设计和验证5G系统,第1部分

2020-11-13 17:15:00
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从1980年代开始,移动行业一直在以每十年一种新标准的速度升级无线技术。 在80年代推出的第一代(1G)手机虽然当时不被称为1G,但其基于模拟技术,仅支持质量较差的语音通信。

在90年代推出的第二代(2G)手机将模拟语音传输升级为数字语音通信,增加了对短消息服务/多媒体消息服务(SMS / SMM)的支持,并大大扩展了网络容量。 在世纪之交,3G手机引入了互联网访问功能,用于Web浏览,电子邮件通信,视频下载和图片共享。 在2010年代,4G智能手机允许高速无线互联网访问以执行桌面应用程序。

表1 总结了四代无线产品的服务,主要区别和弱点。


表1 按年代,服务和性能说明无线技术的发展历程。 资料来源:GSMA情报

所有四个无线标准仅针对一个目标市场:创建超级智能电话,以提供从简单的移动语音呼叫到无所不能的互联网享受,日益丰富的用户体验。

为什么选择5G?

近年来,各种因素共同导致了一种新的无线标准来取代老化的4G规范。 其中包括要求更快,更快速地交付数据的移动用户的急剧增长,物联网(IoT)设备的普及,无人机的部署不断增加,移动增强现实的普及以及自动驾驶汽车提出的严格要求。

为了应对这些需求的压力,国际电信联盟(ITU)制定了IMT2020标准(通常称为5G),以解决三个具有独特要求的移动市场 图1 )。



图1   5G无线市场细分包括极端移动宽带,关键机器通信和大规模机器通信,每个都有特定的要求。 资料来源:诺基亚

第一个市场称为极端移动宽带,主要涉及以人为中心的用例的通信服务,使用户能够访问3G / 4G标准解决的多媒体内容,服务和数据。 例如,5G将更好地满足新应用和比特率不断增长的需求。

关键的机器通信部分用于机器对机器(M2M)应用程序,在这些应用程序中,必须进行超可靠和低延迟的通信。 例如,用于自动驾驶或半自动驾驶的车辆到车辆(V2V)通信,工业制造或生产过程的无线控制,远程医疗手术,智能电网中的配电自动化以及运输安全服务。

5G的第三个市场领域正式称为大规模机器通信,为后来被称为IoT的领域提供服务。 在这个角色中,5G有望提供将大量连接的设备连接在一起的无线网络,每个设备都传输相对少量的非延迟敏感数据。 支持这些应用的设备必须是低成本的,并且需要使用小型电池组才能运行多年。

5G标准是第一个在所有保护伞下支持所有这些市场的标准。 对于最终用户而言,5G将是连接应用程序的生态系统。 每个应用程序将根据所需任务自适应地管理数据速度,延迟和可靠性。 例如,无人驾驶汽车需要可靠,即时的响应以及在高速公路上的安全连接。 为此,5G网络将提供广泛的覆盖范围,低延迟和加密的通信链路。

5G网络将通过在提供数据,语音,视频,物联网和关键通信的单一标准下整合多个通信系统,使服务提供商能够满足其最终用户的所有应用需求。

5G极限规格

即使快速浏览5G规格,也会发现大量新规格,速度,带宽,等待时间,容量,密度,频谱效率,网络效率,可靠性,覆盖范围等提高了一个到两个数量级。

图2 概述了新标准如何以比以往更快的速度在各种设备之间支持更大量的信息传输,并在广泛的覆盖范围内提供了高度的安全性。



图2  5G主要规格优于/超过4G一个或多个数量级。

表2 根据速度,带宽,等待时间和数据传输速率比较了五代无线通信标准。

表2 该表根据一组主要特征比较了五代无线通信标准,以突出显示差异。

5G技术要求

欧洲电信标准协会(ETSI)列举了8个5G要求:

  1. 峰值数据速率(Gbit / s)
  2. 用户体验数据速率(Mbit / s)
  3. 延迟(毫秒)
  4. 频谱效率
  5. 行驶速度(公里/小时)
  6. 连接密度(设备/ km  2
  7. 网络能效
  8. 区域流量(Mbit / s / m  2

图3中 的星形图 比较了4G(IMT-Advanced)和5G(IMT-2020)规格。


图3   4G与5G规范的比较强调了新5G标准的挑战性要求。 资料来源:ETSI

为了满足5G标准的挑战性要求,正在采用多种新兴技术,包括:

  • 毫米波
  • 波束成形
  • 大规模多输入多输出(MIMO)
  • 载波聚合,以及
  • 小细胞。

商业实施所涉及的技术挑战是巨大的,并且有些挑战使设计社区无法入夜。 要了解原因,让我们检查一下每种技术。

毫米波

5G之前的所有无线标准都与其他服务(无线电,HDTV,警察/消防/ EMS,政府,军事等)共享无线电频谱,占用大约1 GHz至30 GHz之间的各种许可和非许可频段。 在21世纪之交的某个时候,我们认为是可用频谱的最后几个频段被拍卖或分配给其他应用,从而不再为30 GHz以下的5G扩展留出更多带宽。 为了解决这个问题,技术人员开始考虑覆盖30 GHz至300 GHz频率范围内的频谱块,通常称为毫米波(mmWave)频谱,至今仍未被占用。

图4 显示了按频段划分的电磁频率/波长频谱。


图4 该图显示了按波段和用途划分的波长/频率广播频谱,尚未充分利用。 资料来源:维基百科

直到最近,mmWaves的使用仍然受到限制,因为它们管理起来很困难,并且电子设备不足以对其进行处理。 它主要限于射电天文学和卫星通信。 近年来,随着技术的进步,mmWaves成为移动通信领域的佼佼者,它被4G移动通信的广泛采用取代了饱和的厘米波频谱,这一切都发生了变化。

需要考虑几个数据点:首先,整个毫米波频谱大约是厘米波频谱(300GHz – 30GHz = 270 GHz)的10倍,为扩展提供了充足的空间。 结果,mmWave网络可以支持许多同时的高带宽信道,每个信道都发送和接收大量数据。

除了高容量,5G系统还被设计为提供比早期无线网络低得多的延迟(延迟=数据发送与接收之间的延迟)。 4G网络的最小延迟徘徊在70毫秒左右。 今天的早期5G网络可以提供低至10毫秒的延迟,并且有望最终降至1毫秒。 显着减少的延迟将减少或消除无线通话和视频聊天中令人沮丧的延迟。 在某些情况下,例如无人驾驶汽车和远程医疗,由于近乎瞬时的连接而实现的快速响应可以避免不必要的伤害或死亡。

更重要的是,毫米波的传播波束宽度比厘米波要窄,它是对透射光束在离其起点越远时如何扩展的一种度量。 尽管厘米波信号的较宽波束宽度会由于干扰而减少本地信号在同一地理区域内传输的重用,但毫米波的较窄波束可减轻干扰并支持使用相同频率范围的近距离多次传输。

不幸的是,毫米波具有缺点,包括其有限的传输范围。 物理定律规定,对于给定的功率,波长越短,透射范围越短,这主要是由于大气衰减引起的。 此外,毫米波信号会迅速衰减,因为它们不易穿过建筑物或障碍物,并且会被树木,树叶和雨水吸收。 由于毫米波信号的不良传播特性,它们需要大量的无线电单元(RU)才能实现所需的覆盖范围。

波束成形

波束成形是一种用于减少支持信道所需的发射机功率以及增加网络容量的技术。 传统的无线电在各个方向上都发送信号,而无线波束成形会缩小发送器信号的聚焦范围,将其能量聚焦到直接对准接收器的紧密波束中。 这增加了该接收器处的信号强度,同时将周围的信号干扰降至最低。

在5G中,波束成形在控制系统功率并通过特殊的多路复用将功率集中在用户上起着重要作用。 此外,短的毫米波波长使得构建足够小以适合手机的多元件动态波束成形天线成为现实。

大规模MIMO

多输入多输出(MIMO)无线电在发射器和接收器中使用多个天线,以增加天线链路的容量,并最终提高网络效率,同时减少传输错误。 该方法已经在3G(演进的高速数据包访问或HSPA +)和4G(LTE或长期演进)无线标准中使用,但仅限于少数几个(单个数字)天线。

mmWaves的极短波长使使用小型天线阵列将信号集中到高度聚焦的波束中成为可能,该波束具有足够的增益来克服传播损耗并显着提高通信效率和吞吐量。 天线越多,通信效率越高。

大规模MIMO可以将这项技术推向数百个天线。 在5G中,大规模MIMO在发射机侧可能需要多达256个天线,在接收机侧可能需要多达四个天线和两层。 合并来自接收器侧所有天线的所有信号,以提高链路的鲁棒性,并将系统的比特率提高到10 Gbps(每层3.2 Gbps,最多四层)。

这种方法的缺点是,随着系统中天线数量和调制阶数的增加,无线电基带处理器的复杂度呈指数增长。

载波聚合

载波聚合可提高通信效率。 通常,广播频谱很昂贵,并且在4G中它变得越来越拥挤。 因此,至关重要的是变得更聪明地使用可用频谱。 载波聚合可能涉及在4G中使用一个频段,在5G中使用另一个频段。 通过组合它们,可以显着提高传输数据速率。

小细胞

支持高达4G的所有标准的基础设施包括大型蜂窝电话塔,这些蜂窝电话塔将蜂窝信号传播到整个地理区域。 5G将改变这种方式。 服务提供商将不会在大型电话塔,建筑物和其他建筑物上安装他们的设备(称为小型基站),而不是建造大型塔。 这些电池的射程通常约为250米(820英尺)。

mmWave信号的较短传播特性正在鼓励服务提供商创建更密集的基础架构,即在更近的地方建立更多的基站,以确保广泛且一致的服务。

服务质量

5G通信的一项重要要求是提高服务质量(QoS)。 以前的所有无线标准都致力于为客户提供更高的数据速率,但是QoS并不是优先考虑的事情。 随着物联网设备的出现,无人驾驶汽车的出现,这种情况发生了变化。 在这些应用程序以及许多其他应用程序中,QoS现在已成为关键要求。

如果呼叫在4G通信中掉线,则系统会选择另一个频率,另一个信道或更改为另一个调制方案。 当前设备的有限功率迫使它们在协议栈中更高的链路层上运行,以切换到新的频率或调制方案,从而延长了完成切换并从故障中恢复的时间。

在5G环境中,必须在几毫秒内执行选择,迫使系统在物理层上运行。 当通信质量下降时,必须在几毫秒内完成切换到新频率或其他调制方案。

重要的是将QoS处理得更靠近物理层,以使不同类型的设备连接到网络。

5G标准是之前所有四个无线标准的飞跃,有望实现更快的速度,更高的数据传输速率和更低的延迟,并具有更广泛的覆盖范围。 累计而言,5G将杜绝阻碍老化的4G标准的拥塞和延迟问题。



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