G移动通信关键技术PPT课件.pptx

5G移动通信关键技术 袁东风信息科学与工程学院山东大学2014年12月12日 1 59 5G关键传输技术 5G新型网络架构 5G发展需求与挑战 相关研究基础 提纲 2 59 5G发展需求 移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大驱动力 3 59 5G发展需求 移动通信将持续快速发展 用户数 连接设备数 数据量均持续呈指数式增长 VNIGlobalMobileDataTrafficForecast2013 2018 Cisco 2014TheMobileEconomy GSMA 2014InternetofThings Cisco 2013IMT 2020Summit Samsung 2014 1EB 1000PB1PB 1000TB 4 59 5G发展需求 新型移动业务层出不穷 云操作 虚拟现实 增强现实 智能设备 智能交通 远程医疗 远程控制等各种应用对移动通信要求日益增加 5 59 5G发展需求 用户体验要求不断提升 千亿设备连接 无处不在 海量数据传输 大数据 所触即所得的用户体验 高QoE 6 59 5G发展需求 4G移动通信技术无法满足未来的业务和用户体验需求 移动发展需求与4G业务服务能力的对比 TU RWP5D TEMP 390 E 任何时间 Anytime 任何地点 Anywhere 的一致用户体验用户密集度高的区域高速移动场景极低时延需求 7 59 5G发展需求 5G移动通信技术研究已在全球全面开展 8 59 5G发展需求 中国IMT 2020 5G 推进组关键技术指标要求 5Gvs4G规模和场景十倍用户数密度增长百倍数据流量密度增长两倍移动速率增加数据率千倍单位面积容量增长百倍用户体验速率增长几十倍峰值传输速率增长时延十倍端到端延时降低能耗和成本百倍能效增加十倍谱效增加百倍成本效率增加 9 59 5G发展需求 5G关键性能指标与已有标准的对比 10 59 5G发展需求 多频段 多接入模式 小的覆盖半径给网络技术带来挑战 新型通信技术和高频段开发给半导体技术带来挑战 海量设备带来的能耗增加为绿色通信的要求带来挑战 信道在高速移动条件下的恶化和高频段信道的开发为高传输速率技术带来挑战 有限的频谱资源一直以来制约着无线通信系统性能提升 小区密集化以及移动设备的增加导致的干扰制约网络容量增长和传输速率增加 11 59 TDMAGSMNSS CDMATD SCDMAWCDMACDMA 2000GPRSCoreNetwork OFDM MIMOLTE AWiMAXSAE 5G 4G 3G 2G 5G发展需求 为了实现5G发展目标 需要什么关键技术 5G通信性能的提升不是单靠一种技术 需要多种技术相互配合共同实现 12 59 5G关键传输技术 5G新型网络架构 5G发展需求与挑战 相关研究基础 提纲 13 59 关键传输技术 总览 频谱拓展技术 频效提升技术 能效提升技术 覆盖增强技术 多址技术 用户调度 资源分配 用户 网络协作 超密异构组网D2D M2M 大规模天线 FBMC 空间调制 认知无线电 毫米波 可见光 绿色通信干扰管理 增加覆盖 增加信道 增加带宽 增加SINR 14 59 关键传输技术 1 认知无线电 2014年7月 国家无线电监测中心和全球移动通信系统协会发布 450MHz 5GHz关注频段频谱资源评估报告 给出了北京 成都和深圳等城市部分无线电频谱占用统计数字 统计结果表明 5GHz以下所关注频段大部分的使用率远远小于10 说明5GHz以下频段使用效率有大量的提升空间 为了提高频谱利用率 未来5G需要采用认知无线电技术 认知无线电 提高已分配频谱的利用效率 15 59 关键传输技术 2 频谱拓展技术 0 3GHz 6GHz 60GHz 2G 3G 4Gre farming WRC 15AI1 2candidatebandsbelow6GHz Potentialbandsabove6GHzfor2020 s WRC 15AI1 2 6GHz 频谱分配原则优先保障移动通信的频谱资源技术上可以实现连续500MHz带宽可用能与其他系统共存 16 59 关键传输技术 2 频谱拓展技术 高频段带宽资源尚待开发 60GHz频段毫米波 mmWave 30 300GHz 1 10mm 广义毫米波包含20 30GHz 10 400GHz频段大气衰减 卫星 军事 毫米波通信 开发高频段 毫米波可用于室内短距离通信 也可为5G移动通信系统提供Backhaul链路 17 59 关键传输技术 2 频谱拓展技术 毫米波通信技术目前已经实现10Gbps的传输速率据预测 未来毫米波通信速率可快于光纤速率 fasterthanfiber J Wells Fasterthanfiber Thefutureofmulti G swireless IEEEMicrowaveMagazine vol 10 pp 104 112 2009 40GHz以上频段分配的商用带宽达几十GHz 商用带宽分配 40GHz以下比较窄 要实现更高的传输速率 需要更高的载波频谱10GHz以下频段 仅能达到几十Mbps10 40GHz频段 仅能达到几百Mbps60 80GHz频段 可达1Gbps100GHz以上 可达10Gbps 毫米波通信 开发高频段 18 59 可见光通信 Visuallightcommunication VLC 关键传输技术 2 频谱拓展技术 可见光频谱带宽是无线电频谱带宽的万倍 380nm 780nm 可见光通信在5G中可用于室内短距离通信 车联网通信 水下通信等 19 59 关键传输技术 2 频谱拓展技术 已有研究表明 光attocell的谱效比射频Femtocell的谱效最高提升近3个数量级 H Haas High speedwirelessnetworkingusingvisiblelight SPIENewsroom 2013 可见光通信可显著改善室内通信传输速率 Attocell和Femtocell的单位面积频谱效率 ASE 比值 测试条件 3层办公楼被7个LTE宏基站包围 楼层间损耗FL 17dB 内墙损耗为12dB 外墙损耗为20dB 红色小点表示Attocell的可见光基站 绿色菱形表示Femtocell的射频基站 可见光通信 VisualLightCommunication VLC 20 59 关键传输技术 3 大规模天线技术 4G 3GPPLTE A标准 4G 3GPPLTE标准 5G 3G WCDMAHSPA 标准 大规模天线 基站使用大规模天线阵列 几十甚至上百根天线 支持SISO 2 2MIMO 4 4MIMO 下行峰值速率100Mb s 支持2 2MIMO 下行峰值速率42Mb s 最多支持8 8MIMO 下行峰值速率1Gb s 3G WCDMAHSPA标准 只能使用SISO 下行峰值速率7 2Mb s MIMO技术的演进 21 59 关键传输技术 3 大规模天线技术 何为大规模天线 大量天线为相对少的用户提供同传服务 系统容量 10倍 100倍 能量效率 发射能量 1 为基站天线数目 大规模天线 有效提高谱效率 大规模天线被公认为5G关键技术之一 22 59 关键传输技术 3 大规模天线技术 大规模天线应用场景 中心式天线系统适用于宏蜂窝小区 中心基站使用大规模天线微小区为大部分用户提供服务 而大规模天线基站为微小区范围外的用户提供服务 同时对微小区进行控制和调度 demo NTTdocomo 23 59 关键传输技术 3 大规模天线技术 大规模天线应用场景 分布式天线系统多根天线分布在区域内联合处理 C RAN 适用于高用户密度或者室内场景 24 59 关键传输技术 4 新型传输波形技术 OFDM传输波形技术OFDM是当前Wi Fi和LTE标准中的高速无线通信的主要传信模式 OFDM是未来5G的关键传输波形技术 其性能仍有提升空间 Channel Noise Transmitter Receiver 25 59 关键传输技术 4 新型传输波形技术 新型传输波形技术 滤波器组多载波 Filterbankmulticarrier FBMC Channel Noise Transmitter Receiver 用滤波器组替代CP对载波频偏不敏感提高了频效和能效 传统OFDM功率谱 FBMC功率谱 除了FBMC外 还有多种波形改进技术 如time FrequencyPacking sparsecodemultipleaccess generalizedfrequencydivisionmultiplexing等各种改进的传输波形技术为5G性能提升提供多样选择 G Wunder P Jung M Kasparick T Wild F Schaich C Yejian etal 5GNOW non orthogonal asynchronouswaveformsforfuturemobileapplications IEEECommunicationsMagazine vol 52 pp 97 105 2014 V Vakilian T Wild F Schaich S tenBrink andJ F Frigon Universal filteredmulti carriertechniqueforwirelesssystemsbeyondLTE inproc IEEEGlobecomWorkshops 2013 pp 223 228 26 59 关键传输技术 5 非正交多址接入技术 1G 2G 3G 4G 正交多址接入技术已有通信标准都采用正交接入技术 27 59 关键传输技术 5 非正交多址接入技术 1G 2G 3G 4G 正交多址接入技术已有通信标准都采用正交接入技术 SNR1 20dB 强用户 SNR2 0dB 弱用户 正交接入方案一般来说是次优的 仅在C点达到和容量最大 但是在该点 用户2 弱用户 获得的速率很小 因此对弱用户而言不公平 最优容量区域 正交方案可达速率区域 利用正交多址无法保证容量最优和用户公平 28 59 复杂度 Complexity 容量 Capacity 关键传输技术 5 非正交多址接入技术 非正交多址接入 Non orthogonalMultipleAccess NOMA 29 59 关键传输技术 6 先进编码与调制技术 编码调制技术的演进 30 59 4发射天线QPSK空间调制星座图 关键传输技术 6 先进编码与调制技术 空间调制 SpatialModulation SM 以天线的物理位置来携带部分发送信息比特 将传统二维映射扩至三维映射 提高频谱效率 每时隙只有一根发射天线处于工作状态 避免了信道间干扰与天线同步发射问题 且系统仅需一条射频链路 有效地降低了成本 31 59 根据信息论 非高斯干扰可实现更高传输速率 关键传输技术 6 先进编码与调制技术 频率正交幅度调制 FrequencyQuadrature amplitudeModulation FQAM 将频移键控 FSK 与正交幅度调制 QAM 相结合 提高频谱效率 用于多小区下行链路中 能够提高小区边缘用户的通信质量 32 59 1 国家电网公司 两会 工作报告摘要 2010年 2 全力构建绿色网络 中国移动通信研究院 2010年11月 3 StudyonEnergyEfficientRadioAccessNetwork EERAN Technologies TUDresdenandVodafone 2009 4 NewGenerationNodeB 华为 2010 2009年 三大运营商的能耗总量折合为440 7万吨标准煤 其中80 以上是电力消耗 达到290亿度 相当于2个大亚湾核电站的年发电量 关键传输技术 7 能效提升技术 33 59 HowtoapproachGREENwhilecarrying1000Xtraffic 关键传输技术 7 能效提升技术 34 59 关键传输技术 7 能效提升技术 资源域 用户域 业务域 码域 CDMA 能量域 POWER 时域 TDMA 频域 OFDM 空域 MIMO 语音 VOIP 非实时数据 FTP 实时数据 WEB 多媒体 MMS 组播 广播 VOIP 应用层 网络层 物理层 多域协同无线资源管理 35 59 关键传输技术 7 能效提升技术 网络资源与动态用户行为和业务需求自适应匹配 Tango Traffic awarenetworkplanning greenoperation 自适应于业务分布 时间和空间的非均匀分布 自适应于业务特征 单播 多播 广播 自适应于服务质量需求 QoS 实时 非实时 满足用户QoS 提高能效 Z Niu TANGO Traffic AwareNetworkPlanningandGreenOperation IEEEWirelessCommun vol 18 pp 25 29 Oct 2011 36 59 关键传输技术 7 能效提升技术 跨层优化 资源调度高效利用有限资源跨层资源联合调度 跨网优化 协作通信减少竞争 增加合作跨网资源联合优化配置 CHORUS Collaborative HarmonizedOpenRadioUbiquitousSystem 提升用户体验 降低能量消耗 CHORUS S Zhou Z Niu P Yang andS Tanabe CHORUS aframeworkforscalablecollaborationinheterogeneousnetworkswithcognitivesynergy IEEEWirelessCommunications vol 20 pp 133 139 2013 37 59 关键传输技术 8 网络覆盖增强技术 密集组网 UDN 异构结构 HetNets 中心式云后台 Cloud 是5G网络整体架构的共识 密集 异构 中心式云后台 使无线通信回归到 最后一公里 拉近用户与天线的距离 提高速率增强服务覆盖面积 大量不同级小区重叠 Macro Micro Pico Femto 不同制式的网络重叠 Cellular Wi Fi D2D CR M2M RemoteRadioHead RRH 与基带处理单元分离SDN网络实现协议接口基带信号资源的集中化管理与调度 38 59 关键传输技术 8 网络覆盖增强技术 应用场景 DHS Dense Heterogeneous Seperated C X Wang F Haider X Gao X H You Y Yang D Yuan H Aggoune H Haas S Fletcher andE Hepsaydir Cellulararchitectureandkeytechnologiesfor5Gwirelesscommunicationnetworks IEEECommun Mag vol 52 no 2 Feb 2014 室内室外分离室内利用短距离传输技术 可显著减少信号衰落 提升传输速率毫米波和可见光可被墙壁阻挡 显著降低小区间干扰室内设备不会对室外设备造成干扰 截至2014年12月11日 被引用32次 谷歌学术 39 59 5G关键传输技术 5G新型网络架构 5G发展需求与挑战 相关研究基础 提纲 40 59 新型网络架构 网络架构思路变革 41 59 新型网络架构 一体式 All in one 基站结构 2G 3G 42 59 RadioNetworkController OS 新型网络架构 NetworkManagement OS 4G数据 控制平面分离控制中心化 NetworkManagement OS NetworkManagement OS Cloud 5G虚拟化IaaS大数据 2G 3G一体式基站传统互联 43 59 新型网络架构 C RAN云架构RRU替代物理基站光纤互联中心式处理高性能多点协作接入实时信息处理低成本低建设成本低维护成本 C RAN无线接入网绿色演进白皮书 v2 5 2011 44 59 新型网络架构 2010年由中国移动首次提出已在中国珠海 吉林 长沙 青岛等地试点 安捷伦Intel IBM 中兴华为 NGMN IEEEGlobeComIEEEICCIEEEWCNCCHINACOM 45 59 新型网络架构 Cloud 网络设备虚拟化 46 59 新型网络架构 VirtualBSPool REPE REPE 5G4GWi Fi 5G 5G 5G 网络结构虚拟化云端的虚拟基站集群构成虚拟网络 利用SDN技术动态优化网络结构 47 59 新型网络架构 IaaS 资源开放 大数据 云计算 IaaS 对用户而言 网络是透明的 用户只需要提出需求及相应的QoS 网络就会以最低的成本提供相应的服务 虚拟化 48 59 新型网络架构 IaaS工作过程 1用户向网络提