移动通信技术 课件 第8章 未来移动通信

8.1未来移动通信面临的挑战和发展状况

8.25G性能需求

8.35G关键技术

8.45G应用场景8.1未来移动通信面临的挑战和发展状况自2015年以来移动宽带每年以92%的速度增长。随着越来越多的无线设备接入网络，目前的移动通信技术面临着如下挑战：频谱十分稀缺。频率范围为几百兆赫到几吉赫。这些频谱现已大量被使用。高能耗。在无线通信系统中能量消耗的增加会间接地导致二氧化碳排放增加。运营商基站的能耗占总电费的70%。其他挑战。例如，平均频谱效率、高速率和高移动性、无缝覆盖、不同的服务质量QoS要求和分散的用户体验。4G网络在现有技术的数据率上已经达到理论极限，因此不足以容纳上述挑战。研究人员已经开始研究超4G(B4G)或5G无线技术，有代表性的项目和工作如下：中英科学的桥梁项目是世界上第一个开始研究B4G的项目。欧洲和中国也开始了一些5G项目，如由欧盟支持的METIS2020项目，在中国由科技部支持的国家863重点项目。中国进入了部分技术的试用阶段。诺基亚西门子网络的无线接入技术与2019年通信水平相比高达1000倍的通信流量。三星证明使用毫米波技术，在2 km的情况下，传输速率超过1GB/s。“5G”已成为近年来的最热话题，尤其是2019年被誉为“5G元年”，与此同时，各方对5G的定义和理解不一，罗兰贝格基于全球权威数据库，结合丰富的5G项目经验和遍布全球的5G专家网络，首次为我们憧憬了如图8.1所示的5G生态全景图，将5G这一行业跨度极广、影响极其深远的产业生态进行了清晰的定义。在这个“以标准整合服务，以服务支撑应用，以应用推动颠覆”的5G生态全景图中，5G的本质和基石仍是一套由跨国界、跨行业专家通力协作制定的通信标准。这套标准既是全球通信及相关行业的“通用语言”，也是通信技术发展的“时代切片”。图8.1体现了5G的终极目标是连接整个世界，实现无缝和无处不在的通信。相比于4G网络，5G网络应达到1000倍的系统容量，10倍的频谱效率、能源效率和数据速率(即在低速移动下峰值速率为10GB/s和在高速移动下峰值速率为1GB/s)，以及25倍的平均小区吞吐量。5G接入网设计需要考虑关键能力指标、网络运营能力和网络演进要求这3个方面的因素。现有的4G网络，在网络运行和满足5G所提出的业务和能力需求方面，都面临着新的挑战。主要包括以下几个方面：无法为用户提供一致的良好体验。在现有网络架构中，基站之间的交互功能不强或者不够灵活，无法通过基站间通信实现高效的无线资源调度、移动性管理和干扰协调等功能，导致现有网络小区中心和边缘用户体验速率差异较大，很难满足广域覆盖下100Mb/s及热点地区1Gb/s的用户体验速率。数据路由和分发手段单一。现有网络数据均通过核心网转发，模式单一。由于核心网关部署位置很高，导致业务数据流量向网络中心汇聚，特别是针对5G热点区域“数十Tb/(s·km2)”流量密度的场景，对移动回传网络造成较大的压力。此外，现有端到端通信在控制面和数据面需要通过多跳网络路由，传输路径较长，时延难以有效降低，无法满足低时延高可靠性业务场景需求。5G网络需要支持多样化的数据路由与分发功能、降低业务时延、支持多种回传机制，优化数据路由，提高传输效率。业务感知与开放能力不足。当前无线接入网一直作为“盲管道”存在，缺乏对用户和业务的感知能力，无法实现精细化管理和最优匹配。网络协同能力有限。现有网络只有核心网侧的多网协同，由于不同接入技术采用不同的移动性管理、QoS控制，导致互操作中复杂的信令流程出现。另一方面，多制式无法在接入网侧进行更紧密的协同，性能达不到最优，尤其未来5G接入网包含4G演进和5G新空口，接入网侧协作将更为重要。5G接入网架构可以通过增强协作控制，优化业务数据分发管理，支持多网融合与多连接，支撑灵活动态的网络功能和拓扑分布，以及促进网络能力开放等几个方面，来提升网络灵活性，数据转发性能和用户体验、业务的有效结合度。5G网络架构会向更扁平，基于控制和转发进一步分离，可以按照业务需求灵活动态组网的方向演进。运营商将可针对不同的业务和用户需求，快速灵活按需地实现满足不同质量业务需求的组网，使网络整体的效率进一步得到提升。8.25G性能需求5G需要具备比4G更高的性能，支持0.1～1 Gb/s的用户体验速率，一百户每平方千米的连接数密度，毫秒级的端到端时延，数十Tb/s每平方千米的流量密度，每小时500km以上的移动性和数十Gb/s的峰值速率。其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。同时，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，相比4G，频谱效率提升了5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。在这些关键性能指标中，并非一成不变，而是在不同场景下，有不同的要求，常见的例如速率上的要求，在高铁和在普通场景下肯定是差异很大的。我们主要列举了如表8.1所示的典型场景下对速率的要求。下面介绍几种性能需求参数。1.用户体验速率5G最显著的特点是高速，按规划速率会高达10～50 Gb/s，人均月流量大约有36Tb，人们对通信速率要求越来越高，迫使信道的带宽就越来越宽，几根电话线的带宽不够，那就增加到几百根，几百根不够就换成同轴电缆，电缆带宽不够就换成光纤，有线通信的带宽就是这样递增的。2.连接密度连接密度是指在特定地区和特定时间段内，单位面积可以同时激活的终端或者用户数，也就是单位面积上支持的在线设备总和。3.时延这里主要指端到端的时延，是指数据包从源节点开始传输到目的节点正确接收的时间。时延又分为单程时延(OTT)和往返时延(RTT)。单程时延是数据包从发送端到接收端的时间，往返时延是数据包从发送端发送，到接收端收到后返回确认信息的时间。4.可用性及可靠性可用性是指在一个区域内，网络能满足用户体验质量的百分比，也就是用户能使用网络，且基本体验能达到标准。可靠性则是指一定时间内从发送端到接收端成功发送数据的概率。5.移动性移动性主要是指移动终端设备在高速移动的情况下，仍能保证用户体验的性能。6.其他1)安全性安全性比较难衡量，目前一般以黑客侵入信息内容需要的时间来衡量，在网络切片中对安全的要求还在继续研究中。2)能耗能耗方面，要求应急通信中电池至少续航一周；在广阔地区分布的设备，要求续航10年；电表、气表等一般设备要求2～5年的续航能力。3)成本和可持续发展目前的移动通信网络在应对移动互联网和物联网爆发式发展时，可能会面临以下问题：能耗、每比特综合成本、部署和维护的复杂度难以高效应对未来千倍业务流量增长和海量设备连接；多制式网络共存造成了复杂度的增长和用户体验下降；现网在精确监控网络资源和有效感知业务特性方面的能力不足，无法智能地满足未来用户和业务需求多样化的趋势；此外，无线频谱从低频到高频跨度很大，且分布碎片化，干扰复杂。为了应对这些问题，需要从两方面提升5G系统能力，以实现可持续发展。(1)在网络建设和部署方面，5G需要提供更高网络容量和更好的覆盖，同时降低网络部署，尤其是超密集网络部署的复杂度和成本；5G需要具备灵活可扩展的网络架构以适应用户和业务的多样化需求；5G需要灵活高效地利用各类频谱，包括对称和非对称频段、重用频谱和新频谱、低频段和高频段、授权和非授权频段等；另外，5G需要具备更强的设备连接能力来应对海量物联网设备的接入。(2)在运营维护方面，5G需要改善网络能效和比特运维成本，以应对未来数据迅猛增长和各类业务应用的多样化需求；5G需要降低多制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度，以提升用户体验；5G需要支持网络对用户行为和业务内容的智能感知并作出智能优化；同时，5G需要能提供多样化的网络安全解决方案，以满足各类移动互联网和物联网设备及业务的需求。ITU制定的5G典型应用场景和关键能力的需求满足成为通信产业界面临的关键问题。综合考虑需求、技术发展趋势以及网络平滑演进等因素，5G应该同时存在新空口和4G演进空口两条路线。一方面，LTE/LTE-A作为4G标准，已在全球范围内大规模部署，中国移动近两年也建成了世界上最大的TD-LTE网络，为了保证投资和网络平滑演进，4G空口将在现有4G框架基础上持续演进和增强，在保证兼容性的同时实现现有系统性能的进一步提升，在一定程度上满足5G场景与业务需求。比如，为了满足增强移动宽带(eMBB)需求，4G演进通过更多的载波聚合和多天线增强，如全维多天线(FD-MIMO)、大规模天线(MassiveMIMO)等技术可实现更高的吞吐率；通过多连接、多无线接入技术(RAT)融合持续增强技术能带来更好的异构组网和用户体验；为了满足海量机器通信(mMTC)场景需求，基于4G的机器与机器(M2M)特性，如窄带物联网(NB-IoT)、eMTC将在技术和性能上带来持续演进和增强，满足一定场景的需要；为了满足超可靠且超低的时延业务(URLLC)场景需求，可以基于现有4G演进车之间通信的协议(LTE-V)技术拓展车联网等场景。但另一方面，受限于4G技术框架的约束，大规模天线、超密集组网、业务智能感知和分发、新波形和多址技术在现有技术框架和网络架构下难以被采用而潜力未能发挥出来，4G演进无法以低复杂度满足5G极致性能需求。因此，5G需要突破后向兼容的限制，设计全新的空口，全面满足5G关键指标要求。综合考虑，5G需要新空口和4G演进空口协同发展。8.35G关键技术从标准和产业化角度出发，5G空口技术路线(图8.2)主要包括新空口和4G演进两条技术路线。发展趋势是基于统一的技术框架进行设计，重点技术包括新型多址、大规模天线、超密集组网和全频谱接入等八大关键技术，具有灵活的技术与参数配置方案，同时面向连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠、低功耗大连接四大覆盖场景，此空口技术方案能够满足2020年移动互联网和物联网的业务需求。1.大规模天线技术MIMO天线技术中的空间分集是指多根发射天线或多根接收天线可以同时处理同一信号。这种应用模式虽然对空间传输容量和频谱利用率没什么贡献，但却可以极大地提高无线传输的可靠性。空间复用是指发射天线是多根，接收天线是多根也可能是单根，可组合成多路独立空间子信道用来传输多路不同用户信号。这样虽然可以较大程度地提高无线传输容量或频谱利用率，但很难改善无线信道的传输质量。波束赋形是指多根天线在相关技术作用下，可以使多天线发射的电磁波在指定方向相长相消，形成较窄的定向波束覆盖目标用户。这样虽然可以获得较高的传输可靠性，克服邻区干扰，降低设备发射功率，提高通信质量，但同样不能提高传输容量和频谱利用率。传统MIMO天线系统实现波束赋形，理论上是无法兼顾系统同时实现空间复用或空间分集的。因为技术上存在完全相悖的基本要求，波束赋形要求MIMO天线系统中各子天线间距只能是半波长或半波长的倍数，以保证各子天线上信号具有相长相消的相干性。由于波束赋形的作用主要是将各子天线上相同信号通过相干性，使其辐射波形变得更窄，具有更强的方向性和目标性，从而可以提高无线传输的可靠性，这与空间分集产生的效果相似。发送端将信源比特流通过数字调制成串行码流，再经串并变换成为与MIMO多天线对应的并行码流，经过空时编码，使之成为适应空间分集和时间分集的空时码流，最后送到MIMO天线，使其在空域子信道上同频同时传输。接收端MIMO天线在收到经过无线信道传输的多径信号后，通过空时解码，使其从混合接收信号中分离，估计出与多天线对应的并行码流，再经并串转换形成传输码流，最后通过数字解调恢复信宿。在MIMO天线的工作过程中，系统可根据各子天线的间距及相关处理技术，分别实现空间分集、空间复用和波信号通过相干性使其辐射波形变得更窄，具有更强的方向性和目标性，从而可以提高无线传输的可靠性。这与空间分集产生的效果相似，也就是说，波束赋形与空间分集的主要作用具有异曲同工之妙。但波束赋形还可以提高发射电磁波的功率密度，可以有效地降低每个阵元上发射信号的强度，可大大节省天线的发射能量，具有环保优势。移动通信的基站和终端因架设和架构的现实要求，使MIMO天线系统的体积、重量和功耗受到较大限制，而MIMO天线振子结构的几何大小与波长同数量级。4G网络的主频率小于3 GHz，波长大于10 cm，属于分米波范围，目前应用于4G基站和终端中的MIMO天线一般为基站有8根天线和终端有2根天线的8 × 2模式，如此少量的子天线数，产生的空间复用、空间分集和波束赋形的效果非常有限。面向5G的频谱选择很有可能采用毫米波技术，从而使子天线尺寸局限在毫米范围，从几何尺寸和发射功率等方面，都已为5G系统提供了技术支撑基础，使之完全可以在基站和终端上建立少则几十根、多则上千根子天线的大规模MIMO天线系统。2.非正交多址接入(NOMA)技术PDMA图样分割多址接入是一种基于多用户通信系统整体优化的新型非正交多址接入技术，通过发送端和接收端的联合设计，在发送端采用功率/空间/编码等多种信号域的单独或者联合非正交特征图样区分用户，在接收端采用串行干扰消除(SIC)方式实现准最优多用户检测。总的来说，非正交多址接入(NOMA)主要有3个技术特点：(1)NOMA在接收端采用SIC技术来消除干扰，可以很好地提高接收机的性能。(2)发送端采用功率复用技术。(3)不依赖用户反馈信道状态信息(CSI)。3.同频同时的全双工技术随着在线视频业务的增加以及社交网络的推广，未来移动流量呈现出多变特性：上下行业务需求随时间、地点而变化等，目前通信系统采用相对固定的频谱资源分配将无法满足不同小区变化的业务需求。灵活双工技术原理是将发射信号和接收信号设置在同一频率和时隙上，使得资源开销相比传统双工模式减半，从而提高频谱效率。4.超密集组网为了满足将来移动网络数据流量数百倍的增大，将用户体验速率提高数百倍的要求，除了增加频谱带宽和使用大规模天线技术提高频谱的效率外，提高空间重用的程度也是提高5G网络无线系统容量的有效方法。以前无线通信网络采用单元划分方式来减小小区半径，但是随着现代小区覆盖的减小，单元划分变得难以实现，需要超密集组网技术，可以在数据使用量大的区域放置小型基站。将小型基站放置在宏基站所覆盖的范围内，形成密集的异构网络，增加单位面积内小基站的密度，通过在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强，消除盲点，改善网络覆盖，提高系统容量。超密集组网具有如下两个优势：提升移动性能。由于小型基站部署在宏基站的内部，可以始终保持宏基站与微基站之间的连接。微基站能够给用户提供连接，用户通过小型微基站就可以实现信息的添加、修改和删除。

资源利用率提升。宏基站可以通过统一控制和管理小型基站，对小型基站动态开/关等给予协调管理，进行优化控制，提高整体的网络容量和资源使用效率，降低能耗。超密集组网络技术可以使终端在一些地区和发射节点之间的距离变得更近，能够得到更多的频谱，提升业务效率、频谱效率，大大提高系统容量功能和优势。超密集组网能够满足热点地区500～1000倍的流量增长的需求。可应用于密集街区、密集住宅、办公室、公寓、大型集会、体育场、购物中心、地铁等场景。5.设备到设备的直接通信传统的蜂窝通信系统的组网方式以基站为中心实现小区的覆盖，而基站和中继站无法移动，其网络在灵活性上有缺陷，随着无线多媒体技术的不断发展，传统的以基站为中心的业务形式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需要。设备到设备(D2D)的直接通信技术无需借助基站的帮助就能实现通信中终端间的直接通信，拓展网络连接和接入方式。因此D2D通信具有如下特点：端到端毫米级用户面时延，实现较高数据速率、较低的时延和功耗；短距离通信可频谱资源复用；无线P2P(PeertoPeer，点对点)功能；拓展网络覆盖范围。目前，D2D可用于实时云计算、增强现实、在线游戏、远程医疗、智能交通、智能电网、实时远程控制等领域。当然，D2D通信技术只能作为蜂窝网络的辅助通信的手段，而不能独立组网通信。6.高频段毫米波通信移动通信传统工作频段十分拥挤，而大于6 GHz的高频段可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张现状，可以支持极高速短距离通信，能够支撑5G容量和传输速率的需求。高频段毫米波通信技术将满足未来5G网络需求的三大场景。(1)eMBB场景：GHz以下的低频带资源传播特性更适合满足增强覆盖的需要，而高频带提供连续的大带宽，尽管高频带的衰减很大，覆盖面不好，但可以部署在热点区域，以提高速率和系统容量。所以高频和低频协作是满足eMBB场景的基本手段。(2)mMTC场景：由于大规模机器类通信的速率要求较低，但对于覆盖范围有较高的需求，故mMTC场景主要使用小于6GHz，特别是低于1GHz的频带。已经确定，在物联网中使用800M和900M频带中的窄带频带，能够满足大规模机器的通信需求。(3)超可靠和低延迟通信(uMTC)场景：uMTC场景需要超高的可靠性，因此频段的选择将独立分配授权频谱。7.认知无线电技术认知无线电技术的核心思想是系统具有学习能力，能够感知授权用户的存在，机会式地接入可用资源，并限制和降低冲突的发生。如果将认知无线电应用在蜂窝异构网络中，低功率节点就可以伺机占用宏基站的可用资源，无需授权，灵活高效。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《450 MHz～5 GHz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，5 GHz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。8.自组织网络(SON)技术自组织网络(SON)技术是一种智能的自动化网络运维技术。SON的主要功能是自配置、自优化、自治愈。SON技术可以缓解由于多制式网络共存所带来的网络运维效率低、网络成本加大的难题，并优化网络覆盖面积、容量和通信质量。9.滤波器组多载波FBMC技术在OFDM系统中，各个子载波在时域相互正交，它们的频谱相互重叠，因而具有较高的频谱利用率。OFDM技术一般应用在无线系统的数据传输中；在OFDM系统中，由于无线信道的多径效应，从而使符号间产生干扰。为了消除符号间干扰(ISI)，在符号间插入保护间隔。插入保护间隔的一般方法是符号间置零，即发送第一个符号后停留一段时间(不发送任何信息)，接下来再发送第二个符号。在OFDM系统中，这样虽然减弱或消除了符号间干扰，但破坏了子载波间的正交性，从而导致了子载波之间的干扰(ICI)。因此，这种方法在OFDM系统中不能采用。在OFDM系统中，为了既可以消除ISI，又可以消除ICI，通常保护间隔是由循环前缀CP来充当的。CP是系统开销，不传输有效数据，从而降低了频谱效率。而滤波器组多载波(FBMC)利用一组不交叠的带限子载波实现多载波传输，FBMC对于频偏引起的载波间干扰非常小，不需要CP，较大提高了频率效率。除了FBMC外，还有多种波形改进技术，如时频填充(TFP)、稀疏码多址接入(SCMA)、广义频分复用(GFDM)等，各种改进的传输波形技术为5G性能的提升提供了多样选择。10.先进编码与调制技术调制编码技术是移动通信的核心技术，被誉为“皇冠上的明珠”，5G所用的编码技术有空间调制(SM)、频率正交幅度调制(FQAM)、256QAM高阶调制、LDPC和Polar编解码技术。SM和FQAM技术各具有如下优点：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。FQAM将频移键控和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。8.45G应用场景5G网络的应用场景如图8.3所示，所有事物都相互关联。数据云化，远程操作不再受空间的约束。虚拟现实(VirtualReality，VR)、增强现实(AugmentedReality，AR)等设备将成为主流设备，无人驾驶车辆将会真正实现。获取内容的方式更多将是视频、直播等形式。正如两个世纪前工业革命期间新技术的出现改变了我们的生活，今天我们正在经历另一次技术革命，5G网络将使我们的城市环境现代化，使我们的生活更加便利。1. VR/ARVR/AR是虚拟现实、感知交互、渲染处理、网络传输和内容制作等新一代信息技术相互融合的产物。新形势下高质量VR/AR业务对带宽、时延要求逐渐提升，速率从25Mb/s逐步提高到3.5Gb/s，时延从30ms降低到5ms以下。伴随大量数据和计算密集型任务转移到云端，未来云虚拟现实(CloudVR)将成为VR/AR与5G融合创新的典型范例。凭借5G超宽带高速传输能力，可以解决VR/AR渲染能力不足、互动体验不强和终端移动性差等痛点问题，推动媒体行业转型升级，在文化宣传、社交娱乐、教育科普等大众和行业领域培育5G的第一波“杀手级”应用。2.超高清视频作为继数字化、高清化媒体之后的新一代革新技术，超高清视频被业界认为将是5G网络最早实现商用的核心场景之一。超高清视频的典型特征就是大数据、高速率，按照产业主流标准，4K、8K视频传输速率至少为12～40 Mb/s、48～160 Mb/s，4G网络已无法完全满足其网络流量、存储空间和回传时延等技术指标要求，5G网络良好的承载力成为解决该场景需求的有效手段。当前4K/8K超高清视频与5G技术结合的场景不断出现，广泛应用于大型赛事/活动/事件直播、视频监控、商业性远程现场实时展示等领域，成为市场前景广阔的基础应用。3.车联网车联网是智慧交通中最具代表性的应用之一，通过5G等通信技术实现“人-车-路-云”一体化协同，使其成为低时延、高可靠场景中最为典型的应用之一。融入5G元素的车联网体系将更加灵活，实现车内、车际、车载互联网之间的信息互通，推动与低时延、高可靠密切相关的远控驾驶、编队行驶、自动驾驶等具体场景的应用。远控驾驶，车辆由远程控制中心的司机进行控制，5G用于解决其往返时延需要小于10 ms的要求。编队行驶，主要应用于卡车或货车，提高运输安全和效率，5G用于解决3辆以上的编队网络高可靠低时延要求。自动驾驶，大部分应用场景如紧急刹车，汽车对行人(V2P)、车路通信(V2I)、车车通信(V2V)、车与网络(V2N)等多路通信同时进行，数据采集及处理量大，需要5G网络满足其大带宽(10Gb/s的峰值速率)、低时延(1ms)和超高连接数(1000亿连接)、高可靠性(99.999%)和高精度定位等能力。4.联网无人机5G网络将赋予网联无人机(图8.4)超高清图视频传输(50～150 Mb/s)、低时延控制(10～20 ms)、远程联网协作和自主飞行(100 kb/s，500 ms)等重要能力，可以实现对联网无人机设备的监视管理、航线规范、效率提升。5G联网无人机将使无人机群协同作业和7 × 24小时不间断工作成为可能，在农药喷洒、森林防火、大气取样、地理测绘、环境监测、电力巡检、交通巡查、物流运输、演艺直播、消费娱乐等各种行业及个人服务领域获得巨大发展空间。5.远程医疗通过5G和物联网技术可承载医疗设备和移动用户的全连接网络，对无线监护、移动护理和患者实时位置等数据进行采集与监测，并在医院内业务服务器上进行分析处理，提升医护效率。借助5G、人工智能、云计算技术，医生可以通过基于视频与图像的医疗诊断系统，为患者提供远程实时会诊、应急救援指导等服务。6.智慧电力5G技术将在智慧电力的多个环节得到应用。在发电领域特别是在可再生能源发电领域需实现高效的分布式电源接入调控，5G可满足其实时数据采集和传输、远程调度与协调控制、多系统高速互联等功能。在输变电领域，具有低时延和大带宽特性的定制化的5G电力切片可以满足智能电网