5G移动通信关键技术

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 覆盖增强技术 超密异构组网 D2D、M2M
增加信道 频效提升技术 大规模天线、 FBMC、空间调制
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）
−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
−3G：WCDMA
−4G：3GPP
LTE-A标准
−最多支持 8×8MIMO ，下行峰
−只能使用SISO，下行峰值
值速率1Gb/s
速率7.2Mb/s
HSPA+标准
−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
增加带宽 频谱拓展技术 认知无线电、 毫米波、可见光
增加SINR 能效提升技术 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
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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。
Bytes/Month Connections
1.5EB
7.8Bn
Percent
Devices
10.2Bn
15.9EB
70% 35% 2013 2018
50Bn
12.5Bn 2010 2020
2013
year
2018
2013
year
2018
year
year
用户数、连接设备数、数据量均持续呈指数式增长。
大规模天线被公认为5G关键技术之一
−
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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，同时对微小区进行控制和调度（demo: NTT docomo）
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 − ……
TU-R WP5D/TEMP/390-E
移动发展需求与4G业务服务能力的对比
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5G发展需求
5G移动通信技术研究已在全球全面开展
5G IC
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5G发展需求
中国IMT-2020(5G)推进组关键技术指标要求
5G vs 4G
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 9/59 百倍成本效率增加
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
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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）
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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
5G移动通信关键技术
袁东风
信息科学与工程学院 山东大学 2014年12月12日
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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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
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5G发展需求
移动通信将持续快速发展
Cloud Resource
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 10-40GHz频段，仅能达到几百Mbps 60-80GHz频段，可达1Gbps 100GHz以上，可达10Gbps
挑战
子载波 间隔 15kHz 15kHz 5.21 μ 4.69μs 16.67μs 67.7μs 67.7μs
CP比例
7.2% 6.5% 20%
• 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）
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OFDM是未来5G的关键传输波形技术，其性能仍有提升空间
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
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
军事 卫星
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） 17/59
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
10 倍
系统 容量 发射 能量
−
优势
100 倍 能量 效率
• 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 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）
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 Noise
Tx Filter Bank
− − − −
−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
−1EB=1000PB −1PB=1000TB
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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
<1 GHz [MHz] 1-2 GHz [MHz] 2-3 GHz [MHz] 3-5 GHz [MHz] 5-6 GHz [MHz]
410-430, 470-694/698, 694/698-790 1300-1400, 1427-1525/1527, 16951700/1710 2025-2100, 2200-2290, 2700-3100 3300-3400, 3400-4200, 4400-5000 5150-5925, 5850-6245
测试条件：3层办公楼被7个LTE宏基站包围， 楼层间损耗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Femtocell的射频基站。
Attocell和Femtocell的单位面积频谱效率(ASE)比值
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H. Haas, "High-speed wireless networking using visible light," SPIE Newsroom, 2013.
挑战
器件 功率
干扰
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
新型通信技术 和高频段开发 给半导体技术 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
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5G发展需求
为了实现5G发展目标，需要什么关键技术？ 5G 4G 3G 2G
CDMA TDMA −GSM −NSS −TD-SCDMA −WCDMA −CDMA-2000 −GPRS Core Network OFDM 、 MIMO −LTE-A −WiMAX −SAE
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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
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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
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
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J. Wells, "Faster than fiber: The future of multi-G/s wireless," IEEE Microwave Magazine, vol. 10, pp. 104-112, 2009.
关键传输技术（2）——频谱拓展技术
可见光通信（Visual light communication: VLC ）
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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 挑战
Transmitter Noise
CP insertion
− − − −
− − − −
LTE CP 配置 常规CP 扩展CP
OFDM mod. (IFFT)
优势
− −
Receiver
OFDM demod. (FFT) CP removal
−
• 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
5G发展需求
Max downlink speed
12000 >10000 10000
Max uplink speed
1200 >1000 1000 800 600 400 500
Latency round trip time
160 140 120 100 100 150
MBPS
MBPS
8000 6000 4000 2000 0.384 14 0 28 100 1000
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
MS
80 60 40 50 10
200
0.128 5.7
0
11
50
20
0
5
<1
5G关键性能指标与已有标准的对比
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5G发展需求
频谱 资源 无缝 接入 信道
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
多频段、多接 入模式、小的 覆盖半径给网 络技术带来挑 战