5G网络技术架构
主要讲述当前网络挑战与发展趋势，以及网络总体设计和5G网络的功能特是哪个，和关键技术 。最后总结和展望未来AT-2◇21MT202056/推进组5G无线技术架构白皮书引言在过去的三十年里,移动通信经历了从语音多址技术之外,大规模天线、超密集组网和全频业务到移动宽带数据业务的飞跃式发展,不仅深谱接入都被认为是5G的关键使能技术。此外,新刻地改变了人们的生活方式,也极大地促进了社型多载波、灵活双工、新型调制编码、终端直通会和经济的飞速发展。移动互联网和物联网作为(2)、全双工(又称同时同频全双工)等也未来移动通信发展的两大上要驱动力,为第五代是潜在的5G无线关键技术。5G系统将会构建在以移动通信(5G)提供了广阔旳应用前景。面向新型多址、大规模天线、超密集组网、全频谱接2020年及未来,数据流量的千倍增长,千亿设备入为核心的技术体系之上,全面满足面向2020年连接和多样化的业务需求都将对5G系统设计提出及未来的5G技术需求。严峻挑战。与4G相比,5G将支持更加多样化的当前,5G愿景与需求已基明确,概念与技场景,融合多种无线接入方式,并充分利用低频术路线逐步清晰,国际标准制定工作即将启动。和髙频等频谱资源。同时,5G还将满足网络灵为此,迫切需要尽快细化5G技术路线,整合各种活部署和高效运营维护的需求,大幅提升频谱效无线关键技术,形成5G无线技术框架并推动达成率、能源效率和成本效率,实现移动通信网络的产业共识,以指导5G国际标准及后续产业发展。可持续发展传统的移动通信升级换代都是以多址接入技术为主线,5G的无线技术创新来源将更加丰富。除了稀疏码分多址(SCMA)、图样分割多址(PDMA)、多用户共享接入(MUSA)等新型AT-292◇MT2020(5G)推进组5G无线技术架构白皮书场景与技术需求与以往移动通信系统相比,5G需要满足更加低功耗大连接场景主要面向环境监测、智多样化的场景和极致的性能挑战。归纳未来移动能农业等以传感和数据采集为目标的应用互联网和物联网主要场景和业务需求特征,可提场景,具有小数据包、低功耗、低成本炼出连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠海量连接的特点,要求支持百万/平方公里和低功耗大连接四个5G主要技术场景。连接数密度。·连续广域覆盖玚景是移动通信最基本的覆总之,5G的技术挑战主要包括盖方式,在保证用户移动性和业务连续性0.1-1GbDs的用广体验速率,数十Gbps的的前提下,无论在静止还是高速移动,覆峰值速率,数十Tbυs/km的流量密度,1盖中心还是覆盖边缘,用户都能够随时随百万/平方公里的连接数密度,毫秒级的地获100Mbps以上的体验速率。端到端时延,以及百倍以上能效提升和单热点高容量场景:要面向室内外局部热点位比特成本降低。区域,为用户提供极高的数据传输速率,满足网络极高的流量密度需求。要技术挑战包括 1Gbps用户休验速率、数|Gbps峰值速率和数十Tbps/km的流量密度低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等物联网及垂直行业的特殊应用需求,为用户提供亳秒级的端到端时延和或接近100%的业务可靠性保证。AT-2◇2M-2020(56推进组5G无线技术架构白皮书5G无线技术路线面对5G场景和技术需求,需要选择合适的5G将通过工作在较低频段的新空口来满足无线技术路线,以指导5G标進化及产业发展。大覆盖、高移动性场景下的用户体验和海量设综合考虑需求、技术发展趋势以及网络平滑演备连接。同时,需要利用高频段丰富的频谱资进等因素,5G空口技术路线可由5G新空口(含源,来满足热点区域极高的用户体验速率和系低频空口与高频空口)和4G演进两部分组成。统容量需求。综合考虑国际频谱规划及频段传LTE/LTE一 Advanced技术作为事实上的播特性,5G应当包含工作在6GHz以下频段的统一4G标准,已在全球范围内大规模部署。为低频新空口以及工作在6GHz以上频段的高频了持续提升4G用户体验并支持网络平滑演进新空口。需要对4G技术进一步增强。在保证后向兼容的5G低频新空口将采用全新的空口设计,前提下,4G演进将以LE/LTE- advanced技引入大规模天线、新型多址、新波形等先进技术梹架为基础,在传统移动通信频段引入增强术,攴持更短的帧结构,更精简的信令流程,技术,进一步提升4G系统的速率、容量、连接更灵活的双工方式,有效满足广覆盖、大连接数、时延等空口性能指标,在一定程度上满足及髙速等多数场景下的体验速率、时延、连接5G技术需求。数以及能效等指标要求。在系统设计时应当构受现有4G技术框架的约東,大规模天线建统一的技术方案,通过灵活配置技术模块及超密集组阏等增強技术的潜力难以完仝发挥,参数来淸足不同场景差异化的技术需求。全频谱接入、部分新型多址等先进技术难以在5G高频新空口需要考虑高频信道和射频器现有技术框架下采用,4G演进路线无法满足5G件的影响,并针对波形、调制编码、天线技术极致的性能需求。因此,5G需要突破后向兼容等进行相应的优化。同时,高频频段跨度大的限制,设计全新的空口,充分挖掘各种先进候选频段多,从标准、成本及运维角度考虑,技术的潜力,以全面满足5G性能和效率指标要应当尽可能采用统一的空口技术方案,通过参求,新空口将是5G主要的演进方向,4G演进将数调整来适配不同信道及器件的特性。是有效补充。髙频段覆盖能力弱,难以实现全网覆盖,需要与低频段联合组网。由低频段形成有效的3AT-22MT2020(5G)推进组5G无线技术架构白皮书网络覆盖,对用户进行控制、管理,并保证基本的数据传输能力;高频段作为低频段的有效补充,在信道条件较好情况下,为热点区域用户提供高速数据传输。5G无线技术路线主要场景连续广域覆盖6-100GHZ5G高频新空口冷热点高容量5G低频新空口低时延高可靠
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微波网络及其应用 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= =vp点2丑由此可见,在惹电矢量只有z分量的情况F,电磁波在2方向只有电场分量Ex而磁场分量Hx=,掀叫橫磁波(TM模),又叫徹哐波(E貘)。在勅兹磁矢量只有z分量的情况下,电磁波在z方向只有磁场分量II,而电场分量x=0,故叫做横忠波(TE模),又叫徹磁波(摸)这些模式能否在传输线中存在,是出其边界条件来决定的。对于TM模,在W=常数或U=常数的电壁(殚想导体表面)上!9=0;在H=常数的磁壁⊥d=0,在=常数的磁壁上(理想导磁体表面),。0=0,对于模,在2常数的电壁上,0,在=常数的电壁上,a门=0;在=砦数或v=常数的磁瑾上,巧=0在徽彼传输线中,如果单纯TM模或TE核不能满足逊界条件时,两者必须同时存在此时电磁就既有Ex分量,也有丑分量,叫做混合模。在直型标系中,混合模有两种简单形式,可令(12-2)或(1.2-3)式中=,「=求得。它们的表示式是∏6+hnr+R s上x=0d+们(1.2-7)EPoYEHII∵x由此可见,在赫兹电矢量只有x分量的情况下,电憾波的电场和磁场都具有之分量,仨磁场没有分量,即H=0,磁力线分纵向截上,叫做纵向磁波,筒称LSM模或TM模。在赫兹磁欠量只有x分量的情况下,电磁波的电场和磁场都有z分量,但电场没有x分量,即E:=0,电力线分布在纵向截面上,叫做纵向电波,简称LSE模或TEx棋。广义传输线方程我竹已知:求解黴波传输线的电磁场时,不管其中存在何种传输模式:槨要解赫兹矢量的三维亥姆霍茨方程,特别重要的是求解其中某一坐标分量的三维亥姆霍茨方积Van+kl o即YAI T五↓高I=0式中波函数Ⅱ既可以代表赫兹电矢量的κ分量(M模〉或x分量(LSM模),也可以代表赫兹磁矢量的2分量(TE模)或分量(LSE樸)。(1.2-8)式是个二阶偏微分方程,可用分离交量法求解。求解时令∏(#,沙,2)=∫(#,v)ψ(212-9式中f(u,t)只是横截面平标和的函数,ψ(x)只是纵向坐标之的图数。将(1,2-9式代入(1.2-8)式中就得到Vif(m, v)d2p(2)上式芹边仅仅是和U的数,与2无关;右边仅仅是z的函数,与和矿无关。两边相等,表明它们都必须等于常数。设此分离常数为一,则有(1.2-10)y2(2)=0(1.2-11)式中γ=k一由此可见,波函数∏(,U,2)可分离成f(u,)烈ψ(2)两个函教之积,其中f(,v)满足横坐标和v的二维亥姆霍茨方程,它决定横截面上电磁场分布。ψ(2)满足纵巫标z的传输线方程,它决定轴向电磁波的传输特性,故此方程称为广义传输线方程。由于我们所研究的微波传输线是无穷长,没有反射波,,故(1.2-11)式的解是2〕=Ag式中A是一个常缴,决定波的振幅。于是波函数n是∏(u,,z)=f(,u)ψ(z)=Af(n,)e(1.2-12)已知波函数后,传输线中各种模式的电戤场可由(1.2-4)到(1.2-7)式求得例如对于TM模∈A2xV(H,U)EE1=一YAVf(,t)e1.2-13)42)e对」IEE=j甲A2×Vf(,)e1(1.2-14)ustkA(u, ue传输特性电磁波在微波传输线中的传输特性,通常用其相速、波阳抗以及传输功率来表征,因为用它们可以确定波的传输快慢、强弱以及电场与磁场间的关系。一般说来,波的这些特性都与传输线的横截面的儿何结构有关,也就是与其边界条件关。下面分别叙述之1.被的速度在(12-2)式中波函数具有因子cY,它表示电磁波沿2方向的传输情况。ˇ叫做传输常数,通常是个复数,可以写为y=a+。其中叫做衰减常数,表示波在传输过程中振幅哀减的快慢β叫做相移常数,表示波不传输过程中相位变化的快慢。如果我们假设媒质是无耗的,μ和∈郗是实常数,则波数長=如vμ也是实数,这样,由y2后一}2可知,y的性质随者的不同而异,而是白横截面的边界条件决定的但是,不管横截画的几何结构如何,只可能有三种情况:(1)是的=0,(2)是>0,(3)是A0的情况下,电磁波的E。或H不等于,可以是M糖、E模或混合模这时传掏常数是即1.2-1?)如果令h=-5=2x/2n,B=/=2x/入,h=2τ/A其中是无限媒质中的波长,2是波导波长,A是截止波长,则(12-17)式变为(λ3/A入)21.2-18}由此可见,当為a,kx>λ,即波的相速大子无限媒质的光速,叫做快波。快波的波长大于无限媒质的波长。当λ>λa时,相速和波长都是虚激,没有物理意义,但这时=kk式中α是实数,故此电磁波变成衰减电磁场,随着轴向距离的增大,场的振幅逐惭衰演,但其相位不变,故衰减场是不能在传输线上传输的。0=是传输线中传输快波还是衰减场的临界情况,这时=0,月=0,传输线中既没有快波传输,也不是衰减场,而是等福的电磁场。λ之所以叫儆截止铍长,是因为当λ≥λe时,传输线中没有电磁波传输。在始8:因此Y=vR一的=v1+(B/R)=f于是波的相速和波长是1.2-19)2兀=入/V1+(戶,/)2由此可见,这类波的相速小于无阳媒质中的光速,岍做慢波,慢波的波长小于无限媒中的波长
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