未来的移动网络是什么样子?真有黑科技...

网优雇佣军2021-11-22 10:13:10

早在1926年,尼古拉.特斯拉就向我们描绘了一幅美好的通信未来蓝图。




尼古拉.特斯拉说:


当无线技术被完美应用之时,地球就变成了一个巨大的大脑。本质上,所有的事物都是真实而富于韵律的整体(一致性)。我们可以无视距离阻隔彼此间即时通信。不仅如此,即使相隔万里,我们还可以通过电视、电话看见听见彼此,就像我们面对面交谈一样完美。实现这种设想的通信设备会惊人的简单,它甚至可以放在背心口袋里。


当《三体》中说,足够大功率的某频率范围的电磁波被太阳“增益反射”,使人类可利用太阳向宇宙发射大功率信息之时,我在想,当无线技术被脑洞大开之时,它的应用已经远远超越了地球和人类。


之所以一开篇引用了一位科学牛人和一位科幻作家的两段话,我只是想把大家的思维在时间和空间上拉得更远一点,毕竟,我们现在要谈的是未来的通信网络。

(其实就是装个13而已)


WiFi/802.11技术的演进



IEEE 802.11协议就是这么一个奇怪的标准:从第一台支持802.11A无线路由器问世到现在,它只更新了三次:802.11g、802.11n,以及最新的802.11ac。现在,一个崭新的Wi-Fi无线网络协议已经屹立在我们面前,它有望让不堪重负的无线网络再次跟上时代,得到飞跃性发展,它的名字叫做IEEE 802.11ax。


802.11ax引入了OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access),既正交频分多址,这是下一代高速无线通信网络的核心技术。




802.11ax的速度有多快?


假设可以利用的频宽为160MHz,现有最快的802.11ac标准能提供866Mbps的理论数据传输速率,而802.11ax则能轻易将传输速率提升至3.5Gbps。如果加上4×4的MIMO“四车道”,则802.11ax的理论数据吞吐能力将高达14Gbps,这个数字已经将固定光纤传输速度远远甩在了后面。


4G/LTE网络的演进


千万不要说你对现在的4G网络速率无感。从3GPP R8 到 R13 ,在无数通信人的努力之下,LTE技术正在不断改进和完善。




先举两组数字,已说明一切。


LTE R8的频谱效率:


下行:15 bits/sec/Hz

上行:3.75 bits/sec/Hz


而到了R12 ,频谱效率为:


下行:30 bits/sec/Hz

上行:15 bits/sec/Hz


从R8到R13,提出了那些关键性的技术?


Release 8 - LTE 初出茅庐

(2008年12月冻结)


LTE最初为3GPP R8,R8主要定义了峰值速率下行300 Mbps,上行75 Mbps,上行链路采用4×4 MIMO,以及20MHz带宽等。


Release 9 - 增强型LTE

(2009年12月冻结)


R9是最初的LTE增强版,关键定义了Small Cell/家庭eNodeB和LTE Broadcast(eMBMS)。


Small Cell/家庭eNodeB


这些Small Cells包括:家庭或企业部署Femto Cell,较密集郊区部署Picocell或室内Metrocell,以及城区热点部署室外Metrocell或Microcell。





LTE Broadcast(eMBMS)


LTE Broadcast 是一种基于LTE的广播或多播技术。有了LTE Boardcast,运营商可以在同一时间,把软件更新、视频等内容定向传送到指定用户手机上,像电视一样,打开就可以收看节目,比如,可以向用户发送体育赛事直播、突发新闻...等,而且可以同时放送多种内容,比如跟这场赛事相关的历史回顾节目、现场各种角度的转播...等。


多媒体流量在网络中主要有三种传播方式:

1)unicast(单播)

2)broadcast(广播)

3)multicast(多播)




unicast会对每个客户端分别发送一份流量的拷贝,如果目标客户端数量很大,unicast不得不发送多次,这如果发生在shared链路上,带宽占用是非常巨大的。广播或多播业务的带宽和投资并不会随着用户数的增加而增加,同一段带宽可以为多个用户提供服务,带宽利用率高于单播业务。


2014年1月,韩国KT就率先推出LTE Broadcast这项服务,他们通过LTE Broadcast向地铁上下班的人群推送视频流。美国Verizon也在美国超级碗(Super Bowl)时推出过LTE Broadcast,当时开放了5个频道,连接服务后可以同时看到赛事直播,同时有赛事相关的表格,如果有预定的其他内容,也可以在分割画面上看到,比方不同角度的画面。当然,未来一些重要的体育赛事,都可以向球迷观众销售这样的服务。


Release 10 - LTE Advanced

(2011年3月冻结)


R10属于LTE-A标准。由于ITU IMT-Advanced提出了R8无法实现的更高速率要求,为此,R10提出了很多重要的功能和提升。这主要包括两个关键技术:载波聚合(CA)和异构网络(HetNet)。


载波聚合(CA)


载波聚合是最低成本的办法去利用碎片频谱资源来提升终端用户速率。


载波聚合主要分为intra-band 和 inter-band载波聚合,其中intra-band载波聚合又分为连续(contiguous)和非连续(non-contiguous)。




通过合并5个20MHz载波,LTE-A支持最高100MHz载波聚合。这也就是咱们今天讲的4G+。




为什么要用载波聚合?原因有三。


原因一:


提高峰值速率。LTE R8这种信号能使用的最大带宽是20MHz,最低1.4MHz。载波聚合将能使用的所有载波/信道绑在一起,用竟可能大的带宽达到更高的峰值速率。


载波聚合可以使用连续的带宽和不连续的带宽,带宽灵活性很大。载波聚合中单个载波称为CC(component carrier),每个CC可以使用LTE R8规定的任何带宽 (1.4, 3, 5, 10, 15, 和 20 MHz)。


香农定理是载波聚合的理论基础,香农定理告诉我们系统的峰值速率和系统带宽呈线性关系,所以最简单的获得更高峰值速率的办法就是增加带宽。在LTE中,没有定义更高的系统带宽去达到峰值速率的要求,而是采用了CA的方式前向兼容,可以从R8,R9平滑过渡到LTE-A。


原因二:


让运营商在已有的不同带宽的系统中,提供一个统一的更高峰值速率的解决方案。例如运营商想要重耕2G、3G频率并使用4G技术,CA可以灵活的实现这一目标。




原因三:


在宏站中部署微站时管理频率资源的灵活性。


微站是满足热点区域服务要求的重要手段,但是在宏站中部署微站有一个严峻的问题,就是控制信道的干扰问题,如PDCCH。通常的小区间干扰协调都是针对PDSCH的,但是宏站对微站PDCCH的干扰更为严重。CA可以很好的解决这个问题,将宏站和微站的PDCCH放在不同的CC上,数据传输可以智能合并不同频率的CA容量,如下图所示:



图 : 跨载波调度


异构网络(HetNet)


异构无线网络是指在传统的宏蜂窝移动基站覆盖区域内,再部署若干个小功率传输节点,形成同覆盖的不同节点类型的异构系统。按照小区覆盖范围的大小,可以将小区分成宏小区、微微蜂窝小区、毫微微蜂窝小区,以及用于信号中继的中继站。异构网不同范围小区相互重叠覆盖,形成异构分层无线网络。




HetNet中存在小区间干扰问题,如宏基站干扰pico 的边缘用户,Femto基站干扰其覆盖范围内的宏用户(因为这些宏用户不被允许接入到Femto小区),传统ICIC只能缓解业务信道干扰,不能解决控制信道干扰。 因此3GPP在R10引入了eICIC,用于解决异构网下的宏站-微站干扰问题。


Release 11 - 增强型 LTE Advanced

(2012年9月冻结)


R11主要内容包括:增强型载波聚合、协作多点传输(COMP)、ePDCCH、最小化路测(MDT)、智能手机电池节能技术等,感觉没啥特别吸引眼球的关键亮点。


Release 12 - 更强的增强型 LTE Advanced

(2014年6月冻结)


个人以为,R12真正确立了TDD在LTE技术中不可动摇的关键地位。


事实上,从R12可以明显看出,TDD将在未来4G,甚至5G中扮演非常重要的角色。


TDD和FDD之间载波聚合



R12允许共站的FDD和TDD载波实现聚合。


MRN(Mobile Relay Node,移动中继节点)


为了解决高速移动覆盖问题,3GPP R12提出了MRN(Mobile Relay Node,移动中继节点)。




运用MRN技术,将FDD Small Cell安装在高铁上,并采用TD-LTE基站提供回传链路,实现解决高铁覆盖的“两跳”方案。





eIMTA(增强上下行干扰管理和话务适配)




TDD LTE增强上下行干扰管理和话务适配(eIMTA)功能,也就是动态TDD技术,可以根据实时话务统计动态调整上下行。Release 12版本中的eIMTA功能可以极大地改善小基站部署环境下TDD的容量和服务质量。


Release 13 - 满足不断增长的流量需求

正在进行-


FD-MIMO和3D波束赋形


3GPP R13已着手讨论全维MIMO(FD-MIMO,又称为大规模 FD-MIMO)和3D波束赋形。

3D波束赋形相较于2D波束赋形,在垂直维度增加了一个可以利用的维度,能够合理调整小区的垂直覆盖范围,从而减少小区间终端的干扰;还可以实现垂直方向的动态赋形,使波束精确对准目标用户,减少具有相同方位角不同下倾角的终端之间的干扰。同时,3D波束赋形技术的使用可以同时实现水平维和竖直维的小区分裂,使同一时刻被服务的小区的用户数目增加一倍,显著提高系统的平均吞吐量。


MIMO使用相同的频率资源和时间资源通过不同的天线传输不同的数据流,从而提高吞吐 量。MIMO要求较高的信号与干扰噪声比 (SINR) 和较低的路径相关性。可通过天线(极化分集或空间分集)或环境(富散射)来实现去相关。MIMO 有几种类型:单用户 MIMO (SU-MIMO)、多用户 MIMO (MU-MIMO) 和大规模 MIMO。


SU-MIMO(又称为空间复用 [SM])要求链路两端有多根天线,以使单个用户能够在不同的空间重复利用信道。由于设备设计对于天线和功率有限制,因此,SU-MIMO 最常用于下行链路。


多用户 MIMO (MU-MIMO) 将多个“不相关”用户结合到相同的资源中。MU-MIMO 不会提高峰值用户吞吐量,但会提高平均用户吞吐量和扇区容量。上行链路和下行链路都可以 使用 MU-MIMO。


大规模 MIMO 使用二维阵列的小间距天线、带有十台设备的 MU-MIMO 和一个有源天线系统。


下图是三星开发的多天线技术展示图:




eNB基站包含了32支天线装置,叫做FD-MIMO。FD-MIMO使用一支天线组成的2D天线网,打造出3D通道空间。


LTE-U/LAA/LWA


LTE-U是在未授权频段上直接运行LTE的一种方式,LTE-U与WiFi之间没有公平的共享机制。所以,3GPP引入的是LAA。实际上,LAA(辅助授权接入)和LTE-U差不多,区别就在于LAA有了与WiFi的共享机制—LBT(listen-before-talk)。


Wi-Fi采用的是先听后说(listen-before-talk,简称LBT)的机制,即希望使用该频段的任何设备必须先听,看此频段是否被占用。 如果此频段不繁忙,设备就可以占用并开始传输。此频段最长只能保持10微秒,之后将被释放并重复进行LBT 。这可确保对介质的公平访问,同时也是一个非常有效的共享未授权频谱的方法。


LWA,LTE/WiFi链路聚合,也叫LTE-Hetnet,也属于R13范围。


LTE-U和LWA有什么区别呢?


简单点说,LTE-U就是用LTE来代替WiFi,而LTE-H保留原WiFi的存在。


LTE-U组网结构图



LWA的组网结构图



另一个非常重要的区别是:


LWA的链路聚合在BBU和UE端的PDCP层完成




而LTE-U与LTE-A 载波聚合一样,都在MAC层完成聚合。




R13其实就是进入了传说中的4.5G,不过,4.5G已被3GPP正式定名LTE-Advanced Pro,LTE-AP。




真是个奇怪的名字,3GPP太不会玩营销啦!其实他们从来没有承认过4.5G这个叫法,甚至4G也没有。


5G时代的到来


5G什么时候会来?




业内普遍认为,5G PHASE 1可能会发生在2018年第二季度,5G PHASE 2 可能发生在2019年12月。也许更早,谁知道呢?


5G是一个怎样的网络?



5G整个网络构架可能被分为三层:

1)基础设施层

2)业务使能层

3)业务应用层


基础设施层通过虚拟化,业务使能层提供API,从而激活不同形式的网络应用,打造全面的移动和连接社会的新的端到端生态系统。


也许,只有5G,才是实现运营商网业分离的绝佳时机。


5G的目标是什么?


IMT-2020是这么说的:




1)小于1ms的端到端时延

2)10-100设备连接数量

3)低能耗机对机设备寿命可达10年

4)峰值速率大于10Gpbs

5)超高可靠性


这张图说得更全面一点:




各种无线技术的共存,未来的网络将是一个多流聚合,或者多网络连接的网络。




当然,未来的网络,不仅要连接人和终端,还要连接物,连接汽车,各种工业自动化连接,机器之间的连接...


所以,那是一个超密集的网络...




说说上图中的那个Device-to-Device(D2D)通信。


Device-to-Device(D2D)通信是一种在系统的控制下,允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术,它能够增加蜂窝通信系统频谱效率,降低终端发射功率,在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。




它也叫“多跳”网络。


5G还能做点什么?


连接卫星。


这是美国卫星电视巨头Dish,在不久前的3GPP RAN 5G Workshop提出的,实现卫星和陆地网络间的互操作,真正打造无缝的网络体验。




很有趣是吧?不过小编码字太累了,今天就不谈这个,以后慢慢聊。


既然大家都瞄准了太空,这就不得不提一下Facebook的“天鹰”计划。


他们是要把这个巨型的无人机送到天空当基站。




太阳能供电

可在空中停留3个月

激光通信,能打中10英里(18公里)外,一角硬币大小的目标

数据传输速率能达到10Gbps

沿着半径约为3公里的圆形空中区域飞行,覆盖半径约50公里的地面区域


完美的计划,丰满的理想...


看起来google的Project Loon真是弱爆了...




最后,让我们用一张图来描绘一下未来的网络吧!




没错,注意图上那个红圈,那个体育馆的上面,是一架盘旋的无人机,正在应急通信保障...

网优雇佣军投稿邮箱:wywd11@126.com

长按二维码关注


通信路上,一起走!