
这些新兴波形技术可以降低上行方向对于同步的需求,从而可以降低上行无线传输链路的延迟。此外,还可潜在地适用于频谱共享机制——这是由于,相关传输可运行于更为受限的物理频段。
 
(4)非正交多址接入技术
 
OFDM之中所采取的是子载波正交传输机制,从而可以避免出现子载波间的相互干扰,提高了传输系统的容量,但是需要密集的信令支撑,而且还增大了延迟。
 
为解决上述问题,NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access,非正佳多址接入)与SCMA(Sparse Coded Multiple Access,稀疏码分多址接入)可通过采取高级的干扰消除技术来进行规避,而且对于小流量业务,可以减小时延/延迟。
 
(5)频谱共享接入技术
 
目前的LTE移动通信系统所使用的是专用、独享的物理频段。未来的无线系统(包括LTE后续演进及第五代移动通信系统)将会接入可管理主用户(现有用户,比如政府机构)、二级用户(授权型用户,比如蜂窝移动通信网络)与三级用户(非授权型用户)的Spectrum Access Systems(频谱接入系统)。在蜂窝移动通信网络无线频谱使用率较低/很低的地理区域,这种方式可提高无线频谱资源的利用效率。
 
(6)高级站间干扰协调技术
 
现有的LTE移动通信系统已经部署了初级的站间干扰协调技术与多点协作传输技术。而在未来的第五代移动通信时代,跨基站的干扰协调技术将会更为复杂与高级,网络容量有望得到进一步提高。
 
(7)同频段同时发射与接收技术/全双工移动通信技术
 
目前的蜂窝移动通信系统还能做到在相同的频段内容同时接收与传送数据。通过采取高级干扰消除技术,未来的第五代移动通信系统(尤其是在小基站等低功率传输场景之中)则可以做到,从而将会使系统的容量倍增,并可潜在地增强无线接入控制。
 
(8)异构无线接入技术
 
目前的LTE移动通信网络已经与Wi-Fi网络进行了集成/整合,并规划也运行于非授权型频段。未来的第五代移动通信系统将与Wi-Fi网络、第四代移动通信网络及第三代移动通信网络进行更为紧密的集成/整合。虚拟化技术将可通过对相关网络功能的按需实例化来促进相关集成/整合。届时,移动宽带用户可根据各类型网络的实施状况及自身需求自动地选择最为合适的底层承载网络。
 
(9)终端设备间直接通信技术
 
目前的LTE移动通信网络已经可以进行一些有限形式的终端设备间直接通信。而未来的第五代移动通信系统将会继续采取这种组网形式来扩大小区网络覆盖范围,并更为高效地向多个终端单元传输无线数据,从而可对网络进行更为有效的利用并提高用户的移动数据接入体验。
 
(10)无线接入与移动回传的集成技术
 
目前,移动通信网络的无线接入部分与移动回传部分分别采取不同的技术。对于未来的第五代移动通信网络,应设计为支持无线接入与移动回传的集成/整合,而且关键的是,应把无线链路设计为一个多跳型的网络。从而,可提高超高密集度组网的灵活性。
 
(11)灵活网络架构
 
网络功能虚拟化技术在现有LTE移动通信网络中的部署开始变得普遍起来。基于网络功能虚拟化技术与软件定义网络技术,未来的第五代移动通信网络将会实现完全的“虚拟化”,从而,网络建设及运维成本将会得到降低,并将可加快各类新兴业务的上市速度。
 
2、ICN(Information-Centric Networking,信息中心网络)发展现状与展望
 
在很多的应用场景之中,无线网络均为Internet提供宽带接入服务,而且自身在不断地向前演进。Internet的技术理念是四十多面前设计的——以网络节点为中心,其所采取“点到点”式的通信方式很好地适应了众多应用的提供,但是并不适用于当下的内容分发/传输。为此,行业及众多学术研究机构正在研究一种被称为“信心中心网络”的下一代Internet组网架构——其在网络内的设备(比如路由器)中对热门内容进行缓存,主要可用于大规模、高成本效率、高安全的内容分发/传输。
 
目前,互联网中的内容使用URIs(Uniform Resource Identifiers,统一资源标识符)来进行存放,并定义了特定的、与地理位置唯一相关的IP地址。然而,当内容发生移动、站点更改域名或者内容被复制且呈现为不同的对象时,这种方式就引起了较多的、很难彻底解决的问题。点到点虚拟专用网络及CDN(内容分发网络)等覆盖型网络是现有Internet向下一代的信息中心网络所迈出的第一步。
 
信息中心网络的设计理念是围绕“移动性”,从而就可以不用在现有的移动宽带接入网络中再另外建设/部署覆盖型网络。此种方式可以把内容信息缓存于网络中的各处,以便于用户进行及时、便捷地进行信息检索。
 
信息中心网络的关键特性包括:(1)原生地支持用户移动性;(2)网络的运行不再是基于IP地址或者基于网络节点,而是基于信息内容本身的名字;(3)网络本身即可对信息进行存储/缓存、处理以及转发;(4)内在的安全性保证信息中心网络可以集成/整合进每一个数据对象。
 
信息中心网络的目的在于简化“海”量内容的存储与分发/传输,同时减小用户接入感兴趣内容的数据流量及延迟/时延。但是,不能简单地以信息中心网络来替换现有的Internet,而是应:在部署初期,把信息中心网络作为现有Internet的覆盖网络;随着时间的推移,在信息中心网络里逐步增加现有Internet的功能。此外,信息中心网络不能丢弃IP机制,而是应该发展广义的路由理念来增加新的组网能力。
 
正是由于信息中心网络将“移动性”置于绝对中心的地位,在参与相关研发方面,移动通信基础网络运营商们就有着“得天独厚”的优势,并将其作为未来第五代移动通信系统研发的一部分。
 
3、小区类型及其特性
 
(1)宏小区
 
宏小区被用于广域的移动通信覆盖——在LTE中,宏小区可支持100千米的网络覆盖范围;而在实际组网中,LTE宏小区的覆盖半径一般在500米~5千米。宏基站常被部署于室外环境。
 
(2)微蜂窝
 
微蜂窝被用于覆盖相对较小的区域(比如一家旅店或商店),网络覆盖半径在两千米左右,发射功率5W~10W,可同时接入256~512个用户。微蜂窝基站常被部署于室外环境。
 
(3)微微蜂窝
 
微微蜂窝基站常被部署于室外环境或室内环境,主要用于扩展系统容量。当部署于室外时,也常被称为“metrocells(城市蜂窝基站)”,网络覆盖半径为15米~200米,发射功率1W~2W,可同时接入,64~128个用户。当部署于室内时,网络覆盖半径为10米~25米,发射功率1W~2W,可同时接入,64~128个用户。
 
(4)消费者用毫微微蜂窝
 
一般部署于室内环境,最大覆盖半径为10米,最大发射功率50mW,可同时接入4~6个用户,既可延伸移动宽带网络覆盖范围,又可增大系统容量。一般是终端用户采用自有回传进行部署。
 
(5)企业用毫微微蜂窝
 
一般部署于室内环境,最大覆盖半径为25米,发射功率100mW~250mW,可同时接入16~32个用户,既可延伸移动宽带网络覆盖范围,又可增大系统容量。由移动通信基础网络运营商进行部署。
 
(6)分布式天线系统
 
分布式天线系统可用于扩展室外及室内网络的覆盖范围。由于支持宽频传输/接入及多技术,相同的天线设施可由多家移动通信基础网络运营商共享使用。一些大型场所(比如机场)会在室内环境部署分布式天线系统。
 
(7)RRH(Remote radio head,射频拉远)
 
射频拉远架构在现有宏基站站点采取基带处理技术,或直接使用基带信号集中处理设备——“云接入网”架构,此时需使用大量的光纤资源。
 
(8)Wi-Fi
 
Wi-Fi主要用于扩展网络容量。相关基础设施可由多家移动通信基础网络运营商共享使用。
 
(9)超级Wi-Fi
 
超级Wi-Fi采用白频谱技术来实现,而非真正的Wi-Fi。相比于用于移动无线通信,超级Wi-Fi系统更适合被用于固定无线通信。
 
4、小基站类型及其特性
 
(1)在特定区域进行“宏小区+小基站”组网
 
这一组网形式有强大的标准支撑。于其中,微蜂窝及微微蜂窝可使用相同的物理频段(从而减小无线频谱资源需求压力),而宏基站使用不同的物理频段(从而增强总体容量)。
 
(2)部署于授权型物理频段的宏小区+部署于非授权型物理频段的LTE
 
3GPP的LTE Release 13版本正在研究这一组网形式,而且有望于2017年或2018年得到正式的商用部署。在部署有小基站的应用场景中,这种组网方式有望增大LTE系统的容量。
 
(3)部署于授权型物理频段的宏小区或小基站蜂窝+Wi-Fi
 
这种组网形式在目前得到了越来越广泛的使用,而且有望得到超大规模的部署——尤其是在那些已敷设Wi-Fi基础设施但未部署LTE小基站的应用场景之中。
 
(4)仅Wi-Fi
 
此种方式可以低成本来实现大容量的移动宽带接入网络覆盖。但是不可能在没有LTE辅助的情况下提供大范围的持续覆盖(涉及到网络切换体验问题)。
 
5、无线物联网络技术及其特性
 
(1)GSM/GPRS。由3GPP制定相关标准,目前已获得很高的全球网络覆盖。接收机成本最低,但是吞吐率低,且是一种“夕阳”型网络标准。
 
(2)HSPA。由3GPP制定相关标准,目前已获得很高的全球网络覆盖。接收机成本低,网络高功率、高吞吐。
 
(3)LTE。由3GPP制定相关标准,全球的网络覆盖率正在快速地增大,成本、功耗越来越小,有从低到高的各种吞吐率等级。
 
(4)Wi-Fi。由IEEE制定相关标准,局域网络高功率、高吞吐。
 
(5)ZigBee。由IEEE制定相关标准,局域网络低功率、低吞吐。
 
(6)低能耗蓝牙。由蓝牙技术联盟制定相关标准,个域网络低功率、低吞吐。
 
(7)LoRa。由LoRa联盟制定相关标准,目前正处于研发之中,可进行广域网络覆盖,低功率、低吞吐,运行于低于1 GHz频点的物理频段(美国采取的是900 MHz频段)。
 
(8)Sigfox。由Sigfox联盟制定相关标准,目前正处于研发之中,可进行广域网络覆盖,低功率、低吞吐,运行于低于1 GHz频点的物理频段(美国采取的是900 MHz频段)。
 
(9)OnRamp Wireless。由OnRamp Wireless(IEEE 802.15.4k的创始单位)制定相关标准,目前正处于研发之中,低功率、低吞吐,采取的是ISM的2.4 GHz频段。
 
(10)Weightless。由Weightless技术联盟制定相关标准,目前有望得到规模部署,可进行广域网络覆盖,低功率、低吞吐,运行于低于1 GHz频点的物理频段(美国采取的是900 MHz频段)。
 
6、移动通信网络使用非授权型频段可采取的方式
 
(1)Wi-Fi。越来越先进的Wi-Fi与LTE后续演进技术的集成/整合,可大幅地提高系统容量。
 
(2)3GPP Release 10、11与12中的LTE-U。其可把LTE运行于非授权型物理频段,预计可在2016年实现初步商用。其中的网络切换比Wi-Fi的要更为平滑、无缝。某些地区不能使用这种技术(比如日本、欧洲)。
 
(3)3GPP Release 13中的LAA(Licensed-Assisted Access,授权型辅助接入)。这是将LTE运行于非授权型物理频段的标准方式,设计为与Wi-Fi网络共存(互不干扰),并力求解决全球(频谱)管制需求。预计将于2018年完成标准制定。
 
(4)LWA(LTE Wi-Fi Aggregation,LTE与Wi-Fi网络连接的聚合)。其为3GPP Release 13的一部分,预计将于2018年完成标准制定。
 
7、网络功能虚拟化技术在移动通信网络中的应用场景
 
(1)IMS与VoLTE。VoLTE服务的提供离不开IMS系统,而NFV技术可减小IMS架构中多个节点与接口的实现复杂度。
 
(2)虚拟EPC。EPC的组件SGW(服务网关)、PGW(分组网关)及MME(移动管理实体)均可被虚拟化,但需要同时满足移动通信基础网络运营商对带宽、延迟及控制平面的服务需求。
 
(3)新兴虚拟EPC服务。通过虚拟EPC,移动通信基础网络运营商可以更便捷地开展:MVNO(移动虚拟运营商)服务——每家MVNO均有其虚拟的服务网关、分组网关及移动管理实体;虚拟M2M服务,为特定行业用户提供切片式的定制化服务;此外,由于分组网关与外部网络相连,虚拟化服务就可用于视频缓存、视频优化、父母锁控制、移动广告插入与防火墙等。
 
(4)云无线接入网。其中的基带信号处理可以(但是不必要)采取虚拟化技术。把基带处理功能从射频单元中分离出来后,数字基带信号的传输需要使用数Gbps的光纤链路,从而,有时被业界称为“前传”。
 
8、固移融合与IMS
 
3GPP系列技术在不断地演进以提高系统容量、数据传输性能、扩展服务业态类型,使得移动通信基础网络运营商可以通过IP语音或视频通信来增强自有服务,并通过WebRTC等接口与第三方服务提供商合作为用户提供服务。
 
“固移融合”指的是集成/整合固定接入服务(由有线接入网络或Wi-Fi局域网提供的电话服务等)及各类移动通信服务,不同类型的接入网络共享使用核心服务——例如,运营商可通过DSL(数字用户线)、Wi-Fi或移动宽带网络来为用户提供VoIP服务。此外,利用固移融合型网络,运营商还可对大数据量应用(比如流媒体视频)进行智能分流。
 
对于HSPA及LTE,“固移融合”平台的构建将是实现全IP架构的关键。虽然移动通信基础网络运营商部署IMS的进程缓慢,但是随着VoLTE服务部署的提速,情况正在发生改变。
 
9、组播与广播
 
移动宽带网络的另一项重要的新兴业务是视频组播业务或视频广播业务。对于HSPA及LTE,3GPP均定义了组播/广播能力。虽然移动通信基础网络运营商的视频业务商用现状较差,但相对于点到点传输方式,“广播”的无线频谱资源利用效率要高得多。在组播与广播技术的部署方面,移动通信基础网络运营商与内容提供商均在寻找对用户具有吸引力的相关应用——即可面向全网,也可仅面向特定的网络覆盖区域,潜在应用包括体育赛事直播、新闻直播、商店购物信息、博物馆广播信息、软件升级等。
 
LTE中采用的OFDM技术很适合用于高效广播:由多个LTE基站组成的单频网络以相同的载波频率同时向多个终端分发/传输相同的内容。
 
10、有线回传方式及特性
 
(1)光纤直连。传输距离可达80千米,吞吐量在数百Mbps到1 Gbps。
 
(2)VDSL2信道绑定。传输距离可达5000英尺,吞吐量在12 Mbps~75 Mbps。
 
(3)FTTx。一般用于城市中人口密集分布的区域,吞吐量在1.5 Gbps~2.5 Gbps。
 
(4)DOCSIS。一般用于城市中人口密集分布的区域,吞吐量在105 Mbps~285 Mbps。
 
11、无线回传方式及特性
 
(1)60 GHz毫米波频段。视距传输距离1千米,吞吐量可达1 Gbps。
 
(2)70~80 GHz毫米波频段。视距传输距离3千米(与速率折中),吞吐量可达10 Gbps。
 
(3)6~60 GHz微波频段。视距传输距离视具体频段而不同(30~42 GHz频段的一般在2~4千米),吞吐量可超过1 Gbps。
 
(4)低于6 GHz频点的授权型频段。非视距传输距离1.5~10千米,吞吐量可达170 Mbps(对于20 MHz频段的TDD系统)、或可超过400 Mbps(采取新兴技术时)。
 
(5)低于6 GHz频点的非授权型频段。非视距传输距离可达250米,吞吐量可达450 Mbps(采取IEEE 802.11n 3×3 MIMO技术)。
 
(6)电视白频谱(802.11af)。在1~5千米传输范围内可获得最高数据吞吐,也可以超过10千米。如果在一个8 MHz带宽的TDD信道中采取4×4的MIMO技术,可获得80 Mbps的数据吞吐。
 
(7)卫星。视距传输,在任何地方均可用,下行/上行数据传输速率可达50 Mbps/15 Mbps。
 
 
参考文献:
 
[1] 4G Americas. LTE and 5G Innovation: Igniting Mobile Broadband [EB/OL].
http://www.4gamericas.org/files/9214/3991/2167/4G_Americas_Rysavy_Research_LTE_and_5G_Innovation_white_paper.pdf?utm_source=4G+Americas+Distribution+List&utm_campaign=8e5b47ab77-Rysavy_Paper_20158_18_2015&utm_medium=email&utm_term=0_a87ff37af0-8e5b47ab77-214190269, 2015-08-18.
 
本文作者为上海情报服务平台兼职情报分析员

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