移动通信5G关键技术(精品)

1、5G移动通信关键技术移动通信关键技术2 5G关键传输技术关键传输技术 5G新型网络架构新型网络架构 5G发展需求与挑战发展需求与挑战 相关研究基础相关研究基础提纲提纲5G发展需求发展需求 移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大驱动力移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大驱动力45G发展需求发展需求 移动通信将持续快速发展移动通信将持续快速发展p用户数、连接设备数、数据量均持续呈指数式增长。VNI Global Mobile Data Traffic Forecast 2013-2018, Cisco, 2014 The Mobile Economy, GSMA, 2014 Intern

2、et of Things, Cisco, 2013 IMT-2020 Summit, Samsung, 20141EB=1000PB1PB=1000TB55G发展需求发展需求 新型移动业务层出不穷新型移动业务层出不穷p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65G发展需求发展需求 用户体验要求不断提升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）75G发展需求发展需求 4G4G移动通信技术无法满足未来的业务和用户体验需求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4

3、G业务服务能力的对比TU-R WP5D/TEMP/390-E 任何时间(Anytime)、任何地点(Anywhere)的一一致用户体验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85G发展需求发展需求 5G5G移动通信技术研究已在全球全面开展移动通信技术研究已在全球全面开展5G IC95G发展需求发展需求 中国中国IMT-2020(5G)IMT-2020(5G)推进组关键技术指标要求推进组关键技术指标要求105G发展需求发展需求5G关键性能指标与已有标准的对比关键性能指标与已有标准的对比5G发展需求发展需求 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

4、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12TDMAGSMNSSCDMATD-SCDMAWCDMACDMA-2000GPRS Core NetworkOFDM、MIMOLTE-AWiMAXSAE5G4G3G2G？5G发展需求发展需求 为了实现为了实现5G5G发展目标，需要什么关键技术？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。13

5、 5G关键传输技术关键传输技术 5G新型网络架构新型网络架构 5G发展需求与挑战发展需求与挑战 相关研究基础相关研究基础提纲提纲关键传输技术关键传输技术总览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SINR15关键传输技术（关键传输技术（1）认知无线电认知无线电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

6、数字。 p 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。p 为了提高频谱利用率，未来5G需要采用认知无线电技术 认知无线电认知无线电提高已分配频谱的利用效率提高已分配频谱的利用效率16关键传输技术（关键传输技术（2）频谱拓展技术频谱拓展技术03GHz6GHz60GHz2G/3G/4G re-farmingWRC-15 AI 1.2 candidate bands below 6GHz Potential bands above 6GHz for 2020s WRC-15 AI 1.2(6GHz)频谱分配原则优先保障移动通信的频

7、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增加带宽是增加容量和传输速率最直接的方法6GHz以下频谱资源稀缺6GHz以上频谱资源丰富17关键传输技术（关键传输技术（2）频谱拓展技术频谱拓展技术 可用频带宽，可提供几十GHz带宽 波束集中，提高能效 方向性好，受干扰影响小优势 路径损耗大，不适合远程通信 受空气和雨水等影响较大 绕射能力差，NLOS受限 如何实现随机接入 硬件实现复杂度高（例如高速A/D和D/A的设计有很大挑战）挑战 高频段带宽资源尚待开发 60GHz频段毫米波 (mmWave, 30300 GHz, 110 mm, 广义毫米波包含2030 GHz)10400 G

8、Hz频段大气衰减卫星军事 毫米波通信毫米波通信开发高频段开发高频段p 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18关键传输技术（关键传输技术（2）频谱拓展技术频谱拓展技术 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（faster than fiber）J. Wells, Faster than fiber: The future of multi-G/s wireless, IEEE Microwave Magazine, vol. 10, pp. 104-112, 2009.40GHz以上频段分配的商用带宽达几

9、十GHz。商用带宽分配，40GHz以下比较窄p 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 毫米波通信毫米波通信开发高频段开发高频段19 可见光通信可见光通信（Visual light communication: VLCVisual light communication: VLC）关键传输技术（关键传输技术（2）频谱拓展技术频谱拓展技术可见光频谱带宽是无线电频谱带宽的万倍380 nm780nm 信号源为信号源为LED，成本低、功耗低，成本低、

10、功耗低 可实现高速率传输可实现高速率传输(3.5Gbps per LED) 不易穿透障碍物，干扰小不易穿透障碍物，干扰小 可在照明的同时提供通信可在照明的同时提供通信优势优势 目前仅能实现单向通信，如何实现双向通信 可见光通信和射频通信的无缝切换等挑战p 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20关键传输技术（关键传输技术（2）频谱拓展技术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-speed wireless networking using visible light, SPIE N

11、ewsroom, 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。 可见光通信可见光通信（Visual Light Communication: VLCVisual Light Communication: VLC）21关键传输技术（关键传输技术（3）大规模天线技术大规模天线技术4G：3GPP LTE-A标准4G：3GPP LTE标准5

12、G3G：WCDMA HSPA+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，22MIMO，44MIMO。下行峰值速率100Mb/s。支持22MIMO，下行峰值速率42Mb/s最多支持88MIMO，下行峰值速率1Gb/s3G：WCDMA HSPA标准只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/s MIMOMIMO技术的演进技术的演进关键传输技术（关键传输技术（3）大规模天线技术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 * 为基站天线数目 大规模天线大规模天线有效提高谱效率 系统容量和能量效率大幅度提升 上行和

13、下行发射能量都将减少 用户间信道正交，干扰和噪声将被消除 信道的统计特性趋于稳定优势 信道状态信息获取（导频污染问题） 信道测量与建模（不同场景信道） 发射机和接收机设计（降低复杂度） 天线单元及阵列设计（低能耗天线）挑战p 大规模天线被公认为5G关键技术之一关键传输技术（关键传输技术（3）大规模天线技术大规模天线技术 大规模天线应用场景：中心式天线系统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: NTT docomo）24关键传输技术（关键传输技术

14、（3）大规模天线技术大规模天线技术 大规模天线应用场景：分布式天线系统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25关键传输技术（关键传输技术（4）新型传输波形技术新型传输波形技术 OFDMOFDM传输波形技术传输波形技术 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 频谱利用效率高（与传统FDM相比，提高一倍） 抗频率选择性衰落 利用FFT/IFFT模块，容易实现优势优势 载波频偏导致码间串扰和用户间干扰 循环前缀（CP）降低了频效和能效 毫米波频段的实现（如超宽带宽、高频功放等）挑战挑战p OFDM是未

15、来5G的关键传输波形技术，其性能仍有提升空间Channel OFDMmod.(IFFT)CPinsertion NoiseOFDMdemod.(FFT)CPremoval TransmitterReceiver 26关键传输技术（关键传输技术（4）新型传输波形技术新型传输波形技术 新型新型传输波形技术传输波形技术滤波器组多载波滤波器组多载波 （Filterbank Filterbank multicarriermulticarrier：FBMCFBMC）Channel OFDMmod.(IFFT)Tx Filter Bank NoiseOFDMdemod.(FFT)Rx Filter Bank

16、 TransmitterReceiver u 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-Frequency Packing, sparse code multiple access, generalized frequency division multiplexing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, et al., 5GNOW: non-orthog

17、onal, asynchronous waveforms for future mobile applications, IEEE Communications Magazine, vol. 52, pp. 97-105, 2014.V. Vakilian, T. Wild, F. Schaich, S. ten Brink, and J. F. Frigon, Universal-filtered multi-carrier technique for wireless systems beyond LTE, in proc. IEEE Globecom Workshops, 2013 ,

18、pp. 223-228.27关键传输技术（关键传输技术（5）非正交多址接入技术非正交多址接入技术1G2G3G4G 可规避用户间干扰 系统实现容易优势 根据信息论，正交多址系统可达容量可达容量次优次优挑战 正交多址接入技术正交多址接入技术 已有通信标准都采用正交接入技术28关键传输技术（关键传输技术（5）非正交多址接入技术非正交多址接入技术1G2G3G4G 正交多址接入技术正交多址接入技术 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

19、公平。 最优容量区域正交方案可达速率区域p 利用正交多址无法保证容量最优和用户公平29复杂度（Complexity）容量（Capacity）关键传输技术（关键传输技术（5）非正交多址接入技术非正交多址接入技术 非正交多址接入非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access: NOMA)(Non-orthogonal Multiple Access: NOMA) 两个用户同时占用所有可用带宽 弱用户先解码强干扰，消除干扰的影响，再解码自己的消息。 可实现最优容量，并改改善弱用户善弱用户可达速率NOMA30关键传输技术（关键传输技术（6）先进编码与调制技术先进编码与调制

20、技术1G2G3G4G5G模拟调制数字调制 编码调制技术的演进编码调制技术的演进QPSK,16QAMQPSK,16QAM,64QAM？BCH码卷积码Turbo码？调制方式的演进编码方式的演进增强的自适应 编码调制设计31Channels2s1s1s10/101Antenna EstimationSymbol DetectionData BitsData Bits空间调制系统4发射天线QPSK空间调制星座图关键传输技术（关键传输技术（6）先进编码与调制技术先进编码与调制技术 空间调制空间调制（Spatial Modulation: SMSpatial Modulation: SM）p 以天线的物理

21、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。p 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。32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（关键传输技术（6）先进编码与调制技术先进编码与调制技术 频率正交幅度调制频率正交幅度调制（FrequencyFrequency Quadrature-amplitude Quadrature-amplitude Modulation: FQAMModulation: FQAM）p 将频移键控（FSK）与正交幅度调制（QAM）相结合，提高频谱效率。p 用

22、于多小区下行链路中，能够提高小区边缘用户的通信质量。331 国家电网公司国家电网公司“两会两会”工作报告摘要，工作报告摘要，2010年年2 全力构建绿色网络，中国移动通信研究院，全力构建绿色网络，中国移动通信研究院，2010年年11月月3 Study on Energy Efficient Radio Access Network (EERAN) Technologies, TU Dresden and Vodafone, 20094 New Generation Node B, 华为华为, 20102009年，三大运营商的能耗总量折合为年，三大运营商的能耗总量折合为440.7万吨万吨标准煤，

23、其中标准煤，其中80%以上是电力消耗，达以上是电力消耗，达到到290亿度亿度，相当于，相当于2个大亚湾核电站的年发电量。个大亚湾核电站的年发电量。关键传输技术（关键传输技术（7）能效提升技术能效提升技术34How to approach GREEN while carrying 1000X traffic?关键传输技术（关键传输技术（7）能效提升技术能效提升技术35关键传输技术（关键传输技术（7）能效提升技术能效提升技术资源域资源域用户域用户域业务域业务域码域码域（CDMA）能量域能量域（POWER）时域时域（TDMA）频域频域（OFDM）空域空域（MIMO）语音语音（VOIP）非实时数据非实

24、时数据 （FTP）实时数据实时数据（WEB）多媒体多媒体（MMS）组播组播/ /广播广播（VOIP）应用层应用层网络层网络层物理层物理层多域协同无线资源管理多域协同无线资源管理36关键传输技术（关键传输技术（7）能效提升技术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网络资源与动态用户行为和业务需求自适应匹配Tango: Traffic-aware network planning & green operation - 自适应于业务分布自适应于业务分布 （时间和空间的非均匀分布）（时间和空间的非均匀分布） - 自适应于业务特征自适应于业务特征 （单播，多播，广播）（单播，多播，广播

25、） - 自适应于服务质量需求自适应于服务质量需求 (QoS)（实时，非实时）（实时，非实时）满足用户满足用户QoS, 提高能效提高能效Z. Niu, “TANGO: Traffic-Aware Network Planning and Green Operation”, IEEE Wireless Commun., vol. 18, pp. 25-29, Oct.2011. 37关键传输技术（关键传输技术（7）能效提升技术能效提升技术p 跨层优化跨层优化资源调度资源调度 高效利用有限资源 跨层资源联合调度链路层链路层应用层应用层传输层传输层物理层物理层网络层网络层智能智能MACMAC实时实时/

26、 /非实时非实时拥塞控制拥塞控制感知路由感知路由CSIQSIp 跨网优化跨网优化协作通信协作通信 减少竞争、增加合作 跨网资源联合优化配置CHORUS: Collaborative & Harmonized Open Radio Ubiquitous System提升用户体验，提升用户体验， 降低能量消耗降低能量消耗CHORUSS. Zhou, Z. Niu, P. Yang, and S. Tanabe, CHORUS: a framework for scalable collaboration in heterogeneous networks with cognitive synerg

27、y, IEEE Wireless Communications, vol. 20, pp. 133-139, 2013.38关键传输技术（关键传输技术（8）网络覆盖增强技术网络覆盖增强技术 密集组网密集组网（UDNUDN）、）、异构结构异构结构（HetNetsHetNets）、）、中心式云后台中心式云后台（CloudCloud）是）是5G5G网络整体架构的共识。网络整体架构的共识。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）R

28、emote Radio Head（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39关键传输技术（关键传输技术（8）网络覆盖增强技术网络覆盖增强技术 应用场景：应用场景：DHS (Dense+Heterogeneous+DHS (Dense+Heterogeneous+SeperatedSeperated) ) C.-X. Wang, F. Haider, X. Gao, X.-H. You, Y. Yang, D. Yuan, H. Aggoune, H. Haas, S. Fletcher, and E. Hepsaydir, “Cellular archi

29、tecture and key technologies for 5G wireless communication networks,” IEEE Commun. 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)40 5G关键传输技术关键传输技术 5G新型网络架构新型网络架构 5G发展需求与挑战发展需求与挑战 相关研究基础相关研究基础提纲提纲新型网络架构新型网络架构多接入技术多接入技术

30、并存并存超密小区超密小区异构网络异构网络融合融合云计算云计算网络智能网络智能弹性资源弹性资源管理管理5G网络网络趋势趋势成本有效性网络协同网络架构思路变革42新型网络架构新型网络架构Network ManagementOSNetworkDeviceDriver一体式（一体式（All-in-one）基站结构（）基站结构（2G-3G）特点：u功能强大，结构复杂u数据与控制高度耦合问题：u基站建设与维护成本高u基站之间协作受限u难以满足多样的需求43Radio Network ControllerOS新型网络架构新型网络架构Network ManagementOSNetworkDeviceDrive

31、r4G数据/控制平面分离控制中心化Network ManagementOSNetworkDeviceDriverNetwork ManagementOSNetworkDeviceDriverCloud5G虚拟化IaaS大数据2G/3G一体式基站传统互联44新型网络架构新型网络架构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RRURRUFiberRRUCloudC-RAN 无线接入网绿色演进白皮书 (v2.5)，201145新型网络架构新型网络架构2010年由中国移动首次提出年由中国移动首次提出已在中国珠海、吉林、长沙、青岛等已在中

32、国珠海、吉林、长沙、青岛等地试点地试点安捷伦安捷伦IntelIBM中兴中兴华为华为NGMNIEEE GlobeComIEEE ICCIEEE WCNCCHINACOM46新型网络架构新型网络架构REPE5GDevice4GDeviceWi-FiDevice资源开放协议（资源开放协议（REP）开放式设备接口协议资源描述协议资源租赁协议设备动态租用利用设备空闲资源避免重复建设前向兼容，平滑过渡现有应用保持不变现有设备保持不变全网优化基础全频段调度负载均衡网络设备虚拟化网络设备虚拟化47新型网络架构新型网络架构4G vBSManagementAPPRLCMACPHY5G vBSManagementA

33、PPRLCMACPHYWi-Fi vBSManagementAPPRLCMACPHY5G vBSManagementAPPRLCMACPHYVirtual BS PoolREPEREPE5G4GWi-Fi5G5G5G网络结构虚拟化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。48新型网络架构新型网络架构 IaaS资源开放资源开放大数据大数据云计算云计算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。虚拟化虚拟化49新型网络架构新型网络架构 IaaS工作过程工作过程Network Intelligence (

34、Big Data)VM4GDeviceREPE5GDeviceREPEBrokerVMWi-FiDeviceREPEVMmmWaveDeviceREPEVM5GDeviceREPEvSwitchUE1 用户向网络提出自己的需求和相应的QoS。2 用户周边任意一个设备接收请求。3 由于该设备满足了资源开放协议标准，该设备将请求上传至云中心。4 云中心的虚拟交换机把请求传递给Broker。5 Broker是一个服务管理中心。它将用户请求转化为一个优化问题，交给上层求解。6 网络智能模块会利用大数据处理和云计算实现资源弹性分配，以最低的成本满足用户需求。7 上层下达控制命令给相应的虚拟基站。8 启动

35、一个5G设备提供服务。9 同时租用一个其它运营商的Wi-Fi热点缓解压力（卸载）。10 用户完全不知道（也没有必要知道）自己的数据同时来源于一个Wi-Fi热点和一个5G基站。50新型网络架构新型网络架构2GGSM, GPRS, EDGE3GCDMA, HSPA4GLTE-A, WiMAXMulti RATsWi-Fi, mmWave, VLCMacro CellMicro CellPico CellFemtocellWLAN多元多元 融合融合开放开放 智能智能D2DDemestichas, P. Georgakopoulos, A. Karvounas, D. 5G on the Horizon Key Challenges for the Radio-Access Network, IEEE Vehicular Technology Magazine, Vol. 8, No. 3, pp. 47 53, 2013.51大数据与大数据与5GIoTMI驱动驱动0110101010数据产生、积累数据产生、积累1010101010用用户户数数据据行行为为分分析析决策支持 娱乐办公 铁路运输 机动车辆 智能医疗 智能家居 智能交通 通信 新闻 视频 社交 购物 美食52什么是大数据？什么是大数据？ 大数据是具有体量大、结构多样、时效强