关于我在《大话5G》这本书里学到了什么——5G和物联网不得不说的关系

Posted 2021-09-04 Ever-7

一、前言

5G将与物联网密不可分。 5G将不再只是一个单纯的通信系统，而是以用户为中心，全新、开放的融合体系。

二、演进中的移动通信

	20世纪80年代1G（The first Generation），采用FDMA（频分多址）技术，模拟调制语音信号。
	
	20世纪80年代中期2G（The second Generation），采用TDMA（时分多址）技术，数字通信系统，以传输语音和低速数据业务为目的，又称为窄带数字通信系统。（欧洲的GSM体系，2.5代的GPRS）
	
	20世纪90年代3G（The third Generation），采用CDMA（码分多址）技术，1988年的3GPP（第三代合作伙伴计划）成立。
	
	2010年10月4G（The fourth Generation），采用OFDM（正交频分多址）技术，还有MIMO，载波聚合等。（LTE，3GPP，RAN工作组。）
	
	独立组网（Stand alone）和非独立组网（Non-Stand alone）
	
	3GPP RAN1#87次会议上，中国华为主推的Polar码成为5G短码控制信道的终极解决方案。短码的数据信道以及中长码的编码方案采用高通的LDPC码。
	
	低功耗大连接标准——NB-IoT&eMTC&EC-GSM-IoT
	
	NB-IoT终端成本、功耗更低
	
	eMTC在移动性、语音、数据速率等有优势
	
	EC-GSM-IoT基于GSM系统

三、5G愿景——梦想带动现实

VR要实现完美的虚拟现实体验，要求每秒处理5.2Gbit的数据量，时延低于20ms。

1、连续广域覆盖场景

连续广域覆盖场景是移动宽带通信的典型场景

（1）采用低（<6GHz）频段部署进行广域覆盖，目前计划700MHz或4GHz左右频段。
（2）在广域网络部署区域内为用户（静止，低速或高速移动）用户提供连续覆盖。
（3）用户体验速率：100Mbit/s
（4）移动性：350km/h
（5）流量密度：1Tbit/s/km² (1Mbit/s/m²)

2、热点高容量

针对（体育馆、办公区、会场、大型购物中心等）用户密集而导致大量用户数据需求的场景。

（1）可能采用低频段（<6GHz）+高频段（>6GHz）基站综合部署的方式
（2）在热点区域内为用户（包括静止、低速/步行用户）提供高容 量业务
（3）用户体验速率：1Gbit/s
（4）超高用户密度（地铁场景）：6人/m²
（5）流量密度：>10Tbit/s/km² (10Mbit/s/m²)

3、高速移动场景

该场景指用户在高速移动中（高速铁路、地铁等）由于用户密集而导致大量用户数据需求的场景（用户既高速移动又十分密集）

（1）采用低频段（<6GHz）+高频段（>6GHz）基站综合部署的方式
（2）用户体验速率：100Mbit/s
（3）流量密度：>1Tbit/s/km² (1Mbit/s/m²)
（4）移动性：500km/h

4、万物互联（老生常谈部分hhhh）

无论是通信技术还是移动终端的发展都是围绕人与人之间的通信展开 人是社会发展的主体，通信服务于人，以人为中心

当人与人的通信得到很好的满足时，物联网便迎来了春天。物联网的实践最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可口可乐贩售机，其中含有程序可以监视机内可乐瓶数量，以及是否是冰的等。

Internet of Things（IoT）

简单来说就是物物相连组成的网络

复杂一点说就是通过射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

关于物联网感知世界

物联网结构层次分为三层：感知层、网络层和应用层

感知层：
位于三层结构中的最底层 通过传感网络识别物体来获取信息，是物联网的核心，信息采集的关键部分，由各种传感器和传感器网络构成（条码、二维码和扫描仪、GPS、RFID）。

P.S.感知层扩展资料

条码：
由一组宽度不同、平行相邻的黑白条纹和空白，按预设的格式与间距组合起来的符号标准条码由厂商识别码（7-9位数字，前三位为前缀码，中国大陆690~695、中国台湾471、中国香港489）、商品项目代码、校验码三部分组成。

RFID：
即射频识别，又称为电子标签。主要用来为物联网中的各物品建立唯一的身份标识。RFID技术是无线电广播技术和雷达技术的结合，RFID标签由天线和芯片组成。（电磁感应，非接触读写数据）

传感器：
传感器是将非电信号按照一定规律转换成易于测量、传输和处理的电信号的一种元件。

网络层：
由各种私有网络、互联网、有线、无线通信网络、网络管理系统和云计算平台等组成 负责传递和处理感知层获取的信息。

物联网通过“网络层”将“感知层”大大小小的物件联接起来，并由“应用层”提供丰富的应用。

应用层：
负责提供丰富的应用 将物联网技术与行业信息化需求相结合 是智能处理，即利用云计算、数据挖掘、中间件等技术与行业需求结合，实现广泛智能化的应用解决方案。

关于物联网带来的智慧城市有如下几个畅想：

（1）提供给市民建筑的相关信息：用料、安全系数、建筑历史和结构等
（2）城市噪声系统，实时监控和绘制城市噪声地图
（3）城市垃圾管理系统自动检测垃圾箱中的垃圾，优化垃圾回收，为每个易拉罐、可回
收玻璃容器等嵌入RFID标签，控制和减少垃圾生成数量、提高物品使用率。（之前我做过一个基于RFID垃圾回收的项目，对此印象深刻）
（4）工业物联网（工业4.0）首先由德国提出，工厂内时延敏感类通信成为机械生产和控制的关键，工厂内非时延敏感类通信（识别、追踪厂内产品），远程控制系统（远程质量检测与远程虚拟办公室），厂间通信系统为工厂提供产品生产链的端到端识别与追踪与设计类数据交互。

事物的发展是双向的，物的智能化会推动物联网的发展，同时物联网的发展也会促进无的智能化提升。

5、5G中物联网的需求

低时延高可靠场景：
对于低时延高可靠场景，低时延是最重要的性能指标（无人驾驶，车联网）

（1）部署频段：<6GHz或6GHz附近
（2）在如城区或高速公路区域内为物联网终端（包括低速和高速移动的用户）提供连续覆盖。
（3）用户体验速率：低
（4）流量密度：低
（5）移动性：MAX 500km/h
（6）时延：1ms

广域大连接场景：

（1）部署频段：<6GHz
（2）在广域网络部署区域内为物联网终端（包括静止、低速或高速移动的用户）提供连续覆盖和接入。
（3）用户体验速率：低
（4）流量密度：低
（5）移动性：低
（6）连接数密度：10⁶个设备/km²
（7）网络能效：提高10倍能效

四、5G——关于网络

1.网络切片

相较于传统的蜂窝网络采用专用的支持和IT系统，非常适合匹配到单一服务型的网络。但是这种的垂直架构使运营商难以扩展电信网络以及难以根据不断变化的用户、业务和需求进行调整。

因此网络切片这种手段应运而生。

将网络资源进行切片，单一的物理网络可以划分成多个逻辑虚拟网络，为典型的业务场景分配独立的网络切片，在切片内针对业务需求设计增强的网络架构。

多个网络切片共用网络基础设施
每个切片之间（设备、接入、传输和核心网）逻辑上都是独立的

2、Mesh

无线Mesh网络（WMN，Wireless Mesh Network），又称无线网状网，它是“多跳”网络，无线Mesh可以与其它网络协同通信，是一个动态可扩展的网络架构，任意的两个设备均可以保持无线互联。

相较于移动通信网和Ad hoc，Mesh在“动态、灵活”和“固态、稳定”之间找到了平衡。

Mesh网络分为三类：

第一类为基础设施/骨干网络Mesh，Mesh路由器为客户端形成一个基础设施、具有自配置自愈链路的Mesh网。

第二类是客户端Mesh，网络中所有节点对等通信，形成Mesh，客户端设备间对等，客户端自身实现路由和配置功能，同时为客户提供终端用户的应用。

第三类是混合Mesh即可以通过其他Mesh客户端直接接入网络，也可以通过Mesh路由器接入网络。

3、多网络融合

该部分概念很简单，但是技术细节繁琐，而且现实推广和理论研究尚需完善，我就直接跳过啦。

就补充一点：

关于LTE+WiFi在3GPP版本12的WLAN/3GPP Radio Interworking 主要采用以UE为中心的解决方案

4、LPWA（Low Power Wide Area）低功耗广域网络

LPWA是专门为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用设计的网络，具有远距离通信、低速率数据传输和功耗低的三大特点。

WiFi、蓝牙、Zigbee等属于局域网协议，并不在LPWA范畴内

NB-IoT（Narrow Band-IoT）

（1）又称窄带物联网，基于现有的蜂窝技术，完成蜂窝物联网标准协议的设计。
（2）能够提供百倍于4G的连接规模，百倍于2G的灵敏度，设备电池供电寿命可以长达10年
（3）与使用非授权频段的LoRa技术不同，NB-IoT使用授权频段

Halow——WiFi的物联网技术

2016年初，WiFi联盟发布了更适合低功耗、大覆盖的物联网技术标准802.11ah，该技术也被命名为“Halow”

Halow将WiFi的工作频段进一步扩展至900MHz频段，是现在工作于2.4GHz和5GHz的WiFi技术覆盖范围的两倍，且具有穿墙能力强，适合智能手表和智能家居设备。

关键技术有：

中继：中继功能最多支持两跳

分段业务指示图

限制接入窗口

目标唤醒时间：允许AP对STA的唤醒时间加以管理

5、5G轻形态

外在形态：

（1）部署轻便
（2）投资轻度
（3）维护轻松
（4）体验轻快

技术形态：

（1）虚拟
（2）分布
（3）灵活
（4）高效

6、网络安全

4GLTE网络安全：

（1）计算机软硬件安全
（2）重协商攻击：伪基站使用户送LTE网络回退到安全性较低的GSM网络
（3）设备跟踪：终端设备的IMEI和IMSI信息被伪基站拦截，进一步进行设备跟踪
（4）通话窃听：伪基站重协商攻击成功后，发起中间人攻击（使用户经由未经加密的网络）
（5）终端设备空口阻塞：在特定频段发射持续噪声或信号，降低终端侧的S/N（屏蔽仪）
（6）获取密钥：共享密钥K是一个128位的主密钥，用于生成加密、鉴权过程中的其他密钥
（7）基站设施损坏（物理黑客hhhh）
（8）针对eNB、核心网的攻击：类似互联网的DDoS攻击

关于5G网络安全：

5G网络安全更加复杂，安全问题更加重要，安全泄露后果更加严重，现有的4G网络安全技术可以作为重要参考，纳入5G网络安全框架中。

几个技术方向：

（1）基于公钥的鉴权及密钥协定：减少必要连接次数，单向鉴权不需要建立连接
（2）用户证书的存储方式（eSIM）
（3）虚拟化网元/网络间的隔离

五、5G——关于技术

1、UDN

由于近年来网络的普及，导致人群高密度区域——热点地区数据流量增长，UDN（Ultra Dense Network，超密集组网）技术在局部热点地区进行无线网络部署，以满足热点地区百倍量级的系统容量需求，这项技术是2020年以及未来移动数据流量需求的主要技术手段之一。

UDN的缺点也很明显：

（1）小区间的干扰问题（制约性能的主要因素），尤其是控制信道的干扰（可靠性）
（2）由于小区密度的增加导致基站间距减小，用户的切换次数和切换失败率上升
（对于第二点我自己之前有过自己的观察和研究，曾在一次集体讨论中提出了能否使用算法或者手动切换来解决基站间连接反复跳动导致信号不稳定的因素）

2、超密集组网干扰管理

小区间的干扰协调技术可以通过时域和频域或空域实现。

（1）静态频率复用（LTE系统）

优点：方法复杂度低、网络信令开销少、工程容易实现
评判标准：频率复用因子（和利用率成反比）

（2）动态频率复用（LTE系统）
可以根据干扰大小、网络负载大小、网络覆盖范围大小以及速率要求等条件进行动态修改频率复用

优点：有效提高系统性能、频谱利用率提高
缺点：开销增加、额外的协议支持、网络变得复杂，对于基础硬件有一定要求
实现方法：软频分复用
将用户划分为边缘用户和中心用户，再将可使用频带分成两类，针对不同用户使用不同频带

其他方法：（不是方法不好，是我自己没看懂）
（1）多小区协作：通过多个小区的基站联合处理信号，从而降低小区间干扰。分为上行多小区协作处理和下行多小区协作处理，目前重点在网络侧，也即是下行多小区协作处理。（用户可以接受到来自多个基站的信号）

（2）动态小区开关：将空负载或低负载的小区关闭，从而降低小区间的干扰，当小区有负载需求的时候，开启该小区。

串行干扰消除：

ZF-SIC(破零-串行干扰删除)
MMSE-SIC（最小均方误差-串行干扰删除）
（这部分也跳过，真看不懂了）

3、超密集组网移动性管理

针对UDN组网缺点中的第二点，由于小区间同频干扰大，导致切换失败率显著上升。

每宏小区部署10个pico cell（小型基站）时，3km/h，失败率>5%，30km/h，失败率高达24%

小区覆盖面积变小以及形状的不规则也同时导致乒乓切换发生的概率显著提升。

为了减小乒乓切换，切换门限往往配置得比较高，这就导致用户在进行切换的时候信道质量以及非常差了，造成了用户在移动过程中服务质量体验不一致的感受（失步、切换和重连）

解决方法：

（1）双连接

UE可以同时连接主小区组（MCG）和副小区组（SCG），虽然在一定程度上改善了移动通信的问题，但是需要消耗更多的RRC信令和X2接口信令。而且遗憾的时不适用于宏微同频部署场景。

（2）虚拟层

由密集部署的小基站构建成异构网络：虚拟层和实体层
虚拟层：承载广播、寻呼等控制指令，负责移动性的管理
实体层：承载数据传输用户在同一虚拟层移动时不会进行切换，仅进行实体小区的改变

实现方法：
单载波：通过不同的信号或信道构建虚拟多层网络
多载波：通过不同的载波构建虚拟多层网络，同一簇内不同小区在载波1使用相同的小区ID构建虚拟层，在载波2使用不同的小区ID构建实体层，空闲态用户驻留在载波1且不需要识别实体层载波2，用户使用载波聚合技术同时接入载波1和2，由载波1进行连接态用户管理
（3）虚拟小区

用户为中心的虚拟小区是指以移动的UE为中心，周围多个协作小区共同构建成一个虚拟小区为该用户提供服务。在UE移动过程中，包含在虚拟小区里的物理小区发生改变，但是虚拟小区ID可以保持不变，因此无需UE进行切换，从而数据传输不会中断。

4、超密集组网——软扇区技术

该方案利用集中式的大规模天线系统（整合到统一的网络管理平台），通过结合MIMO技术的灵活性和小区分裂技术的简洁性，半静态地赋型出多个具有小区特性的波束（物理小区ID和广播信息），在窄波束虚拟的小区上，用宽波束虚拟出宏基站的小区，形成异构网络拓扑。

5、天线阵列

EB/FD MIMO SI围绕天线阵列定义了三层映射关系：

（1）天线振子
（2）天线发射单元（TxRU）
（3）天线端口

（1）天线振子
天线阵列中最基本的物理单元。

位于阵列中不同位置的振子，其到达某一个和天线阵列不平行的给定平面的距离是不同的，因此不同天线振子发射出的同相位的电磁波到达该平面时就会产生相位差（导致在不同方向上有不同的图样）。

可以通过调节各个振子上发射信号的相位权值，可以实现改变天线阵列的能量主瓣方向，实现模拟波束赋型。

（2）无线发射单元（TxRU）
一个、多个、或者整行天线阵列构成一个TxRU。

从TxRU角度来看，单个TxRU可以只包含单列的天线振子，实现在垂直维度上调整形成的模拟波束，也可包含多于一列的振子，实现在水平和垂直两个维度的调整。

从天线阵列角度来看一列天线振子可以构成多个TxRU：

子阵列形式：每个TxRU只使用部分天线振子形成较宽的波束
全连接形式：每个TxRU都可以对整个天线阵列的权值进行调整，形成较窄的波束

（3）天线端口

一个或多个TxRU通过加权映射，在逻辑上构成系统层面上的天线端口。

通过在天线端口层面上进行预编码操作，可以实现更为灵活的数字波束赋型。

大规模天线是5G通信系统中最具有性能提升潜力的关键技术之一。

6、双工技术

（1）灵活双工
FDD（频分双工）和TDD（时分双工）。

针对FDD上下行非对称业务频谱利用率低的情况，提出了灵活双工技术。

灵活双工基于频域和时域的实现方案：

频域：将FDD系统中部分上行频带配置为“灵活频带”，在实际使用中根据上下行业务分布，自行分配
时域：将部分时隙灵活配置成用于下行或上行传输

（2）同时同频全双工技术（CCFD）

设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作，使得通信双方在上下行可以同时使用相同频率。

与目前的FDD，TDD相比，CCFD可以将无线资源利用率提升近一倍。

干扰消除技术：

(1)天线干扰消除
(2)射频干扰消除
(3)数字干扰消除

这三种干扰消除一起可以实现110dB的干扰消除，将扭曲在一起的信号分开。

P.S.软件无线电：利用RTL-SDR设备外加一根天线抓取信号

六、后记

物联网这个概念提出已经很久了，但是由于各种条件的限制，一直很多的概念没有落地，随着5G的普及，带来的大容量、低延迟网络以及网络切片、LPWA等概念，技术的提出，我相信我们处于一个大变革的时代，在不久的将来，科幻片的场景可能会一一实现，还是那句老话，物联网YYDS。

参考资料：
[1]柴玉辉,李炜.基于多小区协作的LTE小区间干扰处理[J].信息通信,2011(05):51-52.
[2]S^大话5G：走进万物互联新时代