未来移动通信的发展趋势及关键技术

45,000
120%
40,000
35,000
78%
30,000
25,000
20,000
15,000
10,000
5,000
0
累计移动用户 新增移动用户 增长率
2356 1033
1998年 2356 1033 78%
97% 83%
4323
1967 1999年
4323 1967 83%
8526
4203 2000年
8526 4203 97%
70%
14481
5955 2001年 14481
5955 70%
26500 20558
42% 29%
6077
5942
2002年 20558 6077 42%
2003年 26500 5942 29%
34100
21% 5600
2004年 32100 5600 21%
36500
13.70% 4400
5G面临更大容量需求和频谱赤字： 根据预测，至2020年无线网络容量增长达1000倍
如何满足1000倍的容量增长需求？ （1）更多频谱→~3× （或10 × ,4 × ） （2）更高频谱效率→~6× (或 10 ×,12 ×)
无线接入 无线传输
（3）更多基站（更小小区）→~50× (或10 ×,10 ×)
• 导频污染
• 高效传输方法（如预编码方案）
❖ 3D MIMO
• 电磁波的传输平面增加俯仰角，
进一步扩展空间自由度
❖ 无线网络的干扰管理和容量研究
• 构建多维干扰状态模型 • 分析干扰和网络容量的关系
• 智能动态干扰管理机制
大规模MIMO
3D MIMO
第二十五页，编辑于星期二：二十二点 三十三 分。
第八页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
FDMA（1G模拟时代）
FDMA
功率
第九页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
1G：模拟蜂窝+FDMA
大区制
最主要需求：
蜂窝
系统容量
❖ 高功率（200－250w）的发射天线
❖ 几百甚至上千平方公里的范围的覆盖
❖ 每个大区的可用信道数很少
Power
Time
世界无线通信发展百年历程
全球移动通信用户15亿
宽带3G移动通信商用 2004
数字移动通信商用
2002
模拟移动通信商用
1994
摩托罗拉发明手机
1985
1973
雷达技术在二战期间诞生
1941
贝尔德发明电视机
1926
马可尼发明无线通信
1906
第四页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
我国移动通信发展历程
1970
第一代：话模音拟业移务（动模通拟信）
中国购买使用 TACS/AMPS…
第二代：中数低话字速音率移（数数动字据通）业务信
中国在技术成熟后期介入制
造GSM/CDMA
中国97年起开始跟踪研发3G同 时提出TD-SCDMA
第三代：宽多带媒移体动业通务 信
中国FuTURE
日本、韩国、欧盟研究计划
1980
2005年 36500 4400 13.70%
41200
12.80% 4700
2006年 41200 4700 12.80%
100% 80% 60% 40% 20% 0%
累计移动用户
新增移动用户
增长率
第七页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
02
移动通信关键技术
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提高通话质量（数字化＋信道编码纠错）
提高频谱利用率（低码率编码）
提高系统容量（低码率，语音激活技术）
Power
Time
TDMA: 每个用户占用一个时隙，提高系 统容量
FDMA/TDMA
Frequency
特点：
以频率复用为基础，小区内以时隙区 分用户
每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙 动态配置
第十二页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
4G：OFDM-MIMO+空分多址SDMA
最主要需求：高质量多媒体业务，更大系统容量
MIMO：多根发射天线与多根 接收天线
打破利用时、频、码三维资源 传输数据的局限，有效开发了
新的空域资源。
基于MIMO的SDMA进一步提
高频谱效率。
OFDM：多个低速数据流同时
调制在相互正交的子载波上传 送，适用于无线宽带信道下的 高速传输。
第二十二页，编辑于星期二：二十二点 三十三 分。
提高容量（1）——更多频谱
新频谱开发：主要是较高频段，适合更小小区
6~15GHz
空间隔离性好
60GHz毫米波
基础：新频谱电波特性 的测量与建模
有较高的频宽，但穿透性较差
白频谱
可见光通信
频谱共享——智能频谱利用
重点建议：智能频谱利用
第二十三页，编辑于星期二：二十二23点 三十三
第十九页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
解决思路
更多基站（更小小区）→~10× 新体制 无线网络架构革新
优良频率资源匮缺 网络独立，建设成本巨大 通信效率提升遭遇“收益递减法则” 再过10年怎么办！？
需要技术 和体制的
革新
更高频谱 效率 →~10× 无线传输 和接入
蜂窝 WLAN 广播
高效协作
卫星
更多频谱→~10× 新频段技术
新频谱
新频段
新技术
用户
第二十一页，编辑于星期二：二十二点 三十三 分。
总体规划
新体制
异构协同→~>60× 无线网络架构革新
更高频谱 效率 →~6× 无线传输 和接入
新技术
新型无 线通信 网络架
构
新频段通信技术
高效无线通信技术
更多频谱 →~300MHz×
新频段技术 新频谱
新型无线接入的尝试：非正交？？
4G
1G
功率
FDMA
2G
功率
TDMA
3G
功率
CDMA 第二十四页，编辑于星期二：二十二24点 三十三 分。
提高容量（2）—无线传输新技术
❖ 大规模MIMO
• 信道建模与分析 • 信道信息获取（相应导频设计） • 协调多用户联合资源调配 • 能耗问题 • 天线配置、基站选址
1990
2000
2010
后第三代 高分辨业务
2020
年代
第五页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
移动通信发展历程
1G (1980s)
2G (1992-2000)
2.5G (2000-2004)
3G (2004-至今)
AMPS
TACS
NMS Others
CDMA IS95 技术 GSM
颠覆性技术引领
OFDMMIMO，空 域资源利用
？：频谱， 接入，组网
模拟到数字， TDMA接入
源自文库
单一话音到多 媒体，CDMA接
入
5G
4G
容量，能耗， 业务
高速高质
3G 多媒体业
务和容量
2G
多媒体业 务和容量
1G
容量
话音业务和 容量
❖
移动通信系统每一次更新换代都解 决了当时的最主要需求
第十七页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
5G：颠覆性技术在哪里？
产生颠 覆性技 术的五 个方向
需要技术和策略 突破
5G：解 决三个主 要问题？
频谱利用
无线接入 无线传输 无线组网
业务与终端
容量不足 能耗高 提升用户体验
第十八页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
问题1：容量不足
移动通信的发展史表明，容量不足一直是无线通信系统发展 中的主要问题
与CDMA相比，OFDM传送数据的速 度更快，并且能够更好地对抗无线传输
环境中的多径效应。
第十五页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
03
未来移动通信技术
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第十六页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
移动通信系统发展中的颠覆性技术
移动通信系统每一次更新换代都有
提高容量（3）——更多基站（更小小区）
信息密度均匀高度不均匀下 的异构无线网络
第二十六页，编辑于星期二：二十二点 三十三 分。
第二十七页，编辑于星期二：二十二点 三十三 分。
❖ 蜂窝系统是一种革命性的变革
❖ 提高了频谱利用率和系统的服务质量
FDMA Frequency
第十页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
FDMA+TDMA（2G数字时代）
TDMA
功率
第十一页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
最主要需求：高质量话音，系统容量
数字化技术，如数字语音编码技术，是2G移动通信的主要突破 ❖ 意义：
的性能。
Turbo码在3G的应用，使得3G能够支持多媒体业务，打破了2G只支持话音和 短消息业务的局限。
❖ CDMA：每个用户使用一个码型，
Time
频率/时间共享
Power
❖ 特点
▪ 每个码传输一路数字信号
▪ 每个用户共享时间和频率
▪ 软容量、软切换，系统容量大
CDMA
Frequency
第十四页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
未来移动通信的发展趋 势及关键技术
通信一班第6小组：
第一页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
目录 移动通信发展历程
移动通信关键技术 未来移动通信技术
第二页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
01
移动通信发展历程
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第三页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
卫星
更多频谱→~10× 新频段技术
新频谱
新频段
新技术
第二十页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
解决思路
新体制
异构协同→~>10× 无线网络架构革新
异构协同：建立高效、开放、可扩 展、可信、智能的无线网络体制
需要技术 和体制的
革新
更高频谱 效率 →~10× 无线传输 和接入
互联网
蜂窝
WLAN 广播
分。
提高容量（2）——更高频谱效率：多址接入
多址技术是移动通信系统升级换代的核心之一
1G：频分多址（FDMA） 2G：时分多址（TDMA） 3G：码分多址（CDMA） 4G：空分多址（OFDMA+SDMA）
趋势：单一资源到 多维资源联合使用,
提高资源利用率
4G以OFDM-MIMO为核心的OFDMA和SDMA具有很强的生命力
FDMA+TDMA+CDMA（3G时代）
CDMA
功率
第十三页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
3G：Turbo码+CDMA Turbo码 最主要需求：多媒体业务，系统容量
1993年，C.Berrou等人提出了Turbo码，彻底颠覆了所有人们认为成功的纠错 码所要具备的因素。在复杂度可控的译码器的协助下,达到了近Shannon限
TDMA IS136 PDC
CDMA2000 1x
UMTS/
业务 GPRS
多媒体 WCDMA
CDMA2000-
EGPRS
EVDO
TD-SCDMA
WiMAX
语音业务
语音业务
数据业务
宽带业务
3G为用户与运营商提供了完整的综合业务解决方案
第六页，编辑于星期二：二十二点 三十三分。
我国移动通信发展迅速、规模巨大