第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)

1、第五代移動(dòng)通信進(jìn)展及其關(guān)鍵技術(shù) The fifth generation(5G) mobile Communication networks第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第1頁5G之路5G需求5G關(guān)鍵提 綱第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第2頁一、5G之路眾所周知，在近30年時(shí)間內(nèi)，全球移動(dòng)通信已從20世紀(jì)80年代第一代發(fā)展到當(dāng)前第四代。我國移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了全過程，從第一代引進(jìn)、第二代跟進(jìn)、第三代參加、到第四代自主研發(fā)，力圖在第五代到達(dá)引領(lǐng)，得益于國家政策大力支持和通信人不懈努力我國移動(dòng)通信先后建設(shè)了9張網(wǎng)絡(luò)：A、B、C、G、D、3G(3張)和當(dāng)前正在大力建設(shè)TD-LTE(4G)第五代移動(dòng)通信

2、的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第3頁一、5G之路1G(the first generation)： A網(wǎng)和B網(wǎng)，模擬體制、FDMA，不一樣用戶同時(shí)分配不一樣頻點(diǎn)由愛立信和摩托羅拉建設(shè)，形成了 A網(wǎng)和 B網(wǎng)，兩張網(wǎng)用戶不能互通，A網(wǎng)地域是北京、天津、上海以及除河北、山東以外全國各地；B網(wǎng)地域是北京、天津、上海、河北、遼寧、江蘇、浙江、四川、黑龍江、山東等地。1996年1月，A、B網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，能在全國30個(gè)省(市、自治區(qū))自動(dòng)漫游，但從A網(wǎng)區(qū)到B網(wǎng)區(qū)，需要用戶在手機(jī)上操作轉(zhuǎn)網(wǎng)(1999年A網(wǎng)和B網(wǎng)同時(shí)關(guān)閉)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第4頁一、5G之路2G(the second generation)：C網(wǎng)、G網(wǎng)

3、和D網(wǎng)，數(shù)字體制、TDMA，不一樣用戶同頻分配不一樣時(shí)隙C網(wǎng)：CDMA1X，接通率高、噪聲小、發(fā)射功率小，能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話各種智能業(yè)務(wù)，電信運(yùn)行商重組前由中國聯(lián)通擁有G網(wǎng)：GSM， 20世紀(jì)90 年代中期開始建設(shè)，能提供許多新業(yè)務(wù)，含有漫游范圍廣特點(diǎn)，稱為“全球通”。G 網(wǎng)工作于900MHz頻段，頻帶比較窄。伴隨移動(dòng)用戶迅猛增加， G 網(wǎng)已到達(dá)容量飽和，為此又建設(shè)了“D”網(wǎng)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第5頁一、5G之路D網(wǎng)：DCS1800，基本體制與GSM900系統(tǒng)一致，但工作于1800MHz頻段，需要用全球通1800手機(jī)。假如使用雙頻手機(jī)，也能在G網(wǎng)漫游、自動(dòng)切換。許多城市是 DCS1800

4、系統(tǒng)和 GSM900系統(tǒng)同時(shí)覆蓋一個(gè)地域，稱為全球通雙頻系統(tǒng)，其容量能成倍增加2.5G：2G到3G銜接，經(jīng)典代表有：GPRS(General Packet Radio System)：提供分組數(shù)據(jù)交換，采取與G網(wǎng)相同頻段、帶寬、調(diào)制模式和TDMA幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)115kbps，支持隨時(shí)在線，按流量或時(shí)間計(jì)費(fèi)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第6頁一、5G之路EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution)：將 GPRS 發(fā)揮到極限，可透過無線網(wǎng)絡(luò)提供寬帶多媒體服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 384kbps，支持無線多媒體、電子郵件、網(wǎng)絡(luò)娛樂、視頻會議等

5、WAP(Wireless Application Protocol)：移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合第一階段性產(chǎn)物。用戶可用手機(jī)上網(wǎng)，但要求網(wǎng)站以WML(無線標(biāo)識語言)編寫，相當(dāng)于Internet上HTML(超文件標(biāo)識語言)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第7頁一、5G之路3G (the third generation)： TD-SCDMA、WCDMA、CDMA和WiMAX，不一樣用戶同時(shí)同頻分配不一樣碼字可提供豐富移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)，傳輸速率在高速移動(dòng)環(huán)境 144kb/s，步行慢速移動(dòng)環(huán)境384kb/s，靜止?fàn)顟B(tài)2Mb/s。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供比 2G更大系統(tǒng)容量、更加好通信質(zhì)量，能在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無縫漫游，

6、為用戶提供話音、數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)，并與2G系統(tǒng)兼容。3G主流標(biāo)準(zhǔn)有：WCDMA(中國聯(lián)通)、CDMA(中國電信)與TD-SCDMA(中國移動(dòng)) ，我國1月頒發(fā)3張3G牌照第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第8頁一、5G之路4G (the fourth generation)： TD-LTE和FDD-LTE，不一樣用戶分配不一樣子載波組集3G與WLAN于一體并能傳輸高質(zhì)量視頻業(yè)務(wù)，視頻質(zhì)量與高清電視相當(dāng)。4G系統(tǒng)能提供100Mbps下行速率，上行速率也高達(dá)20Mbps，能滿足幾乎全部用戶對無線服務(wù)要求。我國12月向3家運(yùn)行商同時(shí)頒發(fā)了TD-LTE牌照第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第9頁一、5G之路伴

7、隨4G全球商用，針對第五代移動(dòng)通信 (5G) 研究已成為近幾年通信業(yè)界共同關(guān)注熱點(diǎn)，業(yè)界致力于全方面開展5G商用人們將時(shí)間節(jié)點(diǎn)瞄準(zhǔn)主要原因是：近幾年，移動(dòng)通信網(wǎng)承載IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)年均增幅超出100%，從 年 3 艾字節(jié) (1艾字節(jié)=1016字節(jié)) 增加到 年將超出190艾字節(jié)，預(yù)計(jì) 年將超出 500 艾字節(jié)當(dāng)前需求最大業(yè)務(wù)是視頻流，但到可能會有新業(yè)務(wù)形態(tài)出現(xiàn)(如互動(dòng)業(yè)務(wù))終端數(shù)量和數(shù)據(jù)速率也將連續(xù)呈指數(shù)增加，預(yù)計(jì)通信終端將到達(dá)數(shù)十億 - 數(shù)百億臺(D2D、M2M)必須發(fā)展新通信技術(shù)來應(yīng)對未來移動(dòng)通信新需求第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第10頁一、5G之路當(dāng)前全球已經(jīng)有多個(gè)區(qū)域論壇和專題提出了5G

8、標(biāo)準(zhǔn)大致輪廓，并開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究：歐盟第七框架計(jì)劃(FP7)專題 METIS國際電信聯(lián)盟ITU-R 工作組 英國5GNOW論壇英國5G創(chuàng)新中心5GIC中英科學(xué)橋計(jì)劃中B4G無線移動(dòng)通信專題中國IMT-(5G)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第11頁一、5G之路日本電波產(chǎn)業(yè)協(xié)會 and Beyond Ad Hoc論壇韓國5G論壇歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織設(shè)置下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)論壇(NGMN)無線世界研究論壇(WWRF)3GPP組織即使在 LTE Rel-12 版本中已包括到諸如Massive MIMO等5G候選技術(shù)研究，但針對5G標(biāo)準(zhǔn)化工作尚無時(shí)間表，擬計(jì)劃成立5GPP工作組開展工作在企業(yè)界，愛立信、諾基

9、亞、三星、華為、大唐電信、阿爾卡特朗訊、中國移動(dòng)、DoCoMo等先后公布了5G白皮書和研究匯報(bào)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第12頁一、5G之路2月，國際電信聯(lián)盟無線通信部門(ITU-R)WP5D移動(dòng)通信系統(tǒng)工作組在越南召開了第18次會議，中國、歐洲、韓國、日本等國家和地域提出了各自5G構(gòu)想ITU-R將在今年世界無線電通信大會WRC-15上確定5G藍(lán)圖，在年世界無線電通信大會WRC-18上決定5G頻率，在2015-年前后正式確立5G移動(dòng)通信國際標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第13頁一、5G之路5月29日，中國 IMT-(5G) 推進(jìn)組在北京召開了第三屆IMT-(5G) 峰會，公布

10、中國5G無線技術(shù)架構(gòu)和5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書 ，包含5G關(guān)鍵技術(shù)有Filtered-OFDM（可變子載波OFDM）、稀疏碼多址（SCMA）、極化編碼（Polar Code）、Massive MIMO、網(wǎng)絡(luò)功效虛擬化( Network Function Virtualization)、網(wǎng)絡(luò)分片、控制功效重構(gòu)等 第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第14頁一、5G之路未來無線通信需要實(shí)現(xiàn)三大突破：構(gòu)建協(xié)同異構(gòu)融合無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第15頁一、5G之路發(fā)展面向不一樣需求各種接入伎倆2G、3G、4G、WiFi接入蜂窩、短距離、室內(nèi)、室外接入超短波、微波、毫米波、可見光集中式和分布式接

11、入授權(quán)、免申請頻譜接入第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第16頁一、5G之路建立以業(yè)務(wù)為驅(qū)動(dòng)信息傳輸模式：不一樣業(yè)務(wù)采取不一樣傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信源與信道跨層匹配、認(rèn)知和自適應(yīng)，增強(qiáng)傳輸能力第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第17頁一、5G之路盡管當(dāng)前5G還未形成標(biāo)準(zhǔn)，需求指標(biāo)尚不明確，基礎(chǔ)理論也不完善，關(guān)鍵技術(shù)有待攻克，但公認(rèn)5G關(guān)鍵技術(shù)最少應(yīng)包含：高密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) (ultra-densification HetNets) 大規(guī)模MIMO (massive multiple-input multiple-output)同時(shí)同頻全雙工通信 (all-duplex communication)毫米波、可見光

12、傳輸 (mmWave transmission, VLT)另外，還包含傳輸波形設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)虛擬化、頻譜效率和能量效率提升技術(shù)等第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第18頁二、5G需求研究和布署5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，首先需要明確5G需求是什么？5G工程需求主要包含數(shù)據(jù)速率、頻譜效率、能量效率、傳輸時(shí)延、可靠性等 數(shù)據(jù)速率總數(shù)據(jù)速率或區(qū)域容量：最少是4G1000倍邊緣速率或5%速率：最少是4G100倍，即用戶體驗(yàn)速率為0.1-1Gbps，足以滿足高清視頻流傳輸服務(wù)要求峰值速率：網(wǎng)絡(luò)能提供最大數(shù)據(jù)速率為數(shù)十Gbps第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第19頁二、5G需求傳輸時(shí)延4G系統(tǒng)往返時(shí)延是15ms (子幀時(shí)

13、長 1ms，含數(shù)據(jù)、資源分配和接入控制等開銷)，該時(shí)延能滿足當(dāng)前大多數(shù)業(yè)務(wù)傳輸要求，但 5G 系統(tǒng)支持業(yè)務(wù)包含互動(dòng)游戲、新觸屏業(yè)務(wù)、虛擬現(xiàn)實(shí)(Google眼鏡、穿戴式計(jì)算機(jī))、D2D等，要求往返時(shí)延是 1ms。為此，需要減小子幀時(shí)長，并改進(jìn)相關(guān)協(xié)議和關(guān)鍵網(wǎng)架構(gòu)資源效率頻譜效率：提升5-15倍能量效率：提升100倍成本價(jià)格：下降100倍第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第20頁二、5G需求其它支持能力支持不一樣類型大量終端設(shè)備并發(fā)接入支持1百萬/km2連接數(shù)密度數(shù)十Tbps/km2流量密度500km/hr以上移動(dòng)性第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第21頁二、5G需求性能指標(biāo)取值用戶體驗(yàn)速率0.1-1G

14、bps連接數(shù)密度時(shí)延數(shù)ms移動(dòng)性500km/h峰值移動(dòng)速率數(shù)十Gbps流量密度效率指標(biāo)改進(jìn)倍數(shù)頻譜效率5-15倍能量效率100倍成本效率100倍第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第22頁三、5G關(guān)鍵蜂窩網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘浚簻p小單小區(qū)覆蓋區(qū)域，提升頻譜復(fù)用度(宏蜂窩、小蜂窩、微蜂窩、中繼站、飛蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分層重合布署)充分利用空間資源，增加物理傳輸信道規(guī)模(如大規(guī)模MIMO技術(shù)、空間調(diào)制技術(shù)、協(xié)同MIMO技術(shù)、分布式天線系統(tǒng)、干擾管理機(jī)制等)利用各種路徑尋求可用頻譜資源(如認(rèn)知無線電、毫米波通信、可見光通信等)深入提升頻譜效率(如高階調(diào)制、自適應(yīng)調(diào)制編碼)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第23頁三、5G關(guān)鍵高

15、密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)密集布署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，利用更高頻譜復(fù)用度來提升頻譜效率和系統(tǒng)容量減小蜂窩尺寸能提升網(wǎng)絡(luò)容量，如在 1G 系統(tǒng)中，單蜂窩覆蓋區(qū)域到達(dá)數(shù)百平方公里，伴隨用戶數(shù)增加，系統(tǒng)容量需求越來越大，已逐步將單蜂窩覆蓋區(qū)域縮小為幾平方公里廣泛布署皮蜂窩 (picocell) 蜂窩半徑小于100米；飛蜂窩 (femtocell) 蜂窩半徑只有20 多米；分布式天線系統(tǒng) (DAS)類似于皮蜂窩，不一樣天線組覆蓋不一樣區(qū)域，但集中執(zhí)行基帶處理，共用ID第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第24頁三、5G關(guān)鍵縮小蜂窩尺寸好處：提升頻率復(fù)用度降低用戶接入沖突伴隨通信距離縮短，路徑損耗降低，功耗降低，能效提升、電磁污染減

16、小極端情況下，一個(gè)基站只為一個(gè)終端提供接入服務(wù)，資源管理和回程連接非常簡單缺點(diǎn)是建網(wǎng)成本增大；蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)雜；移動(dòng)切換頻繁；異構(gòu)多網(wǎng)混疊，干擾協(xié)調(diào)壓力大等第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第25頁三、5G關(guān)鍵高密度布署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)面臨技術(shù)挑戰(zhàn)包含：怎樣設(shè)計(jì)高密度異構(gòu)多網(wǎng)體系架構(gòu)和共存協(xié)調(diào)機(jī)制，在取得頻譜效率、能量效率、系統(tǒng)容量提升同時(shí)，防止網(wǎng)間干擾？怎樣設(shè)計(jì)新型無線接入技術(shù)，優(yōu)化邊緣數(shù)據(jù)速率？怎樣支持用戶高速業(yè)務(wù)和高移動(dòng)性需求？怎樣降低組網(wǎng)、運(yùn)維和回程(backhaul)鏈路成本？第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第26頁中國提出蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)統(tǒng)計(jì)表明：無線用戶在室內(nèi)時(shí)間約占 80%，在室外時(shí)間僅占 20%，

17、而當(dāng)前蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)是在小區(qū)中心布署一個(gè)室外基站，與移動(dòng)用戶進(jìn)行通信，不論該用戶是位于室內(nèi)，還是室外。室內(nèi)用戶與室外基站通信，電波必須穿透建筑物外墻，會產(chǎn)生嚴(yán)重穿透損耗，從而降低無線傳輸數(shù)據(jù)速率、頻譜效率和能量效率中國提出 5G 蜂窩架構(gòu)基本思想：將室內(nèi)和室外分離，以防止建筑物墻體造成穿透損耗采取分布式天線系統(tǒng) (DAS) ，圍繞小區(qū)在不一樣空間位置分布布署數(shù)十至數(shù)百根天線單元，這些天線單元經(jīng)過光纖接至基站設(shè)備，提供強(qiáng)大天線增益(分布布署、集中處理)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第27頁中國提出蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)室外用戶僅配置少許天線單元，經(jīng)過彼此協(xié)作，形成虛擬大規(guī)模 MIMO 鏈路(cooperat

18、ive communication)室外基站配置大規(guī)模MIMO (massive MIMO) 系統(tǒng)，并在每座建筑物外墻也安裝大規(guī)模天線陣列，用于與室外基站或分布式天線系統(tǒng)通信，這些大規(guī)模天線陣列經(jīng)過電纜與室內(nèi)無線接入點(diǎn)(WAP)連接第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第28頁中國提出蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于該架構(gòu)，室內(nèi)用戶僅需利用室內(nèi)布署WAP實(shí)施通信，而WAP與建筑物外墻上安裝大規(guī)模陣列天線連接，經(jīng)過與室外基站通信，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)用戶互聯(lián)互通室內(nèi)通信采取短程通信技術(shù)提供高數(shù)據(jù)速率，如WiFi、Femtocell、超寬帶(UWB)、毫米波和可見光通信(VLC)等毫米波通信和可見光通信因?yàn)轭l率高，穿透能力差，空氣、

19、雨霧、氣壓等自然環(huán)境原因均會對其形成吸收和散射，無法用于室外遠(yuǎn)距離通信，但其含有高帶寬卻可對室內(nèi)用戶提供短距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)谖宕苿?dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第29頁中國提出蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)該蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是異構(gòu)：宏蜂窩、微蜂窩、小蜂窩、中繼站等為滿足高速運(yùn)動(dòng)車輛(如高鐵、動(dòng)車)內(nèi)用戶通信需求，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中引入新網(wǎng)元移動(dòng)飛蜂窩 (MFemtocell)移動(dòng)飛蜂窩融合了移動(dòng)中繼和飛蜂窩特點(diǎn)，布署在車廂箱體內(nèi)部，為車內(nèi)用戶提供通信服務(wù)，而大規(guī)模天線布署在廂體外部與室外基站實(shí)施通信，大規(guī)模天線系統(tǒng)再經(jīng)過電纜與車廂內(nèi)飛蜂窩接入點(diǎn)連接，移動(dòng)飛蜂窩可看成是室外基站一個(gè)用戶單元，而移動(dòng)飛蜂窩接入點(diǎn)又可看成是車廂箱內(nèi)用戶

20、歸屬基站特點(diǎn)：短期內(nèi)基礎(chǔ)實(shí)施建設(shè)成本高，但從久遠(yuǎn)考慮，卻能有效改進(jìn)蜂窩平均吞吐量、頻譜效率、能量效率和數(shù)據(jù)速率第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第30頁日本提出蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)幻影蜂窩(Phantom Cell)：將宏蜂窩和小蜂窩重合布署，利用低頻段提供寬覆蓋范圍和控制信令交互，并支持移動(dòng)性，而利用高頻段為小蜂窩提供數(shù)據(jù)通信，即利用SHF頻段(3-30GHz) 和EHF頻段(30GHz以上) 構(gòu)建小蜂窩，配置在地鐵及公交車等移動(dòng)體上形成“移動(dòng)蜂窩小區(qū)”或布署在無線熱點(diǎn)地域，依據(jù)用戶移動(dòng)性和各蜂窩小區(qū)需求分配無線資源第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第31頁日本提出蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)幻影蜂窩用到大量新技術(shù)：非正交

21、多址 (NOMA) 接入技術(shù)：將一個(gè)時(shí)頻資源塊分配給多個(gè)用戶，可使無線接入宏蜂窩總吞吐量提升50% (在宏蜂窩中采取)在 SHF低段 (6GHz以下)布署小蜂窩采取區(qū)域重合和協(xié)作傳輸多點(diǎn)傳輸(CoMP)抑制相互干擾，而在 SHF高段 (6-30GHz)和EHF頻段布署小蜂窩采取大規(guī)模MIMO技術(shù)，為多個(gè)數(shù)據(jù)流分別形成定向波束CoMP是 LTE-A系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一，其基本思想是利用不一樣小區(qū)多個(gè)基站協(xié)同發(fā)送一個(gè)終端用戶數(shù)據(jù)或聯(lián)合接收一個(gè)終端用戶數(shù)據(jù)，在提升小區(qū)邊緣用戶頻譜效率同時(shí)，降低協(xié)作小區(qū)間干擾第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第32頁METIS提出蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)METIS 還未提出完整 5G蜂窩

22、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但圍繞需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)做了大量研究。5G以提升用戶體驗(yàn)為目標(biāo)，應(yīng)加強(qiáng)各種技術(shù)整合，如將宏蜂窩、微蜂窩、熱點(diǎn)小基站以及 WiFi等各種網(wǎng)絡(luò)融合，為不一樣場景用戶提供最正確服務(wù)。除了經(jīng)過提升無線傳輸能力承載更高數(shù)據(jù)速率外，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)是分布式、扁平化，以消除網(wǎng)絡(luò)流量瓶頸和傳輸時(shí)延，并符合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征METIS: Mobile and wireless communica-tions Enablers for the Twenty-twenty In-formation Society是由歐盟第七框架資助一個(gè)研究計(jì)劃聯(lián)盟，致力于研究5G移動(dòng)通信相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn) 第五代移動(dòng)通

23、信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第33頁未來網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和趨勢基于云組網(wǎng)技術(shù)：將數(shù)據(jù)中心置于云平臺上，能在任意地點(diǎn)和各種終端方便獲取，包括兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)功效虛擬化(NFV)：網(wǎng)絡(luò)功效從傳統(tǒng)與硬件設(shè)備綁定改變?yōu)榛谠朴?jì)算數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，既可在關(guān)鍵網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，也可在接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，如構(gòu)建云接入網(wǎng)(cloud-RAN) 軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)：將控制面和數(shù)據(jù)面分離，其關(guān)鍵包含：1)怎樣為控制面和數(shù)據(jù)面實(shí)體之間提供一個(gè)開放接口；2)外部應(yīng)用怎樣調(diào)用和控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)體 利用這兩項(xiàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)革命性改變第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第34頁未來網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和趨勢融入“人”網(wǎng)絡(luò)（Everything-in-the-loop）用戶

24、行為與需求成為網(wǎng)絡(luò)一部分，并影響和改變網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和信息傳遞“群落化”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依據(jù)用戶行為與需求，網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)個(gè)類似生物學(xué)上群落，形成邏輯群落，邏輯群落中含有頻繁信息交互“聯(lián)邦”自治式網(wǎng)絡(luò)固定物理位置(如寫字樓、商場)或相對位置(如車聯(lián)網(wǎng))形成物理群落，物理群落含有一定自主管控能力第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第35頁大規(guī)模MIMO技術(shù)MIMO：在收發(fā)兩端均配置多個(gè)天線單元，經(jīng)過增加天線數(shù)量，取得更大信道自由度(除時(shí)域和頻域外，增加大量空域自由度)。 MIMO技術(shù)是上世紀(jì)90年代末研究結(jié)果，率先用于WiFi，隨即也用于3G系統(tǒng)(WiMAX)假如陣元間距滿足要求，經(jīng)過交叉極化和角度配置，能確保信道矩

25、陣統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，利用空間維度能實(shí)現(xiàn)復(fù)用和分集，支持高速數(shù)據(jù)傳輸MIMO系統(tǒng)能有效改進(jìn)傳輸可靠性、頻譜效率和能量效率第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第36頁大規(guī)模MIMO技術(shù)在IEEE802.11n中，天線配置最多為4發(fā)4收IEEE 802.11ac和LTE-A中，天線配置最多為8發(fā)8收在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)橐苿?dòng)終端體積、重量、功耗等限制，普通配置1-2根天線在單用戶MIMO(SU-MIMO)系統(tǒng)中，天線數(shù)受限于終端，而在多用戶MIMO (MU-MIMO) 系統(tǒng)中，可將多個(gè)用戶終端天線組合，克服天線數(shù)受限瓶頸；在協(xié)作多點(diǎn) (CoMP)系統(tǒng)中，也可經(jīng)過多個(gè)基站協(xié)作構(gòu)建MIMO系統(tǒng)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技

26、術(shù)第37頁大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO(massive MIMO, large-scale MIMO)：收發(fā)兩端配置多根天線，尤其是在基站側(cè)配置大量天線單元，取得空間自由度(DoF)，既能實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)空間復(fù)用(intra-cell spatial multiplexing)，也能實(shí)現(xiàn)小區(qū)間干擾抑制(inter-cell interference mitigation)，提升頻譜效率和能量效率第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第38頁大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO技術(shù)優(yōu)勢：提升系統(tǒng)容量、頻譜效率和能量效率：大量基站天線能提供豐富空間自由度，支持空分多址，基站能利用相同時(shí)頻資源為數(shù)十個(gè)移動(dòng)終端提供

27、接入服務(wù)；利用波束形成技術(shù)使發(fā)送信號含有良好指向性，空間干擾?。焕锰炀€增益降低發(fā)射功率、提升系統(tǒng)能效、減小電磁污染降低硬件成本，提升系統(tǒng)魯棒性：大規(guī)模 MIMO總發(fā)射功率固定，單根天線發(fā)射功率很小，選取低成本功放即可滿足要求；因?yàn)榛咎炀€數(shù)量大，部分陣元故障不會對通信性能造成嚴(yán)重影響第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第39頁大規(guī)模MIMO技術(shù)提升數(shù)據(jù)傳輸可靠性：波束形成(下行預(yù)編碼)取得電波空間指向性能抑制多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)造成衰落，降低數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)率簡化多址接入?yún)f(xié)議：基于大規(guī)模MIMO + OFDMA，子載波信道增益基本相同，可省略資源調(diào)度，降低控制開銷；支持NOMA，基站利用相同時(shí)頻資源為特

28、定用戶發(fā)送分離信號第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第40頁大規(guī)模MIMO技術(shù)設(shè)計(jì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)：基站布署大量天線單元，怎樣降低下行鏈路信道狀態(tài)信息預(yù)計(jì)開銷(TDD, 信道互易性；FDD, 反饋機(jī)制) ？大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道響應(yīng)矩陣各元素不一定是獨(dú)立同分布，即存在相關(guān)性和互耦效應(yīng)(MC)，會降低信道容量，且相關(guān)信道傳輸不支持最大比合并(MRC)和最大比發(fā)送(MRT)，怎樣處理？在多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，小區(qū)間導(dǎo)頻復(fù)用會產(chǎn)生導(dǎo)頻污染，怎樣處理？(設(shè)計(jì)高效、合理導(dǎo)頻分配機(jī)制)怎樣構(gòu)建信道模型？(非平穩(wěn)、三維、衰落)怎樣設(shè)計(jì)陣列結(jié)構(gòu)？(共形天線設(shè)計(jì))二維波束形成算法：水平面方位角和垂直

29、面俯仰角形成三維定向波束第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第41頁空間調(diào)制(SM)設(shè)計(jì) MIMO 系統(tǒng)難點(diǎn)：一是信道間干擾(相關(guān)、互耦)問題；二是天線間同時(shí)問題；三是大量無線鏈路造成體積、成本和功耗問題空間調(diào)制 (spatial modulation) ：一個(gè)新 MIMO 技術(shù)，利用天線陣列每根天線空間位置發(fā)送部分已編碼數(shù)據(jù)，即發(fā)送信號包含信號星座圖和天線位置星座圖，經(jīng)過空間復(fù)用，提升數(shù)據(jù)速率。SM 既含有較低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，又不降低系統(tǒng)性能SM利用簡單調(diào)制和編碼機(jī)制就能實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)和高效頻譜效率第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第42頁空間調(diào)制(SM)空間調(diào)制原理：將信息比特映射到兩個(gè)信息載

30、體單元中，一個(gè)信息載體單元是在數(shù)字星座圖中選取數(shù)字調(diào)制符號，另一個(gè)信息載體單元是由發(fā)送天線組成空間星座圖中選擇發(fā)送天線序號任何時(shí)隙只有一根發(fā)射天線處于激活狀態(tài)：無信道間干擾、無需天線間同時(shí)，只需一個(gè)射頻鏈路經(jīng)過建立天線位置與傳輸比特之間對應(yīng)關(guān)系，利用陣元位置承載信息第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第43頁空間調(diào)制(SM)將發(fā)送信號流按照 比特分組，Nt為發(fā)射天線數(shù)，M為信號星座圖中點(diǎn)數(shù)(與調(diào)制方式相關(guān))每組比特由SM映射器分為兩部分： 和 ，分別用來選擇發(fā)射天線空間位置和數(shù)字星座圖中符號，在被選天線執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙其它天線處于靜默狀態(tài)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第44頁同時(shí)同頻全雙工通信在傳統(tǒng)

31、無線通信系統(tǒng)中，因?yàn)榇嬖诟蓴_，在相同頻段同時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)送是不可能，即電臺在相同信道上只能工作于半雙工模式，要么發(fā)送，要么接收，不能同時(shí)收發(fā)為何同時(shí)同頻全雙工通信困難？主要原因是當(dāng)電臺發(fā)送信號時(shí)，其本身接收單元能收到部分信號功率，因?yàn)槭瞻l(fā)單元之間距離很近，這部分自干擾功率會比期望接收信號功率強(qiáng)得多 ( 高100dB以上) ，為了防止自干擾，電臺只能在同一信道上工作于半雙工狀態(tài)，無法同時(shí)收發(fā)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第45頁同時(shí)同頻全雙工通信利用自干擾抵消技術(shù)，Stanford大學(xué)和Rice大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)全雙工通信好處：增加鏈路容量頻譜虛擬化任意分雙工新型中繼方案簡化干擾協(xié)

32、調(diào)第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第46頁毫米波和可見光通信關(guān)于毫米波通信：毫米波頻段位于30-300GHz范圍，20-30GHz頻段傳輸特征相對很好毫米波頻段一直未用于移動(dòng)通信主要原因是：該頻段傳輸特征差，路徑損失嚴(yán)重，受環(huán)境、氣候、溫度、濕度、氣壓等影響大，繞射能力和穿透能力差，加之嚴(yán)重相位噪聲和昂貴器件成本，該頻段僅用于超短距離無線傳輸，如在60GHz頻段構(gòu)建高速WiFiWiGiG，在28, 38, 71-76和80-86GHz頻段構(gòu)建超短距離固定無線通信系統(tǒng)等但伴隨半導(dǎo)體技術(shù)和工藝發(fā)展和成熟，器件成本和功耗大幅降低，充分利用毫米波頻段主要障礙僅剩下傳輸特征問題，經(jīng)過探尋有效傳輸技術(shù)也能逐

33、步克服第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第47頁毫米波和可見光通信路徑損失：大尺寸傳輸模型(Friis公式)傳輸距離不變，頻率升高10倍(如從3GHz升高至30GHz)，路徑損失增大20dB另外，受氣壓、雨霧等影響，毫米波頻段還會有15dB/km額外損失。缺點(diǎn)是傳輸距離深入縮短，優(yōu)點(diǎn)是在高密度異構(gòu)組網(wǎng)時(shí)，可降低對隔離度要求第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第48頁毫米波和可見光通信遮擋阻塞：毫米波反射和繞射能力差，傳輸環(huán)境中存在妨礙物遮擋時(shí)會形成阻塞，必須基于LOS傳輸 實(shí)測結(jié)果表明：在LOS傳輸條件下，收發(fā)間距離增加10倍，路徑損失增加20dB，而在NLOS傳輸條件下，收發(fā)間距離增加10倍，路徑損失

34、高達(dá)40dB，且還有15-40dB附加阻塞損失 斯坦福大學(xué)提出毫米波路徑損失模型第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第49頁毫米波和可見光通信可見光通信：用LED作為信號發(fā)射器，用本征光電二極管(PD)或雪崩光電二極管(APD)作為信號接收器可見光通信既可用作照明，也可同時(shí)用于提供寬帶無線通信連接信息由光功率承載，OFDM光調(diào)制在發(fā)端基于強(qiáng)度調(diào)制(IM)，在收端采取直接檢測(DD)試驗(yàn)表明：單只LED就能提供3.5Gbps數(shù)據(jù)速率。因?yàn)榭梢姽獠ㄩL較傳輸距離小得多，所以可見光通信幾乎不受快衰落影響在可見光通信中，現(xiàn)有多址接入技術(shù)、干擾協(xié)調(diào)技術(shù)等是否可直接移植，尚需驗(yàn)證第五代移動(dòng)通信的進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)第50