教案--面向5G的毫米波移动通信

1、第三页:回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术 来定义。1978年，美国首先在芝加哥开始了关于全球第一个虫!窝移动通信系统AMPS:AdvancedMobile Phone Service高级移动电话服务系统，开启了 1G时代，该时段的系统采用频分 多址，只能提供模拟语音业务，数据率仅为2.8kbps56kbps ; 2G时代中全球移动通信系统(Global System for Mobile communications)的空中接口采用时分多址技术。GSM 较之它以前的标准最大的不同是它的 伍史和语音信道都是数字式的,可提供数字语音和低速数据 业务，

2、这时候都可发短消息了 ，但仍然是窄带的；2000年开始部署了 3G, 3G以码分多址为 技术特征，同时采用多输入输出技术增加系统的吞吐率，此时的用户峰值速率提升到2Mbps至数十Mbps ,可以支持多媒体宽带数据业务。为了提供移动业务，到 2010年，正式部署 了第四代移动通信，4G的空中技术是在 3.9G中演进的，将OFDM与FDMA结合，以正交 频分多址技术为核心，用户峰值速率提升到100Mbps至1Gbps ,能够支持各种移动宽带数据业务。前几代都是基于演进的，并且向后兼容后一代，4G相比5G就如同龟兔赛跑，面向2020年及未来5G ,将很大程度上提高传输速率。2015年工信部发表第五代

3、移动通信的发展时间表，预计将在2018年将完成技术规范，2020年正式商用。工信部电信研究院发表的5G无线技术架构白皮书也预示着我国在5G的研发进入标准制定阶段。中国5G官方推进组负责人曹淑敏讲到，我们已经从最初的概念、 需求、场景逐渐走向了用合适的技术去满足这些需求。第四页1G4G 阶段里的重要专利技术几乎被美国的高通、爱立信垄断，中国一直处于落后状态！比如在 3G 时代，中国虽然自主研发了TD-SCDMA ，但是技术上依然无法与其相提并论。即便到了4G 时代，中国TD-LTE 有了一定的突破，但是其核心长码编码Turbo 码和短码咬尾卷积码，都不是中国原创的技术。这就导致美国高通动不动就控

4、告你侵权，索取额外专利费。4G 和 5G 相比，简直就如同龟兔赛跑！第五页随着 4G 进入规模商用阶段，第五代移动通信成为全球研究热点。面向 2020 年及未来，移动互联网和物联网将成为移动通信发展的主要驱动力。以用户为中心，提出了未来5G 的总体愿景， 总共包含三层，第一层将满足用户的居住生活，比如说人们的穿戴式设备中的眼镜、手表， 手环等， 用户移动终端多样化的互联网业务。第二层将为用户提供极佳的交互式体验，带来身临其境的信息，比如说日常生活中的智能家具，VR 增强现实的体验、观看超高清体育赛事，在外也能连接办公室电脑，打印机的在线云端。相比4G ， 5G 除了提供移动互联网之外，更加渗透

5、到物联网及各种行业领域中，与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样化业务需求，实现真正的“万物互联”。第六页5G 将满足信息随心致，万物触手及的总体愿景，要解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战，不同应用场景面临的性能挑战有所不同，性能指标和效率需求共同定义了5G的关键能力，犹如一株绽放的鲜花。红花与绿叶相辅相成，其中花瓣代表了5G 的六大性能指标， 体现了 5G 满足未来多样化业务与场景需求的能力，而花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶则代表了三个效率指标。其中有8 个被 ITU 接受。5G 关键能力比前几代移动通信更加丰富，用户体验速率、连接

6、数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G 的关键性能指标。1 用户体验速率：在真实网络环境下用户可获得的最低传输速率。在信道条件好的情况下，要求用户能达到1Gbps 的下行速度，8K（ 3D ） 视频经过百倍压缩后传输速率大约为1Gbps ，这样我下载一部高清电影只需要1 秒；相反而在小区边缘覆盖与信号复杂的区域，信道条件变差，但也要求达到100Mbps 的下行速率。相比 4G 百兆的下载速率明显提升。与以往只强调峰值速率的情况不同，业界普遍认为用户体验速率是5G 最重要的性能指标，它真正体现了用户可获得的真实数据速率，也是与用户感受最密切的性能指标。2 连接数密度：现在若是在大型集

7、会、开展体育赛事、开演唱会、密集的商业中心，通常采用临时基站，到了5G 每平方公里能同时连接百万个用户，这样就不需要安装临时的基站。3 端到端时延：未来5G 将实现智能交通，无人驾驶，那么对端到端时延需要小于1 毫秒，有利于物联网的可靠传输4 移动性：高铁信号不稳定、总是断线，飞机上还不能进行无线连接，未来5G 就可以解决高速移动情况下的连接，速度能达到500+KM/H 。5 峰值速率：单用户可获得的最高传输速率。一份全扫描的CT 图像， 只需要数秒便能传输，理论上 5G 峰值能达到10Gbps6 流量密度：5G 的流量密度能达到数十Tbps/ 平方公里，大大优化了频谱的利用。从未来最具挑战性

8、的流量需求出发，结合 5G 可用的频谱资源和可能的部署方式，经测算可得出5G系统的频谱效率大约需要提高515倍。从我国移动数据流量的增长趋势出发，综合考虑国家节能减排规划和运营商预期投资额增长情况，预计 5G 系统的能源效率和成本效率也需要有百倍以上的提升。频谱效率、能耗和成本是移动通信网络可持续发展的三个关键因素。为了实现可持续发展，5G 系统相比4G 在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要得到显著提升。频谱效率需提升 515 倍，能源效率和成本效率均要求有百倍以上提升。5G 是面向 2020 年及未来的移动互联网和物联网业务需求，5G 重点支持连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延

9、高可靠四个主要技术场景，密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等核心技术，将采用大规模天线阵列、超通过新空口和4G 演进两条技术路线，实现Gbps 用户体验速率，并保证在多种场景下的一致性服务。第七页5G 典型场景涉及未来人们居住、工作、休闲和交通等各种区域，特别是密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等，从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战可归纳为连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四种典型的场景。其中快速路和城区属于广域覆盖场景，它是移动通信最基本的覆盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。该

10、场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣环境）为用户提供100Mbps 以上的用户体验速率。室内办公环境、住宅的小区属于局部的热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。1Gbps 用户体验速率，数十Gbps 峰值速率和数十Tbps/km 2的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。第八页低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是 5G 新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持物联网及垂直行业应用。主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火和车辆网、工业控制等应用需求。1. 低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境检测、智能农业、森林防火等

11、以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广，数量众多，不仅要求网络具有超千亿连接的支持能力，满足100 万 /km 2 连接密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。2.低延时高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100% 的业务可靠性保证。第九页在 5G 之前，无线通信技术的主要发展方式是演进，也就是基于前一代，向后兼容前一代。但是未来的5G 移动通信不同，为了提供远远超过4G 的传输速率，需要新的革命性技术。5G 中四个典型技术场景具有

12、不同的挑战性指标需求，在考虑不同技术共存可能性的前提下，需要合理选择关键技术的组合来满足这些需求。下面我们将5G 中的一种关键技术毫米波通信。1. 在广域覆盖场景，受限于站址和频谱资源，喂了满足100Mbps 用户体验速率需求，除了需要尽可能多的低频谱资源外，还需要大幅度提升系统频谱效率。大规模天线阵列是其中最主要的关键技术之一，新型多只技术可与大规模天线阵列相结合，进一步提升系统频谱效率和多用户接入能力。2.在热点高容量场景，极高的用户体验速率和极高的流量密度是该场景面临的主要挑战，超密集组网能够有效地复用频率资源，极大提升单位面积内的频率复用效率。全频接入能够充分利用低频和高频的频率资源，

13、实现更高的传输效率，大规模天线、新型多址等技术与前两种技术相结合，可实现频谱效率的进一步提升。第十页无线信号通过电磁波传播，1G4G 采用了 300MHz3GHz 的低频段，而5G 将频谱分为低频段和高频段。6GHz 以下的低频段主要是以现在的4G LTE 为基础演进；而 6GHz 以上是高频段，也就是微波毫米波，它是全新的、革命性的，特别是应用极少的毫米波。30GHz300GHz 频段是业界公认的毫米波频段，对应的波段是110mm.2015 年 FCC 提议将 28GHz 用于小蜂窝通信，6471GHz 频段的 7GHz 带宽用于短距离的室内热点场景。第 11页毫米波频段的优点是可以实现超宽

14、带，可以很轻松地实现超高的传输速率；但是挑战也很大，第一个是传播损耗：1：传输损耗与频率的平方成正比，高频段损耗大。针叶、降雨损耗也随频率增加而增加。2：与低频段通信最大的差别在于毫米波的波长短，使其传播距离近，容易受到墙面、物体和人等障碍物的阻挡，针对这些传播损耗，最好的解决方案是采用高增益方向性天线或天线阵来补偿。第二个是延时扩展：毫米波频段的延时扩展依赖于散射环境，同时在非视距情况下的时延扩展也随波束变化而变化。第三个信道特征是小尺度衰落，在短时间内的快速变化用Nakagami随机变量来描述。而低频段常常使用对数正态分布来描述；第 12页相比微波通信，毫米波中的大气吸收与频率有关。白色部

15、分的28GHz 和 38GHz 频段的大气衰减非常低，大约在0.1dB/km ；蓝色部分的57-64GHz 频段中具有7GHz 有效大带宽，氧气分子吸收引起了非常高的衰减，因此该频段主要是用于超短距离室内通信。绿色部分的频段具有几GHz 带宽，大气衰减也比较低，这部分损失可以采用波控和波束耦合的方向性天线阵来解决。第 13页与微波通信一样，毫米波频段也需要设计物理层结构，主要包含信道编码、调制和大规模MIMO 。就信道编码部分，3G、 4G 中使用 turbo 码，未来5G 编码研究中，我国主推的是Polar 码，欧洲主推Turbo2.0 。就在今年的10 月 19 日， 3GPP 将美国主推的LDPC 确定为 5G 标准的长码编码方案。虽然Turbo2.0 在理论和工程上都相对LDPC 有优势，但也因为非技术原因让位于LDPC 码。美国时间11 月 17 日，国际无线标准化机构3GPP 的 RAN1 （无线物理层）87 次会议在美国拉斯维加斯召开，就 5G 短码方案进行讨论。三位主角依然是中国华为主推的PolarCode（极化码）方案， 美国高通主推LDPC 方案， 法国主推Turbo2.0 方案。 最终， 华为的 Polar方案从两大竞争对手中胜出！毫米波