移動通信5G關鍵技術ppt課件.ppt

5G移動通信關鍵技術,1/59,2/59,5G關鍵傳輸技術,5G新型網(wǎng)絡架構,5G發(fā)展需求與挑戰(zhàn),相關研究基礎,提綱,2/59,5G發(fā)展需求,移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來移動通信發(fā)展的兩大驅(qū)動力,3/59,3/59,4/59,5G發(fā)展需求,移動通信將持續(xù)快速發(fā)展,用戶數(shù)、連接設備數(shù)、數(shù)據(jù)量均持續(xù)呈指數(shù)式增長。,VNIGlobalMobileDataTrafficForecast2013-2018,Cisco,2014TheMobileEconomy,GSMA,2014InternetofThings,Cisco,2013IMT-2020Summit,Samsung,2014,1EB=1000PB1PB=1000TB,4/59,5/59,5G發(fā)展需求,新型移動業(yè)務層出不窮,云操作、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、智能設備、智能交通、遠程醫(yī)療、遠程控制等各種應用對移動通信要求日益增加,5/59,6/59,5G發(fā)展需求,用戶體驗要求不斷提升,千億設備連接（無處不在）海量數(shù)據(jù)傳輸（大數(shù)據(jù)）所觸即所得的用戶體驗（高QoE）,6/59,7/59,5G發(fā)展需求,4G移動通信技術無法滿足未來的業(yè)務和用戶體驗需求,移動發(fā)展需求與4G業(yè)務服務能力的對比,TU-RWP5D/TEMP/390-E,任何時間(Anytime)、任何地點(Anywhere)的一致用戶體驗用戶密集度高的區(qū)域高速移動場景極低時延需求,7/59,8/59,5G發(fā)展需求,5G移動通信技術研究已在全球全面開展,8/59,9/59,5G發(fā)展需求,中國IMT-2020(5G)推進組關鍵技術指標要求,5Gvs4G規(guī)模和場景十倍用戶數(shù)密度增長百倍數(shù)據(jù)流量密度增長兩倍移動速率增加數(shù)據(jù)率千倍單位面積容量增長百倍用戶體驗速率增長幾十倍峰值傳輸速率增長時延十倍端到端延時降低能耗和成本百倍能效增加十倍譜效增加百倍成本效率增加,9/59,10/59,5G發(fā)展需求,5G關鍵性能指標與已有標準的對比,10/59,5G發(fā)展需求,多頻段、多接入模式、小的覆蓋半徑給網(wǎng)絡技術帶來挑戰(zhàn),新型通信技術和高頻段開發(fā)給半導體技術帶來挑戰(zhàn),海量設備帶來的能耗增加為綠色通信的要求帶來挑戰(zhàn),信道在高速移動條件下的惡化和高頻段信道的開發(fā)為高傳輸速率技術帶來挑戰(zhàn),有限的頻譜資源一直以來制約著無線通信系統(tǒng)性能提升,小區(qū)密集化以及移動設備的增加導致的干擾制約網(wǎng)絡容量增長和傳輸速率增加,11/59,11/59,12/59,TDMAGSMNSS,CDMATD-SCDMAWCDMACDMA-2000GPRSCoreNetwork,OFDM、MIMOLTE-AWiMAXSAE,5G,4G,3G,2G,？,5G發(fā)展需求,為了實現(xiàn)5G發(fā)展目標，需要什么關鍵技術？,5G通信性能的提升不是單靠一種技術，需要多種技術相互配合共同實現(xiàn)。,12/59,13/59,5G關鍵傳輸技術,5G新型網(wǎng)絡架構,5G發(fā)展需求與挑戰(zhàn),相關研究基礎,提綱,13/59,關鍵傳輸技術總覽,頻譜拓展技術,頻效提升技術,能效提升技術,覆蓋增強技術,多址技術、用戶調(diào)度、資源分配、用戶/網(wǎng)絡協(xié)作,超密異構組網(wǎng)D2D、M2M,大規(guī)模天線、FBMC、空間調(diào)制,認知無線電、毫米波、可見光,綠色通信干擾管理,增加覆蓋,增加信道,增加帶寬,增加SINR,14/59,14/59,15/59,關鍵傳輸技術（1）認知無線電,2014年7月，國家無線電監(jiān)測中心和全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會發(fā)布450MHz-5GHz關注頻段頻譜資源評估報告，給出了北京、成都和深圳等城市部分無線電頻譜占用統(tǒng)計數(shù)字。,統(tǒng)計結(jié)果表明，5GHz以下所關注頻段大部分的使用率遠遠小于10%，說明5GHz以下頻段使用效率有大量的提升空間。為了提高頻譜利用率，未來5G需要采用認知無線電技術,認知無線電提高已分配頻譜的利用效率,15/59,16/59,關鍵傳輸技術（2）頻譜拓展技術,0,3GHz,6GHz,60GHz,2G/3G/4Gre-farming,WRC-15AI1.2candidatebandsbelow6GHz,Potentialbandsabove6GHzfor2020s,WRC-15AI1.2,(6GHz)頻譜分配原則優(yōu)先保障移動通信的頻譜資源技術上可以實現(xiàn)連續(xù)500MHz帶寬可用能與其他系統(tǒng)共存,16/59,17/59,關鍵傳輸技術（2）頻譜拓展技術,高頻段帶寬資源尚待開發(fā)60GHz頻段毫米波(mmWave,30300GHz,110mm,廣義毫米波包含2030GHz),10400GHz頻段大氣衰減,衛(wèi)星,軍事,毫米波通信開發(fā)高頻段,毫米波可用于室內(nèi)短距離通信，也可為5G移動通信系統(tǒng)提供Backhaul鏈路,17/59,18/59,關鍵傳輸技術（2）頻譜拓展技術,毫米波通信技術目前已經(jīng)實現(xiàn)10Gbps的傳輸速率據(jù)預測，未來毫米波通信速率可快于光纖速率（fasterthanfiber）,J.Wells,Fasterthanfiber:Thefutureofmulti-G/swireless,IEEEMicrowaveMagazine,vol.10,pp.104-112,2009.,40GHz以上頻段分配的商用帶寬達幾十GHz。,商用帶寬分配，40GHz以下比較窄,要實現(xiàn)更高的傳輸速率，需要更高的載波頻譜10GHz以下頻段，僅能達到幾十Mbps10-40GHz頻段，僅能達到幾百Mbps60-80GHz頻段，可達1Gbps100GHz以上，可達10Gbps,毫米波通信開發(fā)高頻段,18/59,19/59,可見光通信（Visuallightcommunication:VLC）,關鍵傳輸技術（2）頻譜拓展技術,可見光頻譜帶寬是無線電頻譜帶寬的萬倍,380nm,780nm,可見光通信在5G中可用于室內(nèi)短距離通信、車聯(lián)網(wǎng)通信、水下通信等,19/59,20/59,關鍵傳輸技術（2）頻譜拓展技術,已有研究表明，光attocell的譜效比射頻Femtocell的譜效最高提升近3個數(shù)量級,H.Haas,High-speedwirelessnetworkingusingvisiblelight,SPIENewsroom,2013.,可見光通信可顯著改善室內(nèi)通信傳輸速率,Attocell和Femtocell的單位面積頻譜效率(ASE)比值,測試條件：3層辦公樓被7個LTE宏基站包圍，樓層間損耗FL=17dB，內(nèi)墻損耗為12dB，外墻損耗為20dB.紅色小點表示Attocell的可見光基站，綠色菱形表示Femtocell的射頻基站。,可見光通信（VisualLightCommunication:VLC）,20/59,21/59,關鍵傳輸技術（3）大規(guī)模天線技術,4G：3GPPLTE-A標準,4G：3GPPLTE標準,5G,3G：WCDMAHSPA+標準,大規(guī)模天線：基站使用大規(guī)模天線陣列（幾十甚至上百根天線）,支持SISO，22MIMO，44MIMO。下行峰值速率100Mb/s。,支持22MIMO，下行峰值速率42Mb/s,最多支持88MIMO，下行峰值速率1Gb/s,3G：WCDMAHSPA標準,只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/s,MIMO技術的演進,21/59,關鍵傳輸技術（3）大規(guī)模天線技術,何為大規(guī)模天線：大量天線為相對少的用戶提供同傳服務,系統(tǒng)容量,10倍,100倍,能量效率,發(fā)射能量,*為基站天線數(shù)目,大規(guī)模天線有效提高譜效率,大規(guī)模天線被公認為5G關鍵技術之一,22/59,22/59,關鍵傳輸技術（3）大規(guī)模天線技術,大規(guī)模天線應用場景：中心式天線系統(tǒng)適用于宏蜂窩小區(qū)，中心基站使用大規(guī)模天線微小區(qū)為大部分用戶提供服務，而大規(guī)模天線基站為微小區(qū)范圍外的用戶提供服務，同時對微小區(qū)進行控制和調(diào)度（demo:NTTdocomo）,23/59,23/59,24/59,關鍵傳輸技術（3）大規(guī)模天線技術,大規(guī)模天線應用場景：分布式天線系統(tǒng)多根天線分布在區(qū)域內(nèi)聯(lián)合處理(C-RAN)適用于高用戶密度或者室內(nèi)場景,24/59,25/59,關鍵傳輸技術（4）新型傳輸波形技術,OFDM傳輸波形技術OFDM是當前Wi-Fi和LTE標準中的高速無線通信的主要傳信模式,OFDM是未來5G的關鍵傳輸波形技術，其性能仍有提升空間,Channel,Noise,Transmitter,Receiver,25/59,26/59,關鍵傳輸技術（4）新型傳輸波形技術,新型傳輸波形技術濾波器組多載波（Filterbankmulticarrier：FBMC）,Channel,Noise,Transmitter,Receiver,用濾波器組替代CP對載波頻偏不敏感提高了頻效和能效,傳統(tǒng)OFDM功率譜,FBMC功率譜,除了FBMC外，還有多種波形改進技術，如time-FrequencyPacking,sparsecodemultipleaccess,generalizedfrequencydivisionmultiplexing等各種改進的傳輸波形技術為5G性能提升提供多樣選擇,G.Wunder,P.Jung,M.Kasparick,T.Wild,F.Schaich,C.Yejian,etal.,5GNOW:non-orthogonal,asynchronouswaveformsforfuturemobileapplications,IEEECommunicationsMagazine,vol.52,pp.97-105,2014.V.Vakilian,T.Wild,F.Schaich,S.tenBrink,andJ.F.Frigon,Universal-filteredmulti-carriertechniqueforwirelesssystemsbeyondLTE,inproc.IEEEGlobecomWorkshops,2013,pp.223-228.,26/59,27/59,關鍵傳輸技術（5）非正交多址接入技術,1G,2G,3G,4G,正交多址接入技術已有通信標準都采用正交接入技術,27/59,28/59,關鍵傳輸技術（5）非正交多址接入技術,1G,2G,3G,4G,正交多址接入技術已有通信標準都采用正交接入技術,SNR1=20dB（強用戶）,SNR2=0dB（弱用戶）正交接入方案一般來說是次優(yōu)的，僅在C點達到和容量最大，但是在該點，用戶2(弱用戶)獲得的速率很小，因此對弱用戶而言不公平。,最優(yōu)容量區(qū)域,正交方案可達速率區(qū)域,利用正交多址無法保證容量最優(yōu)和用戶公平,28/59,29/59,復雜度（Complexity）,容量（Capacity）,關鍵傳輸技術（5）非正交多址接入技術,非正交多址接入(Non-orthogonalMultipleAccess:NOMA),29/59,30/59,關鍵傳輸技術（6）先進編碼與調(diào)制技術,編碼調(diào)制技術的演進,30/59,31/59,4發(fā)射天線QPSK空間調(diào)制星座圖,關鍵傳輸技術（6）先進編碼與調(diào)制技術,空間調(diào)制（SpatialModulation:SM）,以天線的物理位置來攜帶部分發(fā)送信息比特，將傳統(tǒng)二維映射擴至三維映射，提高頻譜效率。每時隙只有一根發(fā)射天線處于工作狀態(tài)，避免了信道間干擾與天線同步發(fā)射問題，且系統(tǒng)僅需一條射頻鏈路，有效地降低了成本。,31/59,32/59,根據(jù)信息論，非高斯干擾可實現(xiàn)更高傳輸速率,關鍵傳輸技術（6）先進編碼與調(diào)制技術,頻率正交幅度調(diào)制（FrequencyQuadrature-amplitudeModulation:FQAM）,將頻移鍵控（FSK）與正交幅度調(diào)制（QAM）相結(jié)合，提高頻譜效率。用于多小區(qū)下行鏈路中，能夠提高小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量。,32/59,33/59,1國家電網(wǎng)公司“兩會”工作報告摘要，2010年2全力構建綠色網(wǎng)絡，中國移動通信研究院，2010年11月3StudyonEnergyEfficientRadioAccessNetwork(EERAN)Technologies,TUDresdenandVodafone,20094NewGenerationNodeB,華為,2010,2009年，三大運營商的能耗總量折合為440.7萬噸標準煤，其中80%以上是電力消耗，達到290億度，相當于2個大亞灣核電站的年發(fā)電量。,關鍵傳輸技術（7）能效提升技術,33/59,34/59,HowtoapproachGREENwhilecarrying1000Xtraffic?,關鍵傳輸技術（7）能效提升技術,34/59,35/59,關鍵傳輸技術（7）能效提升技術,資源域,用戶域,業(yè)務域,碼域（CDMA）,能量域（POWER）,時域（TDMA）,頻域（OFDM）,空域（MIMO）,語音（VOIP）,非實時數(shù)據(jù)（FTP）,實時數(shù)據(jù)（WEB）,多媒體（MMS）,組播/廣播（VOIP）,應用層,網(wǎng)絡層,物理層,多域協(xié)同無線資源管理,35/59,36/59,關鍵傳輸技術（7）能效提升技術,網(wǎng)絡資源與動態(tài)用戶行為和業(yè)務需求自適應匹配,Tango:Traffic-awarenetworkplanning&greenoperation-自適應于業(yè)務分布（時間和空間的非均勻分布）-自適應于業(yè)務特征（單播，多播，廣播）-自適應于服務質(zhì)量需求(QoS)（實時，非實時）,滿足用戶QoS,提高能效,Z.Niu,“TANGO:Traffic-AwareNetworkPlanningandGreenOperation”,IEEEWirelessCommun.,vol.18,pp.25-29,Oct.2011.,36/59,37/59,關鍵傳輸技術（7）能效提升技術,跨層優(yōu)化資源調(diào)度高效利用有限資源跨層資源聯(lián)合調(diào)度,跨網(wǎng)優(yōu)化協(xié)作通信減少競爭、增加合作跨網(wǎng)資源聯(lián)合優(yōu)化配置,CHORUS:Collaborative&HarmonizedOpenRadioUbiquitousSystem,提升用戶體驗，降低能量消耗,CHORUS,S.Zhou,Z.Niu,P.Yang,andS.Tanabe,CHORUS:aframeworkforscalablecollaborationinheterogeneousnetworkswithcognitivesynergy,IEEEWirelessCommunications,vol.20,pp.133-139,2013.,37/59,38/59,關鍵傳輸技術（8）網(wǎng)絡覆蓋增強技術,密集組網(wǎng)（UDN）、異構結(jié)構（HetNets）、中心式云后臺（Cloud）是5G網(wǎng)絡整體架構的共識。,密集,異構,中心式云后臺,使無線通信回歸到“最后一公里”拉近用戶與天線的距離，提高速率增強服務覆蓋面積,大量不同級小區(qū)重疊（Macro、Micro、Pico、Femto）不同制式的網(wǎng)絡重疊（Cellular、Wi-Fi、D2D、CR、M2M）,RemoteRadioHead（RRH）與基帶處理單元分離SDN網(wǎng)絡實現(xiàn)協(xié)議接口基帶信號資源的集中化管理與調(diào)度,38/59,39/59,關鍵傳輸技術（8）網(wǎng)絡覆蓋增強技術,應用場景：DHS(Dense+Heterogeneous+Seperated),C.-X.Wang,F.Haider,X.Gao,X.-H.You,Y.Yang,D.Yuan,H.Aggoune,H.Haas,S.Fletcher,andE.Hepsaydir,“Cellulararchitectureandkeytechnologiesfor5Gwirelesscommunicationnetworks,”IEEECommun.Mag.,vol.52,no.2,Feb.2014,室內(nèi)室外分離室內(nèi)利用短距離傳輸技術，可顯著減少信號衰落，提升傳輸速率毫米波和可見光可被墻壁阻擋，顯著降低小區(qū)間干擾室內(nèi)設備不會對室外設備造成干擾,截至2014年12月11日，被引用32次(谷歌學術),39/59,40/59,5G關鍵傳輸技術,5G新型網(wǎng)絡架構,5G發(fā)展需求與挑戰(zhàn),相關研究基礎,提綱,40/59,新型網(wǎng)絡架構,網(wǎng)絡架構思路變革,41/59,41/59,42/59,新型網(wǎng)絡架構,一體式（All-in-one）基站結(jié)構（2G-3G）,42/59,43/59,RadioNetworkController,OS,新型網(wǎng)絡架構,NetworkManagement,OS,4G數(shù)據(jù)/控制平面分離控制中心化,NetworkManagement,OS,NetworkManagement,OS,Cloud,5G虛擬化IaaS大數(shù)據(jù),2G/3G一體式基站傳統(tǒng)互聯(lián),43/59,44/59,新型網(wǎng)絡架構,C-RAN云架構RRU替代物理基站光纖互聯(lián)中心式處理高性能多點協(xié)作接入實時信息處理低成本低建設成本低維護成本,C-RAN無線接入網(wǎng)綠色演進白皮書(v2.5)，2011,44/59,45/59,新型網(wǎng)絡架構,2010年由中國移動首次提出已在中國珠海、吉林、長沙、青島等地試點,安捷倫Intel,IBM,中興華為,NGMN,IEEEGlobeComIEEEICCIEEEWCNCCHINACOM,45/59,46/59,新型網(wǎng)絡架構,網(wǎng)絡設備虛擬化,46/59,47/59,新型網(wǎng)絡架構,VirtualBSPool,REPE,REPE,5G4GWi-Fi,5G,5G,5G,網(wǎng)絡結(jié)構虛擬化云端的虛擬基站集群構成虛擬網(wǎng)絡，利用SDN技術動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構。,47/59,48/59,新型網(wǎng)絡架構IaaS,資源開放,大數(shù)據(jù),云計算,IaaS,對用戶而言，網(wǎng)絡是透明的。用戶只需要提出需求及相應的QoS，網(wǎng)絡就會以最低的成本提供相應的服務。,虛擬化,48/59,49/59,新型網(wǎng)絡架構IaaS工作過程,1用戶向網(wǎng)絡提出自己的需求和相應的QoS。,2用戶周邊任意一個設備接收請求。,3由于該設備滿足了資源開放協(xié)議標準，該設備將請求上傳至云中心。,4云中心的虛擬交換機把請求傳遞給Broker。,5Broker是一個服務管理中心。它將用戶請求轉(zhuǎn)化為一個優(yōu)化問題，交給上層求解。,6網(wǎng)絡智能模塊會利用大數(shù)據(jù)處理和云計算實現(xiàn)資源彈性分配，以最低的成本滿足用戶需求。,7上層下達控制命令給相應的虛擬基站。,8啟動一個5G設備提供服務。,9同時租用一個其它運營商的Wi-Fi熱點緩解壓力（卸載）。,10用戶完全不知道（也沒有必要知道）自己的數(shù)據(jù)同時來源于一個Wi-Fi熱點和一個5G基站。,49/59,50/59,新型網(wǎng)絡架構,多元融合開放智能,Demestichas,P.Georgakopoulos,A.Karvounas,D.5GontheHorizonKeyChallengesfortheRadio-AccessNetwork,IEEEVehicularTechnologyMagazine,Vol.8,No.3,pp.4753,2013.,50/59,51/59,大數(shù)據(jù)與5G,IoT,MI,驅(qū)動,驅(qū)動,51/59,52/59,什么是大數(shù)據(jù)？,大數(shù)據(jù)是具有體量大、結(jié)構多樣、時效強等特征的數(shù)據(jù)；處理大數(shù)據(jù)需采用新型計算架構和智能算法等新技術；大數(shù)據(jù)的應用強調(diào)以新的理念應用于輔助決策、發(fā)現(xiàn)新的知識，更強調(diào)在線閉環(huán)的業(yè)務流程優(yōu)化。2014年大數(shù)據(jù)白皮書工業(yè)和信息化部電信研究院,大數(shù)據(jù)一般指TB、PB級,以騰訊為例：,52/59,5G中的大數(shù)據(jù),5G中數(shù)據(jù)的特性,體積巨