(完整版)移动通信5G关键技术课件

1、5G移动通信关键技术2/59 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2/595G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3/594/595G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。VNI Global Mobile Data Traffic Forecast 2013-2018, Cisco, 2014 The Mobile Economy, GSMA, 2014 Internet of Things, Cisco, 2013 IMT-2020 Summit, Samsung, 20141EB=1000PB1

2、PB=1000TB4/595/595G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5/596/595G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）6/597/595G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-R WP5D/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7/598/595G发展需求5G移动通

3、信技术研究已在全球全面开展5G IC8/599/595G发展需求中国IMT-2020(5G)推进组关键技术指标要求5G vs 4G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9/5910/595G发展需求5G关键性能指标与已有标准的对比10/595G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

4、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11/5912/59TDMAGSMNSSCDMATD-SCDMAWCDMACDMA-2000GPRS Core NetworkOFDM、MIMOLTE-AWiMAXSAE5G4G3G2G？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。12/5913/59 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

5、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SINR14/5915/59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

6、效率15/5916/59关键传输技术（2）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 Global interest bands for WRC-156GHz)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16/5917/59关键传输技术（2）频谱拓展技术可用频带宽，可提供几

7、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 GHz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17/5918/59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

8、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18/5919/59可见光通

9、信（Visual light communication: 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380 nm780nm信号源为LED，成本低、功耗低可实现高速率传输(3.5Gbps per LED)不易穿透障碍物，干扰小可在照明的同时提供通信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19/5920/59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-speed w

10、ireless networking using visible light, SPIE Newsroom, 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（Visual Light Communication: VLC）20/5921/59关键传输技术（3）大规模天线技术4G：3GPP LTE-A标准4G：3GPP LTE

11、标准5G3G：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/sMIMO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* 为基站天线数目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下行发射能量都将减少用户间信道正交，干扰和噪声将被

12、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: NTT docomo）23/5924/59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

13、景24/5925/59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OFDM是未来5G的关键传输波形技术，其性能仍有提升空间ChannelOFDMmod.(IFFT)CPinsertionNoiseOFDMdemod.(FFT)CPremovalTransmitterReceiverLTE CP配置子载波间隔 CP长

14、度有用符号长度CP比例常规CP15kHz5.21 4.69s67.7s7.2%6.5%扩展CP15kHz16.67s67.7s20%LTE CP配置子载波间隔 CP比例常规CP15kHz5.21 4.69s67.7s7.2%6.5%扩展CP15kHz16.67s67.7s20%25/5926/59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 （Filterbank multicarrier：FBMC）ChannelOFDMmod.(IFFT)Tx Filter BankNoiseOFDMdemod.(FFT)Rx Filter BankTransmitterReceiver

15、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-orthogonal, asynchronous waveform

16、s 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 , pp. 223-228.26/5927/59关键传输技

17、术（5）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次优挑战正交多址接入技术已有通信标准都采用正交接入技术27/5928/59关键传输技术（5）非正交多址接入技术1G2G3G4G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28/5929/59复杂度（Complexity）容量（Capacit

18、y）关键传输技术（5）非正交多址接入技术非正交多址接入(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，并改善弱用户可达速率NOMA29/5930/59关键传输技术（6）先进编码与调制技术1G2G3G4G5G模拟调制数字调制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30/5931/59Channels2s1s1s10/101Antenna EstimationS

19、ymbol 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（6）先进编码与调制技术空间调制（Spatial Modulation: 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。31/5932/59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（Frequency Quadrature-amplitude Modulation: F

20、QAM）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。32/5933/591 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 Study on Energy Efficient Radio Access Network (EERAN) Technologies, TU Dresden and Vodafone, 20094 New Generation Node B, 华为, 20102009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

21、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33/5934/59How to approach GREEN while carrying 1000X traffic?关键传输技术（7）能效提升技术34/5935/59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35/5936/59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

22、需求自适应匹配Tango: Traffic-aware network planning & green operation - 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-Aware Network Planning and Green Operation”, IEEE Wireless Commun., vol. 18, pp. 25-29, Oct.2011. 36/5937/59关键传输技术（7）能效提升技术跨层优化

23、资源调度高效利用有限资源 跨层资源联合调度链路层应用层传输层物理层网络层智能MAC实时/非实时拥塞控制感知路由CSIQSI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 & Harmonized Open Radio Ubiquitous System提升用户体验， 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

24、 synergy, IEEE Wireless Communications, vol. 20, pp. 133-139, 2013.37/5938/59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）Remote Radio Head（RRH）与基带处理单元分离SDN网络实现协

25、议接口基带信号资源的集中化管理与调度38/5939/59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, and E. Hepsaydir, “Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks,” IEEE Commun. Mag.

26、, 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)39/5940/59 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新型网络架构多接入技术并存超密小区异构网络融合云计算网络智能弹性资源管理5G网络趋势成本有效性网络协同网络架构思路变革41/5942/59新型网络架构Network ManagementOSNetworkDeviceDriver一体式（All-i

27、n-one）基站结构（2G-3G）特点：功能强大，结构复杂数据与控制高度耦合问题：基站建设与维护成本高基站之间协作受限难以满足多样的需求42/5943/59Radio Network ControllerOS新型网络架构Network ManagementOSNetworkDeviceDriver4G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43/5944/59新型网络架构C-RAN云架构RR

28、U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)，201144/5945/59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IntelIBM中兴华为NGMNIEEE GlobeComIEEE ICCIEEE WCNCCHINACOM45/5946/59新型网络架构REPE5GDevice4GDeviceWi-FiDevice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

29、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46/5947/59新型网络架构4G vBSManagementAPPRLCMACPHY5G vBSManagementAPPRLCMACPHYWi-Fi vBSManagementAPPRLCMACPHY5G vBSManagementAPPRLCMACPHYVirtual BS PoolREPEREPE5G4GWi-Fi5G5G5G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。47/5948/59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

30、。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48/5949/59新型网络架构 IaaS工作过程Network Intelligence (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

31、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。49/5950/59新型网络架构2GGSM, GPRS, EDGE3GCDMA, HSPA4GLTE-A, WiMAXMulti RATsWi-Fi, mmWave, VLCMacro CellMicro CellPico CellFemtocellWLAN多元 融合开放 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, 2013.50/5951/59大数据与5GIoTMI驱动驱动0110101010数据产生、积累数据产生、积累1010101010用户数据行为分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