G通信关键技术

5G移动通信关键技术

5G关键技术

5G发展需求与挑战提纲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,20141EB=1000PB1PB=1000TB5G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）任何时间(Anytime)、任何地点(Anywhere)的一致用户体验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

5G关键技术

5G发展需求与挑战提纲关键传输技术——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关键技技术（（1）——认知无无线电电2014年7月，国国家无无线电电监测测中心心和全全球移移动通通信系系统协协会发发布《450MHz-5GHz关注频段频谱谱资源评估报报告》，给出了北京京、成都和深深圳等城市部部分无线电频频谱占用统计计数字。统计结果表明明，5GHz以下所关注频频段大部分的的使用率远远小于10%，说明5GHz以下频段使用用效率有大量量的提升空间间。为了提高频谱谱利用率，未未来5G需要采用认知知无线电技术术认知无线电——提高已分配频频谱的利用效效率认知无线电(CognitiveRadio,CR)的概念起源于于1999年JosephMitolo博士的奠基性性工作，其核核心思想是CR具有学习能力力，能与周围围环境交互信信息，以感知知和利用在该该空间的可用用频谱，并限限制和降低冲冲突的发生。。CR的学习能力是是使它从概念念走向实际应应用的真正原原因。有了足足够的人工智智能，它就可可能通过吸取取过去的经验验来对实际的的情况进行实实时响应，过过去的经验包包括对死区、、干扰和使用用模式等的了了解。这样，，CR有可能赋予无无线电设备根根据频带可用用性、位置和和过去的经验验来自主确定定采用哪个频频带的功能。。CognitiveRadioCR是一个智能无无线通信系统统。它能够感感知外界环境境，并使用人人工智能技术术从环境中学学习，通过实实时改变某些些操作参数(比如传输功率率、载波频率率和调制技术术等)，使其内部状状态适应接收收到的无线信信号的统计性性变化，以达达到以下目的的：任何时间间任何地点的的高度可靠通通信；对频谱谱资源的有效效利用。认知无线电技技术最大的特特点就是能够够动态的选择择无线信道。。在不产生干干扰的前提下下，手机通过过不断感知频频率，选择并并使用可用的的无线频谱关键技术（2）——频谱拓展技术术03GHz6GHz>60GHz2G/3G/4Gre-farmingWRC-15AI1.2candidatebandsbelow6GHzPotentialbandsabove6GHzfor2020’sGlobalinterestbandsforWRC-15<1GHz[MHz]410-430,470-694/698,694/698-7901-2GHz[MHz]1300-1400,1427-1525/1527,1695-1700/17102-3GHz[MHz]2025-2100,2200-2290,2700-31003-5GHz[MHz]3300-3400,3400-4200,4400-50005-6GHz[MHz]5150-5925,5850-6245(>6GHz)频谱分分配原原则优先保保障移移动通通信的的频谱谱资源源连续500MHz带宽可可用能与其其他系系统共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以上频谱资源丰富关键技技术（（2）——频谱拓拓展技技术毫米波波的波波长从从10毫米至至1毫米、、频率率从30吉赫（（GHz）至300吉赫（（GHz）的电电磁波波称为为毫米米波。。毫米波波通信信——开发高高频段段传播特特性：：1)是一种种典型型的视视距传传输方方式2)具有““大气气窗口口”和和“衰衰减峰峰”“大气气窗口口”是指35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz频段,在这些些特殊殊频段段附近近,毫米波波传播播受到到的衰衰减较较小。。一般般说来来，““大气气窗口口”频频段比比较适适用于于点对对点通通信，，已经经被低低空空空地导导弹和和地基基雷达达所采采用。。在60GHz、120GHz、180GHz频段附附近的的衰减减出现现极大大值,约高达达15dB/km以上,被称作作“衰减减峰””。3)降雨时时衰减减严重重4)对沙尘尘和烟烟雾具具有很很强的的穿透透能力力可用频带宽，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）挑战毫米波波通信信——开发高高频段段毫米波波可用用于室室内短短距离离通信信，也也可为为5G移动通通信系系统提提供Backhaul链路可见光光通信信（Visuallightcommunication:VLC）关键技技术（（2）——频谱拓拓展技技术可见光光频谱谱带宽宽是无无线电电频谱谱带宽宽的万万倍380nm780nm信号源为LED，成本低、功耗低可实现高速率传输(3.5GbpsperLED)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光通信信在5G中可用用于室室内短短距离离通信信、车车联网网通信信、水水下通通信等等16关键技技术（（3）——大规模模天线线技术术4G：3GPPLTE-A标准4G：3GPPLTE标准5G3G：WCDMAHSPA+标准大规模模天线线：基基站使使用大大规模模天线线阵列列（几几十甚甚至上上百根根天线线）支持SISO，2×2MIMO，4×4MIMO。下行行峰值值速率率100Mb/s。支持2×2MIMO，下行行峰值值速率率42Mb/s最多支支持8×8MIMO，下行行峰值值速率率1Gb/s3G：WCDMAHSPA标准只能使使用SISO，下行行峰值值速率率7.2Mb/sMIMO技术的的演进进关键技技术（（3）——大规模模天线线技术术理解大大规模模天线线首先先需要要了解解波束束成形形技术术。传传统通通信方方式是是基站站与手手机间间单天天线到到单天天线的的电磁磁波传传播，，而在在波束束成形形技术术中，，基站站端拥拥有多多根天天线，，可以以自动动调节节各个个天线线发射射信号号的相相位，，使其其在手手机接接收点点形成成电磁磁波的的叠加加，从从而达达到提提高接接收信信号强强度的的目的的。传统通通信就就像灯灯泡，，照亮亮整个个房间间，而而波速速成形形就像像手电电筒，，光亮亮可以以智能能地汇汇集到到目标标位置置上。。普通通全全向向天天线线，，覆覆盖盖所所有有区区域域波速速成成形形后后的的天天线线，，将将能能量量集集中中到到一一个个方方向向大规规模模天天线线阵阵列列正正是是基基于于多多用用户户波波束束成成形形的的原原理理，，在在基基站站端端布布置置几几百百根根天天线线，，对对几几十十个个目目标标接接收收机机调调制制各各自自的的波波束束，，通通过过空空间间信信号号隔隔离离，，在在同同一一频频率率资资源源上上同同时时传传输输几几十十条条信信号号。。这这种种对对空空间间资资源源的的充充分分挖挖掘掘，，可可以以有有效效利利用用宝宝贵贵而而稀稀缺缺的的频频带带资资源源，，并并且且几几十十倍倍地地提提升升网网络络容容量量。。大家家可可以以从从下下图图中中美美国国莱莱斯斯大大学学的的大大规规模模天天线线阵阵列列原原型型机机中中看看到到由由64个小小天天线线组组成成的的天天线线阵阵列列，，这这很很好好地地展展示示了了大大规规模模天天线线系系统统的的雏雏形形。。关键键技技术术（（3）———大规规模模天天线线技技术术何为为大大规规模模天天线线：：大大量量天天线线为为相相对对少少的的用用户户提提供供同同传传服服务务系统统容容量量10倍100倍能量量效效率率发射射能能量量大规规模模天天线线———有效效提提高高谱谱效效率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，干扰和噪声将被消除信道的统计特性趋于稳定优势信道测量与建模（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）挑战大规规模模天天线线被被公公认认为为5G关键键技技术术之之一一关键键技技术术（（3）———大规规模模天天线线技技术术大规规模模天天线线应应用用场场景景：：中中心心式式天天线线系系统统适用用于于宏宏蜂蜂窝窝小小区区，，中中心心基基站站使使用用大大规规模模天天线线微小小区区为为大大部部分分用用户户提提供供服服务务，，而而大大规规模模天天线线基基站站为为微微小小区区范范围围外外的的用用户户提提供供服服务务，，同同时时对对微微小小区区进进行行控控制制和和调调度度（（demo:NTTdocomo）关键键技技术术（（3）———大规规模模天天线线技技术术大规规模模天天线线应应用用场场景景：：分分布布式式天天线线系系统统多根根天天线线分分布布在在区区域域内内联联合合处处理理(C-RAN)适用用于于高高用用户户密密度度或或者者室室内内场场景景关键键技技术术（（4）———新型型传传输输波波形形技技术术OFDM传输输波波形形技技术术OFDM是当当前前Wi-Fi和LTE标准准中中的的高高速速无无线线通通信信的的主主要要传传信信模模式式频谱利用效率高（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）降低了频效和能效挑战OFDM是未未来来5G的关关键键传传输输波波形形技技术术，，其其性性能能仍仍有有提提升升空空间间将信信道道分分成成若若干干正正交交子子信信道道，，将将高高速速数数据据信信号号转转换换成成并并行行的的低低速速子子数数据据流流，，调调制制到到在在每每个个子子信信道道上上进进行行传传输输。。23关键键技技术术（（4）———新型型传传输输波波形形技技术术新型型传输输波波形形技技术术———滤波波器器组组多多载载波波（Filterbankmulticarrier：FBMC）非正正交交多多址址技技术术（（NOMA）的基本本思想是是在发送送端采用用非正交交发送，，主动引引入干扰扰信息，，在接收收端通过过串行干干扰删除除（SIC）接收机机实现正正确解调调。虽然然，采用用SIC技术的接接收机复复杂度有有一定的的提高，，但是可可以很好好地提高高频谱效效率。用用提高接接收机的的复杂度度来换取取频谱效效率，这这就是NOMA技术的本本质。关键技术术（5）——非正交多多址接入入技术复杂度（（Complexity）容量（Capacity）关键技术术（5）——非正交多多址接入入技术NOMA主要有3个技术特特点：1、接收端端采用串串行干扰扰删除（（SIC）技术。。2、发送端端采用功功率复用用技术。。3、不依赖赖用户反反馈CSI。NOMA希望实现现的是，，重拾3G时代的非非正交多多用户复复用原理理，并将将之融合合于现在在的4GOFDM技术之中中关键技术术（6）——先进编码码与调制制技术1G2G3G4G5G模拟调制数字调制编码调制制技术的的演进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Channels2s1s1s10/101AntennaEstimationSymbolDetectionDataBitsDataBits空间调制系统4发射天线QPSK空间调制星座图关键技术术（6）——先进编码码与调制制技术空间调制制（SpatialModulation:SM）以天线的的物理位位置来携携带部分分发送信信息比特特，将传传统二维维映射扩扩至三维维映射，，提高频频谱效率率。每时隙只只有一根根发射天天线处于于工作状状态，避避免了信信道间干干扰与天天线同步步发射问问题，且且系统仅仅需一条条射频链链路，有有效地降降低了成成本。关键技术术（6）——先进编码码与调制制技术频率正交交幅度调调制（FrequencyQuadrature-amplitudeModulation:FQAM）将频移键键控（FSK）与正交交幅度调调制（QAM）相结合合，提高高频谱效效率。用于多小小区下行行链路中中，能够够提高小小区边缘缘用户的的通信质质量。[1]国家电网网公司““两会””工作报报告摘要要，2010年[2]全力构建建绿色网网络，中中国移动动通信研研究院，，2010年11月[3]StudyonEnergyEfficientRadioAccessNetwork(EERAN)Technologies,TUDresdenandVodafone,2009[4]NewGenerationNodeB,华为,20102009年，三大大运营商商的能耗耗总量折折合为440.7万吨标准煤，，其中80%以上是电电力消耗耗，达到到290亿度，相当于于2个大亚湾湾核电站站的年发发电量。。关键技术术（7