5G移动通信系统关键技术研究

赫瑞瓦特大学
−中英科技桥计划 “B4G无线移动通信的研 发”，主持单位
爱丁堡大学
−在通信领域具有一系列先进的技术理论成果 −世界排名前20的传统强校 −占领空时调制技术、可见光通信研究前沿
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合作基础：前期合作
中英科技桥项目（UC4G)：超四代(B4G)无线移动通信研发
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成员构成：本项目牵头与参与单位都是UC4G的核心合作伙伴，具有良好的前期合作基础
研究延续：UC4G致力于B4G无线通信新技术研发，为本项目提供了良好的技术储备 交流平台：形成的中英未来无线网络联合研发中心为本项目提供天然的合作平台 优势互补：英方先进的基础理论技术与中方深厚的研发团队实力将形成良性互补
科研积累：
− − 曾承担国家级国际合作类项目5项 曾承担、参与国家科技重大专项3项

技术储备：
− 在IEEE JSAC，IEEE Trans. WC， IEEE Trans. SP，IEEE Trans. VT等国 际权威期刊、以及IEEE ICC、IEEE

GLOBECOM等会议发表论文300余篇
国家国际科技合作专项
国家国际科技合作专项 5G移动通信系统关键技术研究
项目负责人: 袁东风 教授
信息科学与工程学院, 山东大学
项目启动会 @ 济南，2014年7月23日
报告提纲
研究背景 拟开展的研究内容 合作必要性和合作基础
预期研究成果
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研究背景：第五代移动通信系统研究背景
第五代移动通信系统的研究意义：
能效与谱效关联的 资源管理
Receiver 2
Y Hx n
Y
Users
…
CSI feedback
Transmitter
Receiver 1
Hx n
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拟开展的合作研究：子课题3
子课题3：能量效率提升技术
能量效率提升
网络能量消耗模型
自适应跨层能效传输机 制
异构网间协作资源分配 策略
合作基础：前期合作
中英科技桥项目（UC4G)：超四代(B4G)无线移动通信研发
取得的标志性成果：
致力于B4G无线通信新技术开发 发表论文约100篇（50篇期刊论文；4篇国际会议 最佳论文）；或授权专利2项 人员互访交流30人次；8次项目国际研讨会 B4G MIMO无线平台（世界第一次硬件演示了新 型MIMO技术：空间调制） 成立中英未来无线网络联合研发中心
移动覆盖 率增强
针对高速移 动场景 移动飞蜂网 − 通过电磁场理论与实际测量手段相 结合，建立高速移动场景的信道统 计模型 − 利用空间拓扑理论，探讨覆盖度与 能效的折中，设计最优的接入点布 局方案与组网结构 − 采用跨层设计思想，进行网络扁平 化设计，减少信令载荷及时延、实 现小区间高效切换 针对人口密 集地区 小蜂窝组网 − 建立结合小蜂窝和宏蜂窝的异构网 络架构模型 − 研究异构网络干扰协调、消除等干 扰管理技术（IA） − 采用小区间负载均衡、资源调度以 及多点协同技术，实现灵活切换与 资源的有效利用
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合作基础：中方团队简介
中方团队构成：
袁东风教授团队 张川博士团队 张靖、李强副教授团队 王江副研究员团队 山东大学 （牵头单位） 东南大学 （移动通信国家重点实验室） 华中科技大学 上海无线通信研究中心（科技部无线通信国际合作研究中心）
H. Zhang, Y. Ma, D. Yuan, and HH Chen, “Quality-of-Service Driven Power, Bit and Subcarrier Allocation policy for Vehicular 中国瑞典国际合作基金项目：“Ad Hoc、 Communication Networks,” IEEE JSAC, vol. 29, no. 1, pp. 197传感器、Mesh网络及协作网络：自组织 206, Jan. 2011. IMT-Advanced ：多址技术研发 无线接入网关键技术研究”
百姓需求
市场巨大
标准话语权
5G 4G
3G
无论从社会需求、巨大的市场、还是国际话语权，开展5G移动 通信系统研发皆具有重要意义!
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答辩提纲
研究背景 拟开展的研究内容 合作必要性和合作基础
预期研究成果
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拟开展的合作研究：研究目标与关键问题
5G目标：业务量提高1000倍、单位面积吞吐量提升25倍、能效、谱效提升10倍，峰值速率 达到 10Gbps
以随机服务的思想从业务端到端的角度，分析网络能效与时延之间的定量映射关系
根据业务的服务质量要求、空时分布，设计面向能效的弹性跨层自适应传输机制 分析不同网络架构特点，建立多小区异构网络小区平均能效模型，给出多小区协作通信 的高能效资源分配策略
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拟开展的合作研究：子课题4
子课题4：移动覆盖率增强技术
更多的频谱： 合理解决频谱 资源受限问题
子课题1 频谱资源拓展技术
更多网络覆盖： 保证通信稳定的 问题
Ctotal
HetNets Channels

Bi log 2 (1 Pi / N )
子课题2 频谱效率提升技术
子课题3 能量效率提升技术
更多的空间信道： 有效解决频谱效率 提升问题 更多的功率： 妥善高效使用 功率的问题
子课题5 可验证部分 关键技术的 仿真平台
子课题4 覆盖度增强技术
完整的5G移动通信系统技术方案
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拟开展的合作研究：子课题1
子课题1：频谱资源拓展技术
拟开展的合作研究：
认知无线电技术 现有资源的 循环使用
− 联合考虑用户QoS与网络资源的认知 模型
频谱资 源拓展
获取新的可 用频段
− 以博弈论、凸优化为基础的动态资源 分配策略
NSFC重点项目 （1项）
基于认知无线电的中继 与协同通信研究 （60832008 ）
NSFC面上项目 （4项）
基于空间调制的多天线传输理论与应 用研究(61271229) 异构无线传感器网络中的协作多媒体 通信理论研究与实现(61071122) 认知无线电中功率控制算法的研究 （60972043） 宽带无线通信网络中跨层联合设计的 研究(60672036)
中方申报单位
• 山东大学
中方协作单位
• 东南大学 • 华中科技大学 • 上海无线通信研 究中心
−“985工程”国家重点高校
−各有所长，优势现互补
上海无线通信研究中心
−无线通信国际合作研究中心 −国际科技合作基地
外方合作单位
• 英国赫瑞瓦特大 学
外方协作单位
• 英国爱丁堡大学
−下一代移动通信系统关键技术的研究开发
− 申请专利80余项
合作基础：中方团队简介
山东大学——中方牵头单位
优势领域：无线网络跨层设计通信理论、新一代无线传输关键技术
平台 （2个）
中国虹计划协同 创新中心 山东省高校无线 通信重点实验室
国家重大专项 （1项）
IMT-Advanced多址技术研发：基于 OVCDMA的多址和同频组网技术研 发(2009ZX03003-006-04)
C. Zhang and K. K. Parhi, “Low-Latency Sequential and ：移动通信无线组网技 IMT-Advanced 科技部对欧盟技术专项：“无线网络中 Overlapped Architectures for Successive Cancellation Polar 术研究开发 协作通信关键技术合作研究” Decoder,” IEEE Trans. Signal Processing, vol. 61, issue 10, IMT-Advanced ：关键技术仿真平台 pp. 2429-2441, 2013. May 科技部国际合作专项：“下一代绿色无 线蜂窝网联合研究” J. Zhang, X. Ge, Z. Li, G. Mao and Y. Yang, “Analysis of the uplink maximum rate with location dependent inter achievable 科技部国际合作专项：“未来宽带无线 接入关键技术研发” cell signal interference factors based on linear wyner model,” IEEE Trans. Vehicular Technology, vol. 62, no. 9, Nov. 2013. 国家自然科学基金重大国际合作项目： Q. Li, S. H. Ting, “绿色通信网络信息空间协作优化理论 A. Pandharipande and M. Motani, “Cooperate与关键技术研究” and-Access Spectrum Sharing with ARQ-Based Primary Systems,” IEEE Trans. Communications, vol. 60, no. 10, pp. 18/31 2861-2871, Oct. 2012.
袁东风——教授、中国虹计划协同创新中心首席科学家
享受国务院政府特殊津贴专家，国家教育部电子信息学科理科教学指导委员 会委员，IEEE高级会员，IEEE山东分会主席，山东省电子学会副理事长，山 东省有突出贡献的中青年专家，北京邮电大学兼职教授博导 承担国家科技重大专项、国家自然科学基金重点项目等项目20余项，获教育 部提名国家自然科学二等奖、山东省自然科学二等奖等省部级奖励10余项 在IEEE JSAC, TWC, TVT等国际著名期刊发表论文348篇，其中SCI 56篇，EI 292篇，申报国家发明专利52项（25项授权） 19/31
来源：Nokia Research Center
高频段（可见光、毫米波）通信技术
− 信道建模与信号特性分析 − 协作布局组网、传输调制机制设计
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拟开展的合作研究Fra Baidu bibliotek子课题2
子课题2：频谱效率提升技术
大规模天线系统 （Massive MIMO）
信道特性及容量增 长规律
信道信息的获取
多用户、多数据流传 输机制
韩国：Samsung宣布开发出 第一套以5G技术为核心的系统 （2013年） 国际合作专项： 搭建一个国际共同研发的平台
国际上对于5G的研发皆处于起步阶段，属于占领5G技术的关键时机 国际上现有的研究组织具有鲜明的地域性，鲜有国际间的合作产生 本项目致力于打造国际研发合作平台，通过深度研究合作，取各家之长，实现协同 创新；提升我国在国际上的竞争力，通过平台推广，提升我国在国际上的影响力和 认知度。
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拟开展的合作研究：技术路线
频效提升 技术 频谱拓展 技术
高频段通信组网设计 认知的频谱接入 多天线资源调度
完 整 的 5G 技 术 体 系
异构组网方案
移动飞蜂网扁平化设计 小蜂窝异构组网方案 能效优先的区间资源调度
高频段通信传输方案 大规模天线传输机制
跨层调度机制
能效优先的资源 分配策略
物理层传输方案
移动飞蜂网传输技术 小蜂窝传输技术 能效优先的自适应传 输机制
覆盖增强 技术
能效提升 技术
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报告提纲
研究背景 拟开展的研究内容 合作必要性和合作基础
预期研究成果
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合作必要性
中国：IMT-2020 欧盟：METIS项目 （5千万欧元，2013年） 工作推进组成立 （2013年） 美国：纽约理工学院、国家仪器公司 正在进行5G研发
外 方 基 础
• 深厚的理论研究基础
• 一系列原创基础理论成果 • 学术水平一流的国际学者
通过原始理论成果的技术再创新，迅速获取一批有竞争力的5G关键技术 实现我国从“通信大国”到“通信强国”的转变 14/31
合作基础：合作单位
山东大学、东南大学、华中科技大 学
−主持、参加多项国家级重大、重点以及国际 合作项目
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合作必要性
• 良好的人才、资源储备
• 具有潜力的科研人才团队 • 良好的科研平台与设备
中 方 基 础
外 方 亟 需
• 原始理论的技术实现
• 科研人才资源的支撑 • 基础理论的实现设计
优势互补 合作双赢
• 先进的5G关键技术
• 国际领先的原创理论思路 • 科研人员培养与快速成长
中 方 亟 需
通信需求
更高 吞吐量 更快 数据速率 更强 服务质量
通信资源
频谱资源 消耗殆尽 能量资源 绿色环保需求
移动通信中的 根本矛盾与核心问题
如何在频谱、能量资源受限的前提下，解决通信需求快速增长与通信资源 匮乏之间的矛盾，提升系统容量，实现第五代移动通信系统的目标要求？
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拟开展的合作研究：研究方向