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5G:开启移动网络新时代 PDF下载

编辑推荐

  • 内容涵盖影响5G发展的各个方面
  • 讨论5G网络技术创新及其所面临的主要挑战
  • 阐述5G网络的技术路线图
  • 展望5G的未来发展方向 ;
 ;

 ; ; ; 5G不是简单的移动通信技术,而是一个生态体系,是传统互联网与移动网络标准的融合。互联网、云计算将在5G生态体系中发挥重要作用。

 ; ; 2016年世界移动通信大会(MWC)在西班牙巴塞罗那拉开帷幕,包括华为、中兴、中国移动、爱立信在内的多家电信企业在本次大会上展示了全新5G应用技术。美国、欧洲、日韩等多家电信运营商则在会上宣布,将从2016年开始积极筹备5G网络测试,加速推进5G商用进程。多数业内人士预测,2016年将是5G商用的起步之年,5G标准很有可能将在今年被正式确定,到20205G网络将有望正式商用,届时用户不但可以享用更为高速的移动网络,物联网、云计算等依赖高速网络的各类数据服务,也将开始被广泛使用。

 ; ; ; 本书或许能带你开启5G移动互联网新时代。

 ;

内容简介

      本书概述了5G移动网络的核心功能,讨论了5G网络技术创新及其所面临的主要挑战,阐述了5G网络的技术路线图,展望了5G的未来发展方向。本书内容丰富,涵盖影响5G发展的各个方面,包括未来的互联网、云计算、小型基站、自组织网络、协同通信、动态频谱管理、认知无线电、广播宽带融合、5G移动通信网络的安全挑战,以及绿色射频等到内容。本书首次从整体的角度,向5G产业链中的所有利益相关者阐述了5G网络关键技术的趋势,提出了解决5G移动系统无缝运行的跨学科设计方案。

作者简介

Rui L.Aguiar :2001年获得阿威罗大学的电气工程博士学位。现在是阿威罗大学教授,之前在卡耐基梅隆大学信息网络学院担任兼职教授。他在ITAV领导了关于下一代网络架构和协议的研究团队。目前的研究方向是先进无线网络系统的实现,重点是关于未来Internet网络QoS和移动性等方面的研究。他已经发表了400余篇论文,并且作为多个学术会议的技术主席,例如Monami 2012、NTMS 2014、ISCC 2014、MobiArch 2014等,并经常被邀请进行关于5G网络的学术演讲。
 
江甲沫:博士,现就职于中国信息通信研究院,主要从事3GPP标准化、IMT-Advanced系统关键技术及相关测试工作。

Rui L.Aguiar :2001年获得阿威罗大学的电气工程博士学位。现在是阿威罗大学教授,之前在卡耐基梅隆大学信息网络学院担任兼职教授。他在ITAV领导了关于下一代网络架构和协议的研究团队。目前的研究方向是先进无线网络系统的实现,重点是关于未来Internet网络QoS和移动性等方面的研究。他已经发表了400余篇论文,并且作为多个学术会议的技术主席,例如Monami 2012、NTMS 2014、ISCC 2014、MobiArch 2014等,并经常被邀请进行关于5G网络的学术演讲。

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目录

 

1  5G驱动力:无处不在的连接型社会  /1

1.1  简介  / 1

1.2  无线通信的历史发展趋势  / 2

1.3  LTE技术向4G”技术的演进  / 5

1.4 5G路线图  / 7

1.5 5G10个核心点  / 7

1.5.1 现有无线接入技术的演进 / 8

1.5.2 高密度小小区的部署 / 9

1.5.3 自组织网络  / 9

1.5.4 机器类通信  /10

1.5.5 发展毫米波的无线接入技术 / 10

1.5.6 重新设计回传链路 / 11

1.5.7 能量效率  / 11

1.5.8 5G分配新的频谱资源  / 12

1.5.9 频谱共享  / 12

1.5.10 无线接入网虚拟化 / 13

1.6  欧洲5G研发情况 / 13

1.6.1 Horizon 2020框架项目 / 14

1.6.2 5G基础设施公私合作伙伴关系 / 15

1.6.3 METIS项目  /16

1.6.4 5G创新中心  /17

1.6.5 各公司愿景  /17

1.7  北美5G研发情况 / 18

1.7.1 高校研究  / 19

1.7.2 企业研究  / 19

1.8  亚洲5G研发情况 / 20

1.8.1 中国5G研发情况  / 20

1.8.2 韩国5G研发情况  / 24

1.8.3 日本5G研发情况  / 26

1.9 5G架构  / 28

1.10 小结  / 30

致谢  /31

参考文献 / 31

 

2  5G Internet /35

2.1  简介  /35

2.2  物联网与上下文感知  /39

2.2.1 物联网  /40

2.2.2 上下文感知  /42

2.3  组网重配置和虚拟化支持  /43

2.3.1 网络定义组网 /44

2.3.2 网络功能虚拟化 /46

2.4  移动性  /48

2.4.1 从现有Internet出发的演进方法  /49

2.4.2 全新设计方法clean-slate  /54

2.5  服务质量控制 /56

2.5.1 网络资源供应 /57

2.5.2 聚合资源供应 /58

2.6  资源超量供应的改进方法  /61

2.6.1 控制信息寄存器 /62

2.6.2 业务许可控制策略 /63

2.6.3 网络资源提供 /63

2.6.4 控制执行功能 /65

2.6.5 网络配置  /65

2.6.6 网络操作  /66

2.7  小结  /68

致谢 /69

参考文献 /69

 

3  5G移动网络的小小区  /73

3.1  简介  /73

3.2  小小区是什么?  /75

3.2.1 候选小小区技术:WiFi和家庭基站  /77

3.2.2 WiFi和家庭基站的性能-室内vs室外  /84

总结 /86

3.3  密集部署的容量限制和性能增益  /87

3.3.1 多天线技术的性能增益 /87

3.3.2 小小区的性能增益 /89

总结 /91

3.4  移动数据需求  /93

3.4.1 方案策略  /93

3.5  需求VS容量 /97

3.6  小小区的挑战  /106

3.7  总结和展望  /109

参考文献 /113

 

4  下一代无线网络中的协作通信  /121

4.1  简介  /121

4.2  协作分集和中继策略  /124

4.2.1 协作和网络编码 /124

4.2.2 协作ARQ MAC协议  /125

4.3 PHY层对MAC协议分析的影响  /128

4.3.1 快衰落和阴影衰落对QoS保证数据包接收的影响  /129

4.3.2 阴影衰落空间相关性的影响 /130

4.4  研究实例:NCCARQ  /131

4.4.1 NCCARQ概述 /131

4.4.2 PHY影响 /132

4.5  性能评估  /134

4.5.1 仿真场景  /134

4.5.2 仿真结果  /136

4.6  小结  /140

致谢 /140

参考文献 /140

 

5  移动云:未来通信平台技术与业务  /144

5.1  简介  /144

5.2  移动云  /146

5.2.1 用户资源  /150

5.2.2 软件资源  /150

5.2.3 硬件资源  /151

5.2.4 网络资源  /152

5.3  移动云使能技术  /153

5.3.1 移动用户域 /154

5.3.2 无线技术  /156

5.3.3 软件和中间件 /161

5.4  网络编码  /162

5.5  小结  /168

参考文献 /168

 

6  5G无线网络的认知无线电  /171

6.1  简介  /171

6.2 5G认知无线电技术总览 /172

6.3  利用认知无线电的频谱优化  /174

6.4 5G的相关频谱优化 /175

6.4.1 动态频谱接入 /175

6.4.2 频谱管制政策 /177

6.4.3 市场政策和模型 /177

6.5  认知无线电和频谱聚合  /178

6.6  高能效的认知无线电技术  /179

6.7 5G认知终端的关键需求和挑战 /180

6.7.1 5G认知无线电终端 /181

6.7.2 5G认知终端的挑战 /184

6.8  小结  /187

参考文献 /188

 

7  解决无线频谱危机:将白频谱 用于5G  /190

7.1  简介  /190

7.2  背景  /193

7.2.1 早期的频谱管理 /194

7.2.2 广播电视白频谱的历史 /195

7.2.3 雷达白频谱的历史 /197

7.3  电视白频谱技术  /197

7.3.1 标准  /198

7.3.2 白频谱的工作方式 /200

7.4  白频谱的机会与挑战  /202

7.5  广播电视白频谱的应用  /206

7.5.1 固定无线网络 /208

7.5.2 公共安全应用 /210

7.5.3 移动宽带  /211

7.6  国际上的努力  /214

7.7  白频谱在5G中的角色 /215

7.8  小结  /216

参考文献 /217

 

8  趋向统一5G广播-宽带架构 /222

8.1  简介  /222

8.2  研究背景  /223

8.3  挑战  /227

8.3.1 频谱规划  /227

8.3.2 终端市场分裂风险 /229

8.3.3 电视消费模式转变和灵活方案需求 /230

8.3.4 商业相关障碍 /231

8.3.5 社会需求:扮演欧洲公共服务多媒体平台的电视广播  /231

8.4  广播-宽带融合方案中的候选网络架构  /232

8.4.1 方案1:电视频段上的蜂窝广播架构  /233

8.4.2 方案2:混合网络架构——采用DVB-T2 FEFs技术的LTE传输  /235

8.4.3 方案3:下一代公共广播系统  /237

8.5  广播-宽带融合研究:需要做什么?  /238

8.5.1 欧洲电视和视频的未来消费模式 /239

8.5.2 广播-宽带融合架构方案选择  /239

8.5.3 广播-宽带融合方案仿真与评估  /239

8.5.4 可行性研究 /240

8.6  小结  /240

参考文献 /241

 

9  5G通信安全  /243

9.1  简介  /243

9.2  潜在5G通信系统架构概述 /244

9.3  5G通信系统中的安全问题和挑战  /246

9.3.1 用户终端  /246

9.3.2 接入网络  /249

9.3.3 核心网  /254

9.3.4 外部IP网络  /256

9.4  小结  /257

参考文献 /257

 

10  5G移动网络的SON演进  /260

10.1 简介  /260

10.2 UMTSLTE中的SON  /262

10.3 5G中的SON需求  /274

10.4 面向小小区为主的异构网络的演进 /279

10.4.1 面向5GSON新架构  /281

10.5 小结  /284

参考文献 /285

 

11  5G绿色灵活射频  /286

11.1 简介  /286

11.2 无线系统设计 /287

11.2.1 5G中的天线设计 /288

11.2.2 面向5G的基于SIW的无源前端设计  /302

11.2.3 射频功率放大 /307

11.3 MIMO系统中的非线性串扰 /311

11.4 小结  /317

感谢 /318

参考文献 /318

 

12  总结及未来展望  /322

12.1 下一代网络的设计驱动力 /322

12.2 5G:一种绿色的网络互联体验 /323

12.2.1 大幅减少信令开销的新方法 /327

12.3 5G移动通信的愿景 /328

12.4 小结  /332

 

缩略语 /336

媒体评论

媒体评论:

本书对全球5G愿景、各个国家的5G研究及推进状况等进行了系统分析,并展示了欧盟科研项目深厚的积累及丰硕的研究成果,具有较强的创新性和前瞻性。本书总结了互联网、无线技术及组网、安全、广播业务等重点领域的技术发展脉络及主要问题,针对性地提出了多种创新的思路,这种开放式的技术探讨对于5G的创新与开拓非常有益。这些技术文献不仅仅是理论分析和仿真,在小小区设计、射频部分等章节有很多翔实的数据及指标,可以感到具有很强的产业与应用积累。

 

专家评论:

本书是5G早期研究阶段难得的技术专著,其内容涉足广泛,包括无线物理层/媒体接入层、移动网络、互联网与云计算、智能终端等技术领域,也充分体现了5G在性能提升、能效降低、支撑灵活场景等方面的特点。

前沿

概述

 

信息技术已成为人类社会的重要组成部分,并对社会经济产生了深远的影响。同时,从多媒体娱乐服务(如视频)到更多个性化、安全类应用(如电子商务、电子医疗及一线应急服务等),信息技术通过提供多种多样的信息服务丰富了人们的日常生活。如果信息分析学家的预测正确,10年之后我们所有能看到的物体(如衣服、汽车和火车等)都将连接到网络(物联网)。根据思科公司针对2017IP网络使用情况的预测,互联网流量将进一步增长。到2017年,每小时的全球IP流量相当于4100万张DVD的容量,而视频通信将在总的IP流量中占据80%90%。这个市场预测将会刺激移动业务的流量增长,目前预计下一个10年将会增长1000倍。

另外,当前网络的能耗已成为运营商一项重要的开销,并且随着移动流量的增加,这项开销将达到警告水平。这将成为减少更加高级和耗电的下一代设备在市场中渗透的重要因素。

在流量和功耗两种因素的共同作用下,运营商将重新思考网络的设计、部署和管理方式,以便在下一代移动网络(广义称为5G或特指5G移动)中采取重要措施来减少网络的资本支出和运营支出(CapexOpex)。

为了应对5G带来的挑战,移动市场中的主要机构已经在规划5G技术路线,包含广阔的愿景和设计目标,即:10100倍的峰值速率、1000倍的网络容量、10倍的能量效率、10-30倍的时延减小,以实现千兆级的无线网络。大量的研究机构已经根据这一系列已达成广泛共识的设计目标启动5G概念的研究。目前,早期突出的场景已经出现,相关组织正提出转向用户群和专业技术的创新性研究理念。所有的理念都具有发展前景,并将在5G移动网络中发挥重要的作用,其中很多理念都来自于5G白皮书、国际研究工作组和技术论坛。然而目前所报道的研究工作都是分散的,缺乏关联性,主要聚焦于一些特定的技术,如小小区、网络编码或云网络等。可以将这些技术研究工作可以比喻成构建5G蓝图中的碎片,如果没有一个整体的视角,则很难规划和建设这个蓝图。如果不采用交叉技术设计方案,则更加难以将两个技术结合在一起。很明显,如果没有对5G的基本原理形成共识,我们只能建立一个分裂的系统,最多可以实现一些性能上的提升。那么,什么是5G的基本原理呢?从本质上来讲,如果对各种技术细节进行抽象,以形成基本的系统模块,可以在这之上构建5G系统并获得性能提升,并用其代表可以承载新业务和应用基础平台。从最根本上讲,5G将建立在4G系统基础之上,是传统互联网业务与当前移动网络标准相互融合的演进系统,被称为在高速宽带异构网络中传输的“移动互联网”。绿色通信在5G演进的道路上也扮演着重要的角色,主要机构推动采用经济有效的设计方案来建立一个更加绿色节能的移动生态系统。因此,从本质上讲,5G的研究范围不局限于移动和无线领域,同时还包括了广域覆盖网络,换句话说,互联网也将在5G生态系统中发挥重要的作用。基于对当前互联网的理解,了解其局限性和发展趋势,将有助于我们根据重叠网络需求和运行机制设计和确定5G移动系统来解决方案空间边界。的确,如果我们退一步,对5G蓝图建立一个整体印象,就可以较好地对构建5G蓝图的各个部分进行设计,使它们可以无缝地连接在一起,构建出我们最初所希望的5G系统。本书受此研究理念启发,并命名为5G移动网络基础。

本书的目的在于首次对5G技术进行开放式讨论,揭开围绕在5G周围的神秘面纱。我们将整合当前国际研究组织在5G领域中的研究成果,根据当前市场趋势、已验证的关键技术和欧洲研究的技术路线,为5G移动通信提供一个基本愿景。在该愿景中,我们将对5G移动通信的潜在候选关键技术展开进一步的讨论,包括认知无线电、小小区、协作通信、安全、自组织网络(SON)和绿色多模射频。这些技术并不是很全面,但都是目前在业界受到广泛关注的已验证关键技术。我们不仅要讨论5G移动网络的单个模块,也将从互联网的视角考虑的相互间如何协同工作,为未来的5G业务提供端到端的连接。此外,从应用和服务的视角,我们还将探讨移动云的概念,它是未来通信平台中的技术和服务,并将在5G“热点应用中发挥越来越重要的作用。实际上,基于云的资源共享已经历了一个快速发展周期,当前包含了大量的潜在资源,可以在特定的云或交互连接的云中进行共享。这个概念衍生出移动云计算,将移动设备作为云资源池中的节点接入服务。移动云计算开发利用了大量可能的共享资源和连接,为移动产业带来了新的商机。除了云服务外,5G移动网络也被认为是承载下一代电视业务的传输平台。电视广播和移动宽带无疑是当今社会的重要组成部分,都面临着大量的挑战以满足未来需求。无论用户采用数字卫星系统或数字地面电视(DTT)系统接收电视内容,目前都无法满足日益增长的非线性的、按需消费的服务需求。因此,考虑将电视网络与移动网络相融合,设计一个混合的方案,被认为是可以提供双赢广播-宽带(BC-BB)融合的5G解决方案。本书最后一章对5G蓝图的所有技术点进行整合,展现了当前5G通信平台的研究进展,概括了现有的挑战,特别是针对能效方面的挑战,并根据当前市场发展趋势,提出了一个5G移动愿景作为本章最后的总结。

希望本书可以为5G领域早期阶段的研究者和学术机构提供有用的参考,更重要的是为所有从事5G前沿技术研究的相关组织机构带来启发,令其在新的5G系统设计中提出更多突破性的技术方案。

为给阅读本书的读者提供指导,下面介绍一下本书的整体结构。

首先,本书致力于分析驱动5G移动技术路线的设计需求。然而为了明确5G发展愿景,我们需要先搞清楚当前移动网络的现状。因此,第1章命名为“5G驱动力:无处不在的连接型社会,主要回顾了移动通信系统的现状,重点介绍了移动通信当前的商业现状,即4G

实际上,欧洲首次大规模部署了4G网络,可以随时随地为用户提供宽带移动数据服务。然而,移动数据业务流量仍然在高速持续增加,很多高级的宽带业务的需求已经超越当前移动标准所能支持的能力极限,需要将有线和无线网络进行更加紧密的融合,在未来物联网中为用户提供光纤般的传输体验,进而需要开发新一代的移动系统,称之为5G

从业务和技术发展趋势分析,我们渐渐清楚地发现降低能量和单位比特成本,支持无所不在的服务和高速连接将成为5G系统设计的特点,预计5G系统将在2020年左右进入市场。在本书第1章中,我们阐述了当前5G国际研究组织(欧洲,美国和东亚)的相关进展,并在这之上提出了一个5G移动架构和一组系统需求。通过该架构引出了本书中所考虑的一些使能关键技术,这些使能技术将作为5G蓝图的技术点在本书中进行讨论。

在本书中,我们不仅阐述了5G所面临的未来挑战和技术路线,同时以更广阔的视角考虑了系统演进,广域覆盖网络也被看作5G篮图中的一个技术点。如果网络没有得到重要提升,任何从移动网络中挤压出的能力提升将不会转化成终端用户的体验质量(QoE),该指标被广泛用于反映实际用户感知到的服务质量。因此,有必要用一章研究5G互联网,帮助我们明白当前的互联网和移动网络如何竞争发展。在第2“5G Internet”中,我们研究了未来的互联网,并阐述了相关研究机构在解决云服务面临的挑战时所采取的重要措施。受物联网、软件定义网络、网络虚拟化、移动和“聚合资源框架中的服务差异化”概念中获得的重要突破性进展的鼓舞,云服务被广泛视为未来互联网中重要的应用。此外,我们介绍了一个资源超量供应方案,该方案有潜力有效提升5G互联网的网络容量。希望本章内容可以为移动系统的设计者重新构建移动接入网络带来启发,通过交叉技术设计支持网络之间接口的无缝对接,并构建通向业务层的端到端通信管道。

蜂窝网络在网络部署和优化方面正在经历一个重要的转折。新的基础设施,如家庭基站或超微蜂窝基站,固定或移动中继,认知无线电和分布式天线正在大规模地部署,使未来的5G蜂窝系统和网络更加多样化。在新型的网络环境中,小小区将对5G系统的成功部署发挥基础性作用。在第3“5G移动网络的小小区中,我们将介绍小小区的概念,讨论当前小小区的部署,其重点在于有效增强覆盖、数据分流和室内(居民、办公)环境的信号渗透。在美国和韩国,业务拥塞和密集城市区域对更高QoE的需求已经推动室外或公共小小区的部署,将广域覆盖区域内的密集部署小小区推向了一个新的阶段。然而,即便在更小的区域内部署小小区,目前还没有一项先进技术可以单独满足2020年预测的流量需求。实际上,当前的技术路线将频谱(赫兹)、频谱效率(比特每赫兹每小区)和小小区的密集部署(小区每平方公里)当作满足5G挑战的基石。因此,在向5G时代演进的过程中,先进小小区技术将与其他技术如先进天线技术(毫米波、massive MIMO等)及新增频谱相结合,形成5G移动网络的候选技术方案。基于这些思想,在本章中我们将回顾LTE-Advanced中采用多天线技术的小小区性能,并从理论上分析小小区密集部署的性能极限。在没有其他开创性技术的前提下,当达到小小区密集部署的极限时,将无法再进一步提升频谱效率,采用更宽的频谱和更有效的网络资源利用和共享将成为满足系统需求的主要手段。

4G演进无线技术中,异构网络(HetNet)的出现将人们的研究兴趣转向了宏小区里的中、短距离通信,进一步引出了节点协作的概念。因此,在第4下一代无线网络中的协作通信中,我们研究了协作通信如何在5G移动网络增强链路的可靠性和提升能量效率方面发挥重要作用。本章主要研究了基于解码转发(DF)机制,这是一种传统的协作技术,已经吸引了人们大量的研究兴趣,特别是在DF的促进下广泛采用自适应重传请求(ARQ)和网络编码(NC)技术等技术之后。尽管DF已经在文献中进行了广泛的研究,但在通向5G的道路上,无线设备数量随着密集城区环境在高速增长,进而提出了对MAC层新的需求,希望可以在考虑物理层影响的条件下,通过跨层设计整合协作和网络编码的技术优势。在本章中,我们基于IEEE 802.11标准,研究了在阴影条件下网络编码辅助的ARQ MAC协议性能。

网络编码和协作通信已经分别被证明可以有效提升通信链路的可靠性,进而提供具有高能量效率和频谱效率的连接。实际上,这两种技术可以进一步协作,带来更大的市场机遇,其中目前获得广泛关注的一个是云服务,将有潜力形成5G及后续演进系统的基础。这些都是第5章讨论的重点,我们将其命名为移动云:未来通信平台技术与业务。最近基于云的资源共享服务的概念受到广泛关注,移动云计算已经将移动设备的概念转化为云资源池中的节点接入服务。这个概念对于云中计算业务分流非常有用。当我们考虑将移动设备作为未来新移动云中的主要作用实体时,用于分享资源时的连接机会,以及作为资源本身的连接机会都非常重要,将为移动产业提供新的商机。在第5章中,我们深入研究了基于云的资源共享概念,将移动节点作为扩大资源池的一部分。采用这个虚拟云池可以在移动背景下增加额外的资源,如无线连接、传感器、驱动器及其他功能实体。最后,我们讨论了云计算/服务的实现因素,主要集中在网络编码技术和一些非技术因素,如将设备背后的用户当作协作通信的一部分。

受用户需求的驱动,下一个10年中的数据业务流量预计会增长近千倍。这就要求5G技术可以提供高速且有效的数据连接,同时最小化网络部署成本。尽管4G系统中的小小区和MIMO技术已经获得了成功,但是这些技术的协同使用还无法满足未来的业务流量需求。实际上,如第3章中所提到的,未来的研究方向在于整合频谱、频谱效率和小小区技术,令其协同工作以满足目标增益。在之前的章节中,我们讨论了小小区的密集部署和先进天线技术,可以在很大程度上满足未来的5G需求,但是值得指出的是我们如何实现更加有效的频谱资源利用,如何在当前频谱资源非常稀缺的情况下开发新的频段以满足新增流量和场景的需求?目前,在认知无线电领域内,已经有很多5G使能技术可以为5G通信系统开发新的频谱。在第6“5G无线网络的认知无线电中,我们讨论了进入5G时代认知无线电所面临的关键挑战,同时在第7解决无线频谱危机:将白频谱用于5G中,我们将探讨白色空闲频段能否在5G通信中有潜力发挥作用,从而带来新的频谱使用机会。

电视广播和移动宽带在下一代系统设计中将趋向融合。实际上,当前的服务提供商为满足未来的需求将面临巨大的挑战。在美国、德国、爱尔兰和波兰,数字卫星系统是最大的电视系统,但是不论用户采用数字卫星或DTT接收电视业务,都无法满足日益增长的非线性的、按需消费的服务需求。卫星和HPHT数字电视(DTV)设施被设计成点到多点的传输架构,难以支持反馈信道和用户控制调度,特别是在移动和便携式场景。电视广播和移动宽带进行融合设计可以以动态和交互的方式为用户提供高清或超高清视频服务,由此带动了广播和移动宽带融合解决方案的需求,这正是第8趋向统一5G宽带-广播架构的讨论内容。本章首先强调了广播和移动产业传输下一代电视业务所面临的挑战,然后介绍了在5G中构建统一广播-宽带(BC-BB)融合架构的候选解决方案,包括基于全宽带的蜂窝广播架构、混合网络架构及公共广播架构,最后提出了推动实现双赢广播-宽带融合方案的一个整体工作计划。

5G将致力于提供大数据带宽、无限的组网能力及信号增强覆盖,为终端用户提供高质量的个性化服务。为了实现这一目标,5G将创新性地整合多种先进技术。然而,5G的成功还取决于用户是否相信这些强大的新技术的安全性,因为许多新型应用和通信模式都需要用户信息与机密信息分离,因此,保障5G通信安全非常重要,需要研究防范措施,以抵制网络犯罪,包括拒绝服务攻击、干扰攻击及窃听攻击等。鉴于此我们在第9“5G通信安全中介绍了5G系统的主要模块中具有代表性的潜在安全威胁实例,用以说明5G时代面临的安全问题和挑战。

自组织网络(SON)最开始被设计为一种系统内置功能,确保3GPP R8-LTE可以在网络部署、运营和维护方面经济有效。换句话说,LTE系统被设计成具有SON特点,让网络以最少的人工介入来最小化网络运营开销。此外,由于LTELTE-A演进的复杂度进一步提升,同时也存在不同运营商拥有不同无线传输系统的共存需求,因此对SON技术的需求越来越强烈。随着5G新场景的出现,需要通过具有不同复杂度、容量和配置的宏小区和小小区来构建复杂的异构网络,SON技术将不再是仅仅参与,而是一种强制性的需求,并将支持动态感知、接入和调整网络,以自动化的方式提供5G无缝-无限的传输体验。因此,在第10“5G移动网络的SON演进中,我们讨论了SON的概念,以及如何将其应用在LTE中,在R8-R12中如何演进,并将为管理网络生存时间和成本产生价值。当前关于SON的研究积累为我们讨论SON5G移动网络中的应用奠定了基础。除了如何将当前SON已经定义的功能传递到5G中,同时考虑如何在SON功能中增加新的特性来控制5G接入网新功能之外, SON的架构问题也需要引起特殊关注和讨论。

5G移动网络应可以支持各种类型的移动性,对称和非对称的数据传输,任意设备随时随地的宽带连接,同时也要考虑功率开销。实际上,减少功率开销或提升能量效率非常重要,因为未来的手持设备功能更加复杂,更加耗电,进而导致电池寿命缩短,这将对新型设备(或称为5G i-phone)的市场份额产生影响。因此,在网络侧和终端侧都需要一个更加全面的技术方案,在5G生态系统的各个模块中获得能量效率增益。由此引入了第11“5G绿色灵活射频,目的在于讨论下一代终端射频设计所面临的挑战。未来的5G电话或手持设备将是一种节能多模的收发信机,采用公共基带处理模块支持多种通信标准,所有无线模块都将整合到一个精简的芯片组上。在第11章中,我们描述了在开发下一代收发信机中需要考虑的关键设计需求、技术发展趋势和关键技术方案概念试验。

本书的最后部分是总结和未来展望,整理了之前章节中所讨论的技术,描绘出了当前5G整体研究现状,同时强调指出所面临的挑战,特别是在绿色组网和跨层设计方面的挑战。作为5G最后的讨论点,作者在本书尾末分享了自己关于5G移动小小区的观点。

 

 

前言

 

4代移动通信系统正在欧洲进行大规模部署,可以随时随地为用户提供宽带移动业务服务。然而,随着移动数据业务流量的持续高速增长,当前的移动通信标准无法满足更加高级的宽带业务需求,需要将有线和无线网络紧密融合,提供高速的数据传输,进而需要新一代的移动通信系统,称之为5G5G演进将是互联网服务与现有移动网络标准的融合,在具有高速数据连接的异构网络中构建移动互联网。绿色通信在5G演进道路上也扮演着重要角色,业界主流观点趋向于采用经济有效的设计方案构建一个更加绿色的移动生态系统。实际上,从新兴业务和技术发展趋势可以很清晰地看出,降低能耗和单位比特成本,提供无处不在的高速数据服务将成为下一代网络的特点。

目前,5G的概念仍不清晰,一些研究机构也提出了一些创新性的理念。本书致力于对分散的5G移动通信的观点进行整合,试图描绘一个更加清晰的技术路线,明确提出1000倍传输速率提升所面临的一系列挑战和需求。

鉴于本书作者在欧洲技术研究中积累了丰富的经验,以及一直在进行5G前沿通信技术的研究,本书的目的是首次对5G进行开放式讨论,希望成为包括学术界和产业界在内所有5G相关研究人员的有用工具,为推动进一步的技术创新带来启发。

 

译者序

 

LTE作为第4代移动通信已在全球规模商用。LTE的无线接口及网络架构面向移动互联网设计,有效促进移动互联网蓬勃发展,获得了巨大的成功。与此同时,按照移动通信每10年出现一代新技术的规律,各个国家都在大力投入下一代移动通信(5G)的研发。20155月,国际电联(ITU)完成了5G愿景和关键性能指标。产业界认为5G将进一步提升移动互联网用户体验,并重点解决千亿级机器无线通信的物联网需求。5G将极大地促进车联网、工业互联网等融合领域的发展,成为推动社会经济发展的重要基础平台。

ITU提出的5G技术具有8大关键能力指标:5G用户体验速率可达100Mbps1Gbps5G峰值速率可达1020Gbps、流量密度可达10Mbps/平方米、5G连接数密度可达100万个/平方公里、5G传输时延可达毫秒量级、5G能够支持500公里/小时的移动速度;此外,5G的频谱效率将比4G提高35倍,能效将比4G提升100倍。

国际标准化组织(3GPP)于20159月召开5G标准研讨已,将在2016年正式启动标准研究。产业界在标准方面的研讨,取得了一些共识。尽管4G增强型技术仍会不断发展演进,但5G将会出现无线新空口来满足移动互联网和物联网多种场景的需求。新型移动网络架构及技术也在研究中。全球无线电大会(WRC-15)于201511月召开,本次会议将争取移动通信的新频谱,并启动高频段潜在频段的研究。5G重点解决物联网多种场景的需求及关键技术指标已明确,5G采用无线新空口、新型网络架构、新频谱为5G技术产业发展构建了更大的创新空间。

本书是在5G前期研究阶段就面世的难得的5G技术书籍,具有很强的时效性。本书力图系统诠释5G技术路线及蓝图,将多种5G组成元素结合在一起,覆盖了无线、互联网及云计算等多个领域,使得5G真正成为业务应用创新的平台。在本书的翻译过程中,试图体会作者的一些创作思路及理念:

      根据业界提出的5G实现1000倍容量提升的思路,通过10倍基站数、10倍小区频谱效率、10倍频谱来解决,因此本书重点围绕小小区、多天线、频谱技术等进行介绍,这也体现了业界对于5G技术在一定程度-的共识;

      本书认为5G不是简单的移动通信技术,而是一个生态体系,是传统互联网与移动网络标准的融合;本书还认为互联网、云计算将在5G生态体系中发挥重要作用;

      本书更加强调绿色节能的移动生态系统,为此,互联网的网络拓扑及路由、协作通信、绿色灵活射频等构成了经济有效的设计方案。

本书对全球5G愿景、各个国家的5G研究及推进状况等进行了系统分析,并展示了欧盟科研项目深厚的积累及丰硕的研究成果,具有较强的创新性和前瞻性。本书总结了互联网、无线技术及组网、安全、广播业务等重点领域的技术发展脉络及主要问题,针对性地提出了多种创新的思路,这种开放式的技术探讨对于5G的创新与开拓非常有益。这些技术文献不仅仅是理论分析和仿真,在小小区设计、射频部分等章节有很多翔实的数据及指标,可以感到具有很强的产业与应用积累。

本书是5G早期研究阶段难得的技术专著,其内容涉足广泛,包括无线物理层/媒体接入层、移动网络、互联网与云计算、智能终端等技术领域,也充分体现了5G在性能提升、能效降低、支撑灵活场景等方面的特点。本书适合于5G技术研究、标准研制及产品研发的专业人员使用。当然,由于本书在2015年年底出版,所以5G概念还不清晰。另外,作者对于5G的观点基本反映了欧洲对于5G的初期看法,在5G创新技术路径、针对物联网设计等方面略显不足。

负责翻译本书的7位年轻专家均从事无线移动通信前沿技术标准工作,具有较强的专业知识及一定的实践经验。本书的第1章和第12章由陈晓贝翻译,第2章和第5章由朱浩翻译,第3章、第4章和第10章由江甲沫翻译,第6章由朱颖翻译,第7章由徐晓燕翻译,第8章、第9章及概述由沈霞翻译,第11章由韩秉君翻译。罗振东、杜滢、李侠宇、郎保真、王志勤等同志对本书进行了审校。为了让本书尽快与读者见面,仓促之中难免会有错误之处,欢迎读者批评指正!

                                       译者

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5G:一种绿色的网络互联体验

    整体来看,5G将基于上述几个驱动力逐步演进,形成如图12.1[2]所示的未来网络互联场景。该场景由基于使用IP协议的分组交换设备构建来满足各种类型的业务(如音频、视频和数据)。使用各类设备的终端用户通过周边最佳的可用连接接入网络,接入网、控制运营中心、数据中心和各类服务平台将通过边缘路由器接入运营商核心网,而不同的核心网间通过广域路由器互联,共同构成全球互联网生态系统。云端将会成为提供服务的重要媒介,且服务机制将由终端用户决定。用户与云端互动接入所需的业务,由云端(在地理上是分布的)作为虚拟的主控负责管理应用、设备和服务平台。

 

    绿色网络是系统设计的重要课题,以降低每比特能量成本为目标。无线网络的前期研究已证明可通过多跳通信或协作分集来降低能耗。由博弈论可知,在单位能耗条件下,当参与互动的每个实体均可动态调整策略时可最大化成功传输的比特数。如图12.1所示,首先由用户终端1通过WiMAX连接至网络(P1节点),该用户通过路径1从云端中的服务器获得部分三维媒体资源。随着终端1移动至覆盖区域的边缘,P1节点的无线信道质量恶化导致无法满足特定服务质量(QoS)要求或体验质量(QoE)要求,或者维持无线链路的能量开销过高,因而需要连接到其他接入点。之后,触发了一次切换事件(可通过IEEE 802.21介质独立切换平台进行管理),用户搜索到另一个可在合理能耗条件下达到所需QoS要求的链路。因此,这可能导致一次从一个接入点(如P1)向另一个异构无线网络(如WiMAXUMTS)的纵向切换事件。此外,也可通过如下协作切换方式提升能量效率:在图12.1 中,用户终端1的附着点P1UMTS节点B由于经历了一次深衰而导致较差的信道质量,而用户终端1不远处的用户终端2在无线接入点P2处获得了良好的信道质量(如通过ADSL连接),因此,终端用户1可通过用户终端2现有的直接链路P1和协作链路P2间进行协作切换。通过进行协作切换,用户终端1可通过新的路径(路径2)下载剩余的三维媒体资源。

 

    协作通信的主要目标是减少无线网络的能耗,而它在云端(如核心网和数据中心)可能会导致能耗大幅增加。例如,为了保障多媒体业务的QoS,通常应建立带宽敏感的通信路径,并采用合适的机制获得QoS和网络资源。这就意味着,网络不能仅在需要时搜索支持协作通信的新路径(路径2),也应配置足够的资源(带宽)以确保终端用户1能够持续获得满足QoS要求的媒体资源。在文献[3]中,需要保障QoS和网络资源的方案主要包括服务许可控制、资源预留控制和流量管理等,相关的标准包括:IP多媒体子系统-IMS3GPP)、资源许可控制功能-RACFITU-T)和资源及许可控制子系统-RACSETSI/TISPAN)。当前面临的主要挑战在于控制状态维护和信令消息处理等操作将在路径的各节点中执行必要的控制机制[4],这些操作将带来对能量消耗、可伸缩性和服务建立时间的要求。传统的基于单个流的资源控制受到学术界的质疑,而聚合资源获取(AROP)机制被当作一种获取业务预留资源的替代方法[6],使得部分业务请求可无须即时信令。然而,AROP可能在使信令开销降低的同时导致资源浪费的增加[7]。当预留资源不能被重用时将造成资源浪费,而当错误的许可决策导致预留资源无法满足已被接受的服务请求时将造成QoS违规。这一问题主要是由于通信路径突然与共享链路相关联,而数据流可能通过任何可能的路径进入或离开网络造成的。为了应对这些问题,需要通过实时的网络拓扑信息和相关联路资源的统计信息来优化性能。因此,ITU-T G.1081[8]定义了网络中的5个监测点,允许服务提供商监控网络和服务性能以便利用资源和进行优化。因而,现有的网络监测方法大多通过路径搜索技术[9]获取资源统计数据,但这些方法会信令产生开销过大(基于所搜索的频段)、复杂度较高或精度较高等问题[10]。为了解决这些问题,在网络传输中需采用智能的机制确认资源在用户间高效分布,从而避免网络的控制信令开销过大。因此,应重点关注通信路径上的动态资源控制所导致的信令问题以免影响传输性能。由于在无线传输或内容处理的过程中可能在核心传输设施上产生过高的信令负荷,所以基于端到端的能量节省仍是未来互联网需要重点考虑的问题。

 

    当前,互联网需要重新设计已成为共识之一,并提出了白板(clean slate方法等众多技术方案[11]。作为对前述服务质量及网络资源获取(QNRP)的补充,软件定义网络(SDN)和网络虚拟化(NFV)等关键研究课题已被纳入欧盟Horizon 2020项目,后续将重点讨论。此外,OpenFlow[14]技术尝试鼓励采用可编程的交换机和路由器(如使用虚拟化技术),这些设备可为多个独立的实验网络同时处理数据包。这种技术可以允许实际网络环境验证新的创新型方法,为新方案的部署增加信心。

 

    软件定义网络(SDN)是一项将控制面(控制网络行为的软件)与数据面(转发流量的设备)分离的网络技术。其主要思路是使网络控制和管理更加灵活,通过使架构、协议和方法模型可编程,支持多种方式构建网络。例如,可基于更广泛的上下文属性(如用户偏好、行为和设备)进行路由选择,并动态调度层4至层7的应用,从而实现个性化的控制。在图12.1中,控制平台(包括物理和虚拟控制平台)负责定义控制方法并进行控制决策,包括向数据服务器发送控制指令或进行路由策略优化等。此外,可通过单一和逻辑上的中心软件程序(如路由控制平台-RCP[12])对网络行为进行控制,并维护整个网络的拓扑结构。Onix系统[15]被提议当作制定控制平台之上逻辑的高层API(应用程序接口)来处理自交换机获得的信息(如网络拓扑),并在各个服务器上合理分配控制权限,从而进行管理。这种分配方法(如P2P)和自组织(ad hoc)网络的重要限制是在分布式的实体间同步信息[18]时,通常会引入难以接受的复杂度和信令开销(特别是当网络规模和流量增大时)。目前,由于缺少合适的去中心化方案,主流设计思路逐渐转向采用中心化方案(如Enthrone[19]EuQoS[20])或使每个分布的系统以重叠的形式部署自己的策略。因此,在现有各层上增加新的协议和机制导致互联网的复杂度不断提升[16]。值得一提的是,SDN技术的主要目标是将控制面从数据面分离,研究界主要关注其灵活性和网络设施的能耗。除了单点故障导致失败的问题外,由于需要支持网络中大量的数据服务器、路由器和交换机,SDN控制器和所控制的网络元件间的控制信令和处理开销将造成严重的能量效率和可伸缩性问题。

 

    网络虚拟化技术可使同一公共物理网络设施中的不同逻辑网络间展开竞争[13]。虽然该技术通常用于数据中心并使多个用户共享数据中心相同的物理设施,网络共享的概念已逐渐深入其他网络领域,包括接入网、核心网、骨干网和数据中心等。这一点已在图12.1中展示。随着物理路由和数据中心的虚拟化,其提供商可将虚拟资源出售,成为虚拟网络供应商。因此,每个提供商将获得全部或部分网络拓扑和相关资源的控制权。简单来讲,在这一场景中,物理网络由单个提供商所拥有。采用这一技术的主要目的是减少运营商的投资,很多情况下,运营商将基于他们所获取的竞争优势来重新考虑和调整部署新技术的速度。当前,网络虚拟化的趋势是为供应商提供网络安全管理的外包合同和开发共享设备等机会。部分网络设备商(如爱立信[21]、诺基亚[22]、诺基亚西门子网络[23]和阿尔卡特朗讯[24])提出了一些关于网络共享的架构级方案,并逐渐获得了业界关注。值得一提的是,网络虚拟化技术与SDN技术高度互补,这两项技术相互受益但并不相互依存。网络功能可被虚拟化或共享,并在不采用SDN技术的情况下部署(反之相似)[25]。然而,在不产生过量控制信令时,如何优化网络资源利用和确保每个用户获得所需的QoS仍是一个待解决的挑战性工作。文献[3]中讨论了过量控制信令的问题,处理开销和较长的会话建立时间仍是下一代网络满足可伸缩性、QoS、成本和能效目标的阿喀琉斯之踵

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