新一代移动通信技术9-2-5G时代的无线需求及技术发展探索

1、 2移动通信系统发展中的颠覆性技术移动通信系统发展中的颠覆性技术v 移动通信系统每一次更新换代移动通信系统每一次更新换代都有都有颠覆性技术引领颠覆性技术引领1G2G3G4G5G大区制到蜂大区制到蜂窝，窝，FDMA接入接入模拟到数字，模拟到数字，TDMA接入接入单一话音到多单一话音到多媒体，媒体，CDMA接入接入OFDM-MIMO，空域资源空域资源利用利用？：频谱，？：频谱，接入，组网接入，组网容量容量话音业务话音业务和容量和容量多媒体业多媒体业务和容量务和容量高速高质高速高质多媒体业多媒体业务和容量务和容量容量，能容量，能耗，业务耗，业务v 移动通信系统每一次更新换代移动通信系统每一次更新换代

2、都都解决了当时的最主要需求解决了当时的最主要需求31G：模拟蜂窝：模拟蜂窝+FDMAPowerFrequencyTimeFDMA 至交换中心 MS 1 MS 2 3080 公里 高功率天线 MTSOv 高功率（高功率（200200250w250w）的发射天线）的发射天线v 几百甚至上千平方公里的范围的覆盖几百甚至上千平方公里的范围的覆盖 v 每个大区的可用信道数很少每个大区的可用信道数很少 v 蜂窝系统是一种革命性的变革蜂窝系统是一种革命性的变革 v 提高了频谱利用率和系统的服务质量提高了频谱利用率和系统的服务质量 v FDMA：每个用户占用一个频率：每个用户占用一个频率v 特点：特点： 以频

3、率复用为基础，以频带划分小区以频率复用为基础，以频带划分小区 频率受限，需要严格的频率规划频率受限，需要严格的频率规划 以频道区分用户地址以频道区分用户地址大区制大区制蜂窝蜂窝最主要需求：最主要需求：系统容量系统容量42G：数字技术：数字技术+TDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMA数字化技术数字化技术，如数字语音编码技术，是，如数字语音编码技术，是2G移动通信的主要突破移动通信的主要突破v 意义意义：提高通话质量（数字化信道编码纠错）提高通话质量（数字化信道编码纠错）提高频谱利用率（低码率编码）提高频谱利用率（低码率编码）提高系统容量（低码率，语音激活技术）提高系统容量

4、（低码率，语音激活技术）v TDMA: 每个用户占用一个时隙，提每个用户占用一个时隙，提高系统容量高系统容量v 特点：特点： 以频率复用为基础，小区内以时隙以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户区分用户 每个时隙传输一路数字信号，软件每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置对时隙动态配置最主要需求：高质量话音，系统容量最主要需求：高质量话音，系统容量53G：Turbo码码+CDMAv Turbo码码 90年代以前，主流的前向纠错技术是年代以前，主流的前向纠错技术是线性分组码和卷积码线性分组码和卷积码，其性能，其性能与与Shannon在在1948年提出的理论可达限之间存在较大距离。年提出的理

5、论可达限之间存在较大距离。 1993年，年，C.Berrou等人提出了等人提出了Turbo码，彻底颠覆了所有人们认为成码，彻底颠覆了所有人们认为成功的纠错码所要具备的因素功的纠错码所要具备的因素。在复杂度可控的译码器的协助下。在复杂度可控的译码器的协助下,达到达到了近了近Shannon限的性能。限的性能。 Turbo码在码在3G的应用，使得的应用，使得3G能够支持多媒体业务能够支持多媒体业务，打破了，打破了2G只支只支持话音和短消息业务的局限。持话音和短消息业务的局限。FrequencyCDMAPowerTimev CDMA：每个用户使用一个码型，：每个用户使用一个码型，频率频率/时间共享时间

6、共享v 特点特点 每个码传输一路数字信号每个码传输一路数字信号 每个用户共享时间和频率每个用户共享时间和频率 软容量、软切换，系统容量大软容量、软切换，系统容量大最主要需求：多媒体业务，系统容量最主要需求：多媒体业务，系统容量64G：OFDM-MIMO+空分多址空分多址SDMA最主要需求：高质量多媒体业务，更大系统容量最主要需求：高质量多媒体业务，更大系统容量6u MIMO：多根发射天线与多根发射天线与多根接收天线多根接收天线p 打破利用时、频、码三维打破利用时、频、码三维资源传输数据的局限，有资源传输数据的局限，有效开发了新的效开发了新的空域资源空域资源。p 基于基于MIMO的的SDMA进一

7、进一步提高频谱效率。步提高频谱效率。u OFDM：多多个低速数据流个低速数据流同时调制在相互正交同时调制在相互正交的子的子载波上传送载波上传送，适用于无线，适用于无线宽带信道下的高速传输。宽带信道下的高速传输。与与CDMA相比，相比，OFDM传送数据的传送数据的速度更快速度更快，并且能够更好地对抗无，并且能够更好地对抗无线传输环境中的多径效应。线传输环境中的多径效应。7容量需求和频谱短缺矛盾突出容量需求和频谱短缺矛盾突出v 容量需求：根据预测，随着智能终端普及和数据业务增长，移容量需求：根据预测，随着智能终端普及和数据业务增长，移动通信业务量未来每年会以动通信业务量未来每年会以近一倍近一倍的速

8、度增长，的速度增长，未来未来10年数据业年数据业务将增长务将增长1000倍倍。v 频谱短缺：频谱短缺：FCC预测，预测， 2014年移动数据业务的增长将导致巨大的年移动数据业务的增长将导致巨大的频谱频谱赤字，达赤字，达300MHz。Source: FCC 2010频谱短缺和容量需求的矛盾需频谱短缺和容量需求的矛盾需要技术和策略的突破要技术和策略的突破85G：颠覆性技术在哪里？：颠覆性技术在哪里？需要技术和策略需要技术和策略突破突破5G：解：解决三个主决三个主要问题？要问题？容量不足容量不足能耗高能耗高提升用户体验提升用户体验v 频谱利用频谱利用v 无线接入无线接入v 无线传输无线传输v 无线组

9、网无线组网v 业务与终端业务与终端产生颠覆产生颠覆性技术的性技术的五个方向五个方向9问题问题1：容量不足：容量不足v移动通信的发展史表明，移动通信的发展史表明，容量不足容量不足一直是无线通信一直是无线通信系统发展中的主要问题系统发展中的主要问题v5G面临更大容量需求和频谱赤字面临更大容量需求和频谱赤字： 根据预测，至根据预测，至2020年无线网络容量增长达年无线网络容量增长达1000倍倍v如何满足如何满足1000倍的容量增长需求？倍的容量增长需求？ （1）更多频谱更多频谱3 （或（或10 ,4 ） （2）更高频谱效率更高频谱效率6 (或或 10 ,12 ) 无线接入无线接入 无线传输无线传输

10、（3）更多基站更多基站（更小小区）（更小小区）50 (或或10 ,10 )解决思路解决思路更多频谱10新频段技术更高频谱效率10无线传输和接入更多基站（更小小区）10无线网络架构革新新技术新频谱新体制蜂窝WLAN广播卫星新频段q优良频率资源匮缺q网络独立，建设成本巨大q通信效率提升遭遇“收益递减法则”q再过10年怎么办！？需要技术和体制的革新解决思路解决思路更多频谱10新频段技术异构协同10无线网络架构革新蜂窝WLAN广播卫星新频段互联网异构协同：建立高效、开放、可扩展、可信、智能的无线网络体制需要技术和体制的革新高效协作用户新技术新频谱新体制更高频谱效率10无线传输和接入总体规划总体规划新技

11、术新频谱新体制新频段通信技术新型无线通信网络架构高效无线通信技术更多频谱300MHz新频段技术异构协同60无线网络架构革新更高频谱效率6无线传输和接入13提高容量（提高容量（1）更多频谱更多频谱v新频谱开发：主要是较高频段，适合更小小区新频谱开发：主要是较高频段，适合更小小区 615GHz空间隔离性好空间隔离性好 60GHz毫米波毫米波有较高的频宽，但穿透性较差有较高的频宽，但穿透性较差v白频谱白频谱v可见光通信可见光通信v频谱共享频谱共享智能频谱利用智能频谱利用重点建议：智能频谱利用重点建议：智能频谱利用基础：新频谱电波特基础：新频谱电波特性的测量与建模性的测量与建模14传统静态频谱分配策略

12、与挑战传统静态频谱分配策略与挑战v 传统静态频谱分配策略传统静态频谱分配策略 行政指派或拍卖方式，静态使用行政指派或拍卖方式，静态使用。v 面临的挑战面临的挑战 挑战挑战1 1：频谱利用存在：频谱利用存在不均衡问题不均衡问题 挑战挑战2 2：存在时：存在时- -频频- -空空多维频谱空洞多维频谱空洞 挑战挑战3 3：频谱利用效率较低频谱利用效率较低现有频谱分配殆尽北邮频谱北邮频谱测量结果测量结果显示北京显示北京频谱利用频谱利用存在存在空洞空洞英国广播英国广播电视频段电视频段频谱利用频谱利用存在存在不均不均衡问题衡问题美国芝加哥美国芝加哥地区地区30MHz-30MHz-3GHz3GHz频谱利频谱

13、利用率较低用率较低，仅为仅为5.2%5.2%15动态频谱分配策略动态频谱分配策略打破传统静态频谱分配方法的局打破传统静态频谱分配方法的局限，结合限，结合时时- -频频- -空多维频谱的动空多维频谱的动态分配态分配，促进频谱资源利用能够，促进频谱资源利用能够智能化，以使其使用更高效灵活智能化，以使其使用更高效灵活，从而提高从而提高频谱利用效率频谱利用效率。频谱紧缺频谱浪费频谱紧缺与频谱频谱紧缺与频谱浪费是浪费是一对矛盾，一对矛盾，如何提升频谱利如何提升频谱利用效率？用效率？频谱利用频谱利用不均衡不均衡，存在频谱，存在频谱空洞空洞，频谱，频谱利用效率低利用效率低解决方法动态频谱16v 频谱分配从静

14、态转变为动态方式将频谱分配从静态转变为动态方式将面临多方面挑战面临多方面挑战动态频谱分配策略面临的挑战动态频谱分配策略面临的挑战政策监管部门政策监管部门电信运营商电信运营商设备制造商设备制造商频谱分配政策由频谱分配政策由固定分配固定分配与行政与行政指派向指派向动态频谱动态频谱分配分配政策转变，政策转变，将将面临政策和法面临政策和法规制定的挑战规制定的挑战频谱管理将更加频谱管理将更加智能与灵活智能与灵活，设，设备认证管理及非备认证管理及非法设备核查能力法设备核查能力提升的挑战提升的挑战如何智能、高如何智能、高效效协调协调授权的授权的静态频谱和动静态频谱和动态分配的态分配的频谱频谱使用使用如何对具

15、备动如何对具备动态频谱功能的态频谱功能的终端设备终端设备进行进行网络接入过程网络接入过程的有效的有效管理和管理和控制控制如何升级现有如何升级现有核心网、接入核心网、接入网设备以网设备以支持支持认知等新功能认知等新功能如何对终端和如何对终端和基站的基站的射频模射频模块进行工作频块进行工作频段的扩展段的扩展、如、如何设计何设计高性能高性能的滤波器的滤波器17提高容量（提高容量（2）更高频谱效率：多址接入更高频谱效率：多址接入v多址技术是移动通信系统升级换代的核心之一多址技术是移动通信系统升级换代的核心之一 1G：频分多址（：频分多址（FDMA） 2G：时分多址（：时分多址（TDMA） 3G：码分多

16、址（：码分多址（CDMA） 4G：空分多址（：空分多址（OFDMA+SDMA）v4G以以OFDM-MIMO为核心的为核心的OFDMA和和SDMA具具有很强的生命力有很强的生命力v新型无线接入的尝试：非正交？新型无线接入的尝试：非正交？趋势：单一资源到趋势：单一资源到多维资源联合使用多维资源联合使用,提高资源利用率提高资源利用率频率频率时间时间功率功率FDMA频率频率时间时间功率功率TDMACDMA时间时间频率频率功率功率1G2G3G4Gv 大规模MIMO信道建模与分析信道信息获取（相应导频设计）协调多用户联合资源调配能耗问题天线配置、基站选址导频污染高效传输方法（如预编码方案）v 3D MIM

17、O电磁波的传输平面增加俯仰角，进一步扩展空间自由度v 无线网络的干扰管理和容量研究构建多维干扰状态模型分析干扰和网络容量的关系智能动态干扰管理机制大规模MIMO3D MIMO提高容量（提高容量（2）无线传输新技术无线传输新技术19基于电磁波角动量特性的新型无线传输技术基于电磁波角动量特性的新型无线传输技术v 无线传输的媒介是电磁波，而无线传输的媒介是电磁波，而新的电磁波物理特性新的电磁波物理特性的利的利用可能带来无线通信的时代变革用可能带来无线通信的时代变革v电磁涡旋起源于1992年荷兰物理学家L.Allen对光子携带轨道角动量的发现。英国格拉斯哥大学天文物理系Gibson等人在2004年提出

18、将轨道角动量应用于光通信，并证实了能够充分利用不同的OAM状态实现多信道独立调制同频传输。2G3G4G后后4G9.6K2M1G10GT？20电磁涡旋无线传输技术电磁涡旋无线传输技术电磁涡旋无线传输技术电磁涡旋无线传输技术电磁涡旋波的产生v 电磁涡旋波可由调制后携带信息的普通波通过波束扭转方法得到。v 将电磁涡旋波恢复为普通调制信号的过程可以理解为“逆涡旋”电磁涡旋无线传输技术电磁涡旋无线传输技术q国内外研究进展验证演示系统v 瑞典物理研究所的Bo Thid教授和意大利帕多瓦大学Fabrizio Tamburini教授等人在2010-2011年对电磁涡旋技术用于无线传输进行了实验。该实验采用抛物

19、面天线和八木天线发收，成功的在意大利威尼斯的河两岸实现了442m的无线传输，验证了电磁涡旋无线传输技术的可行性。实验场景图电磁涡旋无线传输技术电磁涡旋无线传输技术q电磁涡旋应用于无线通信的挑战v 传播环境要求严格：当无线传播中出现大气湍流、阻挡物等不利传播条件时，会改变波束扭转角度，对电磁涡旋造成影响。v 高效的电磁涡旋波产生与接收：如何设计发射和接收电磁涡旋波天线将会是一个挑战。v 发送和接收电磁涡旋波的方向性要求严格：v 电磁涡旋波状态的高效检测：如何对大量的电磁涡旋波状态进行有效分离和检测，是应用于无线通信所面临的核心挑战之一。应用前景应用前景q固定无线通信：如无线中继间通信。q深空通信

20、或近地通信：如卫星间通信。q移动通信：如能解决电磁涡旋波的方向性、天线、大气湍流、多径、电磁涡旋波操控性和高效产生和接收等问题，则其可以用于移动通信。全双工通信技术全双工通信技术在现有基础上，理论上信道容量提升1倍多天线对消方案v 时分双工上下行链路同频，分时v 频分双工上下行链路分频，同时v 全双工上下行链路同频，同时目前国外已建立试验平台，国内开展研究较少信息密度均匀高度不均匀下的信息密度均匀高度不均匀下的异构无线网络异构无线网络提高容量（提高容量（3）更多基站（更小小区）更多基站（更小小区）27信息密度概念信息密度概念 信息密度：单位面积发送，接收或经过的信息量，分别指导容量分布，资源分

21、配和路由的研究 网络分布与用户信息密度匹配，实现资源精准匹配。 定义“无线组网信息密度”概念， 即“在任何一个点为中心的邻域覆盖范围内，用户可以通过该点透明地传输数据的速率”。 未来的组网架构要支持增长如此巨大的业务量，其基本特征必然是异构的多网接入，它将是“密度不均匀性” 的组网架构。p 信息密度非均匀新组网架构面临的主要问题28信息密度非均匀下的异构信息密度非均匀下的异构无线组网新技术无线组网新技术问题1:异构无线网络如何协同工作问题2:复杂环境下信道如何建模问题3:异构非均匀业务需求环境下如何高效传输29特征提高容量的关键技术网元构成实质密度均匀的蜂窝小区小区变小/分裂/方向性天线/无线

22、资源管理同构，控制与业务平面一体业务单一密度准均匀的协作式组网（群小区，CoMP）小区变小/多天线/小区边缘协作/无线资源管理/协作天线管理同构为主，控制与业务平面一体优先提高小区边缘速率来提高全网速率密度不均匀的多域异构小区大小区、小小区并存/多单天线并存/小区边缘协作与热点并存/蜂窝通信与无线接入并存/多域资源管理异构融合，将控制与业务平面分离保证小区边缘速率，通过热点覆盖大幅度提高全网速率无线组网演进三个重要阶段无线组网演进三个重要阶段30后后4G：颠覆性技术在哪里？：颠覆性技术在哪里？需要技术和策略需要技术和策略突破突破后后4G：解决三个解决三个主要问题？主要问题？容量不足容量不足能耗

23、高能耗高提升用户体验提升用户体验v 频谱利用频谱利用v 无线接入无线接入v 无线传输无线传输v 无线组网无线组网v 业务与终端业务与终端产生颠覆产生颠覆性技术的性技术的五个方向五个方向科技部科技部863 5G立项立项国际上面向国际上面向5G的研究计划已逐步启动：的研究计划已逐步启动： 2020年无线网络容量增长达年无线网络容量增长达5001000倍，产业需求巨大倍，产业需求巨大 ITU-R已于已于2010年完成年完成4G系统的标准制定，系统的标准制定，5G系统的研究已系统的研究已提上日程；提上日程；3GPP已于已于2012年底开始针对下一代移动通信系统年底开始针对下一代移动通信系统的的Rele

24、ase12版本研究，提前谋求版本研究，提前谋求5G布局布局 欧盟将投资总计欧盟将投资总计2700万欧元资助研究万欧元资助研究2020年及未来的下一代年及未来的下一代无线移动通信系统无线移动通信系统METIS计划计划 美国国家宽带计划，到美国国家宽带计划，到2020年超过年超过1亿的美国家庭可以获得至亿的美国家庭可以获得至少少50Mbps/100Mbps的宽带接入速度，预算将超的宽带接入速度，预算将超72亿美元亿美元 因此，必须引领下一代移动通信技术发展，以满足产业需求，因此，必须引领下一代移动通信技术发展，以满足产业需求，实现我国实现我国“十二五十二五”规划对发展新一代信息技术的战略要求。规划对发展新一代信息技术的战略要求。32核心问题：无线带宽瓶颈核心问题：无线带宽瓶颈v移动通信的发展史表明，移动通信的发展史表明，容量不足容量不足一