移动通信5G关键技术

−1EB=1000PB
4
−1PB=1000TB
5G发展需求
➢ 新型移动业务层出不穷
Desktop-like experience on the go
Lifelike media everywhere
An intelligent web of connected things
Real-time remote control of machines
Transmitter
−
OFDM
−−
mod. (IFFT)
−
Tx Filter Bank
−Channel
Noise
传统OFDM功率谱
FBMC功率谱
Receiver
−
OFDM
− − demod. (FFT)
−
−
Rx Filter
−
Bank
用滤波器组替代CP ✓ 对载波频偏不敏感 ✓ 提高了频效和能效
关键传输技术（2）——频谱拓展技术
➢ 毫米波通信——开发高频段
商用带宽分配， 40GHz以下比较窄
40GHz以上频段分配的商用带 宽达几十GHz。
− 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快于光纤速率（
faster than fiber）
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Mbps
✓ 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
✓ 海量设备带来的能耗增 加为绿色通信的要求带 来挑战
5G发展需求
➢ 为了实现5G发展目标，需要什么关键技术？
2G
TDMA −GSM −NSS
3G
CDMA −TD-SCDMA −WCDMA −CDMA-2000 −GPRS Core Network
5G移动通信关键技术
提纲
5G发展需求与挑战 5G关键传输技术 5G新型网络架构 相关研究基础
2
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
Connections Bytes/Month
Percent Devices
10.2Bn 7.8Bn
2013
2018
year
1.5EB
15.9EB
2013
2018
year
Cloud Resource
35%
70%
2013
2018
year
12.5Bn
50Bn
2010
2020
year
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, 2014
−挑战
• 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）
−* 为基站天线数目
大规模天线被公认为5G关键技术之一
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
−挑战
卫星
军事
10~400 GHz频段大气衰减
• 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）
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
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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 −……
移动发展需求与4G业务服务能力的对比
7
TU-R WP5D/TEMP/390-E
5G发展需求
➢ 5G移动通信技术研究已在全球全面开展
5G IC
8
5G发展需求
➢ 中国IMT-2020(5G)推进组关键技术指标要求
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
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）
6
5G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
Femtocell的射频基站。
20
H. Haas, "High-speed wireless networking using visible light," SPIE Newsroom, 2013.
关键传输技术（3）——大规模天线技术
➢ MIMO技术的演进
−5G
−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）
WRC-15 AI 1.2 candidate bands below 6GHz 2G/3G/4G re-farming
0
3GHz
6GHz
Potential bands above 6GHz for 2020’s
>60GHz
(>6GHz)频谱分配原则
① 优先保障移动通信的频谱资源
② 技术上可以实现
③ 连续500MHz带宽可用
Communications Magazine, vol. 52, pp. 97-105, 2014.
26
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
关键传输技术（2）——频谱拓展技术
➢ 可见光通信（Visual light communication: VLC）
780nm
380 nm
可见光频谱带宽是无线电频谱带宽的万倍
−优势
• 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
−挑战
• 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
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
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关键传输技术（2）——频谱拓展技术
➢ 可见光通信（Visual Light Communication: VLC）
可见光通信可显著改善室内通信传输速率
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
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关键传输技术（2）——频谱拓展技术
−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
✓ 10-40GHz频段，仅能达到几百Mbps
✓ 60-80GHz频段，可达1Gbps ✓ 100GHz以上，可达10Gbps
18
J. Wells, "Faster than fiber: The future of multi-G/s wireless," IEEE Microwave Magazine, vol. 10, pp. 104-112, 2009.
频谱拓展技术
能效提升技术
超密异构组网 D2D、M2M
大规模天线、FBMC 认知无线电、
、空间调制
毫米波、可见光
绿色通信 干扰管理
多址技术、用户调度、资源分配、用户/网络协作
关键传输技术（1）——认知无线电
➢ 认知无线电——提高已分配频谱的利用效率
−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。
Workshops, 2013 , pp. 223-228.
−4G：3GPP LTE标准
−支持SISO，2×2MIMO， 4×4MIMO。下行峰值速率 100Mb/s。
−3G：WCDMA HSPA标准
−只能使用SISO，下行峰值速率 7.2Mb/s
−4G：3GPP LTE-A标准
−最 多 支 持 8×8MIMO ， 下 行 峰 值 速 率1Gb/s
−3G：WCDMA HSPA+标准
时对微小区进行控制和调度（demo: NTT docomo）
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景
24Βιβλιοθήκη 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
−支 持 2×2MIMO ， 下 行 峰 值 速 率 42Mb/s
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关键传输技术（3）——大规模天线技术
➢ 大规模天线——有效提高谱效率
−何为大规模天线：大量天线为相对少的用户提供同传服务
10倍
系统容 量
发射能 量
−
100 倍
能量效 率
−优势
• 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
✓ 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 waveforms for future mobile applications," IEEE
−挑战
• 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）
OFDM是未来5G的关键传输波形技术，其性能仍有提升空间
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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）
Transmitter
−
OFDM
−−
mod. (IFFT)
−
CP insertion
−Channel
Noise
−优势
• 频谱利用效率高（与传统FDM相比，提高 一倍）
Receiver
−
OFDM
− − demod. (FFT)
−
−
CP
−
removal
• 抗频率选择性衰落 • 利用FFT/IFFT模块，容易实现
④ 能与其他系统共存
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WRC-15 AI 1.2
关键传输技术（2）——频谱拓展技术
➢ 毫米波通信——开发高频段
高频段带宽资源尚待开发 60GHz频段 毫米波 (mmWave, 30~300 GHz, 1~10 mm, 广义毫米波包含20~30 GHz)
−优势
• 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
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5G发展需求
5G关键性能指标与已有标准的对比
10
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
✓ 有限的频谱资源一直以来制约着无 线通信系统性能提升
✓ 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
✓ 新型通信技术和高 频段开发给半导体 技术带来挑战
4G
OFDM、MIMO −LTE-A −WiMAX −SAE
5G
？
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。
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提纲
5G发展需求与挑战 5G关键传输技术 5G新型网络架构 相关研究基础
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关键传输技术——总览
增加覆盖
增加信道
增加带宽
增加SINR
覆盖增强技术
频效提升技术
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
测试条件：3层办公楼被7个LTE宏基站包围，楼层间
Attocell和Femtocell的单位面积频谱效率(ASE)比值
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