5G時(shí)代的無(wú)線需求及技術(shù)發(fā)展探討

1、5G時(shí)代無(wú)線需求及技術(shù)發(fā)展探討張平 第1頁(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展中顛覆性技術(shù)移動(dòng)通信系統(tǒng)每一次更新?lián)Q代都有顛覆性技術(shù)引領(lǐng)1G2G3G4G5G大區(qū)制到蜂窩，F(xiàn)DMA接入模擬到數(shù)字，TDMA接入單一話音到多媒體，CDMA接入OFDM-MIMO，空域資源利用？：頻譜，接入，組網(wǎng)容量話音業(yè)務(wù)和容量多媒體業(yè)務(wù)和容量高速高質(zhì)多媒體業(yè)務(wù)和容量容量，能耗，業(yè)務(wù)移動(dòng)通信系統(tǒng)每一次更新?lián)Q代都處理了當(dāng)初最主要需求第2頁(yè)1G：模擬蜂窩+FDMAPowerFrequencyTimeFDMA高功率（200250w）發(fā)射天線幾百甚至上千平方公里范圍覆蓋 每個(gè)大區(qū)可用信道數(shù)極少 蜂窩系統(tǒng)是一個(gè)革命性變革 提升了頻譜利用率和系統(tǒng)服務(wù)

2、質(zhì)量 FDMA：每個(gè)用戶占用一個(gè)頻率特點(diǎn)：以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)，以頻帶劃分小區(qū)頻率受限，需要嚴(yán)格頻率規(guī)劃以頻道區(qū)分用戶地址大區(qū)制蜂窩最主要需求：系統(tǒng)容量第3頁(yè)2G：數(shù)字技術(shù)+TDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMA數(shù)字化技術(shù)，如數(shù)字語(yǔ)音編碼技術(shù)，是2G移動(dòng)通信主要突破 意義：提升通話質(zhì)量（數(shù)字化信道編碼糾錯(cuò)）提升頻譜利用率（低碼率編碼）提升系統(tǒng)容量（低碼率，語(yǔ)音激活技術(shù)）TDMA: 每個(gè)用戶占用一個(gè)時(shí)隙，提升系統(tǒng)容量特點(diǎn)：以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)，小區(qū)內(nèi)以時(shí)隙區(qū)分用戶每個(gè)時(shí)隙傳輸一路數(shù)字信號(hào)，軟件對(duì)時(shí)隙動(dòng)態(tài)配置最主要需求：高質(zhì)量話音，系統(tǒng)容量第4頁(yè)3G：Turbo碼+CDMATurb

3、o碼90年代以前，主流前向糾錯(cuò)技術(shù)是線性分組碼和卷積碼，其性能與Shannon在1948年提出理論可達(dá)限之間存在較大距離。1993年，C.Berrou等人提出了Turbo碼，徹底顛覆了全部些人們認(rèn)為成功糾錯(cuò)碼所要具備原因。在復(fù)雜度可控譯碼器幫助下,到達(dá)了近Shannon限性能。Turbo碼在3G應(yīng)用，使得3G能夠支持多媒體業(yè)務(wù)，打破了2G只支持話音和短消息業(yè)務(wù)局限。FrequencyCDMAPowerTimeCDMA：每個(gè)用戶使用一個(gè)碼型，頻率/時(shí)間共享特點(diǎn)每個(gè)碼傳輸一路數(shù)字信號(hào)每個(gè)用戶共享時(shí)間和頻率軟容量、軟切換，系統(tǒng)容量大最主要需求：多媒體業(yè)務(wù)，系統(tǒng)容量第5頁(yè)4G：OFDM-MIMO+空分

4、多址SDMA最主要需求：高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)，更大系統(tǒng)容量MIMO：多根發(fā)射天線與多根接收天線打破利用時(shí)、頻、碼三維資源傳輸數(shù)據(jù)局限，有效開(kāi)發(fā)了新空域資源?；贛IMOSDMA深入提升頻譜效率。OFDM：多個(gè)低速數(shù)據(jù)流同時(shí)調(diào)制在相互正交子載波上傳送，適合用于無(wú)線寬帶信道下高速傳輸。與CDMA相比，OFDM傳送數(shù)據(jù)速度更加快，而且能夠更加好地反抗無(wú)線傳輸環(huán)境中多徑效應(yīng)。第6頁(yè)容量需求和頻譜短缺矛盾突出容量需求：依據(jù)預(yù)測(cè)，伴隨智能終端普及和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增加，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量未來(lái)每年會(huì)以近一倍速度增加，未來(lái)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將增加1000倍。頻譜短缺：FCC預(yù)測(cè)， 移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增加將造成巨大頻譜赤字，達(dá)300MHz。S

5、ource: FCC 頻譜短缺和容量需求矛盾需要技術(shù)和策略突破第7頁(yè)5G：顛覆性技術(shù)在哪里？需要技術(shù)和策略突破5G：處理三個(gè)主要問(wèn)題？容量不足能耗高提升用戶體驗(yàn)頻譜利用無(wú)線接入無(wú)線傳輸無(wú)線組網(wǎng)業(yè)務(wù)與終端產(chǎn)生顛覆性技術(shù)五個(gè)方向第8頁(yè)問(wèn)題1：容量不足移動(dòng)通信發(fā)展史表明，容量不足一直是無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展中主要問(wèn)題5G面臨更大容量需求和頻譜赤字：依據(jù)預(yù)測(cè)，至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量增加達(dá)1000倍怎樣滿足1000倍容量增加需求？（1）更多頻譜3(或10 ,4 ）（2）更高頻譜效率6(或 10 ,12 )無(wú)線接入無(wú)線傳輸（3）更多基站（更小小區(qū)）50 (或10 ,10 )第9頁(yè)更多頻譜10新頻段技術(shù)更高頻譜效率10無(wú)

6、線傳輸和接入更多基站（更小小區(qū)）10無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)革新新技術(shù)新頻譜新體制蜂窩WLAN廣播衛(wèi)星新頻段優(yōu)良頻率資源匱缺網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立，建設(shè)成本巨大通信效率提升遭遇“收益遞減法則”再過(guò)怎么辦?。啃枰夹g(shù)和體制革新處理思緒第10頁(yè)更多頻譜10新頻段技術(shù)異構(gòu)協(xié)同10無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)革新蜂窩WLAN廣播衛(wèi)星新頻段互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)協(xié)同：建立高效、開(kāi)放、可擴(kuò)展、可信、智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體制需要技術(shù)和體制革新高效協(xié)作用戶新技術(shù)新頻譜新體制更高頻譜效率10無(wú)線傳輸和接入處理思緒第11頁(yè)新技術(shù)新頻譜新體制新頻段通信技術(shù)新型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)高效無(wú)線通信技術(shù)更多頻譜300MHz新頻段技術(shù)異構(gòu)協(xié)同60無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)革新更高頻譜效率6無(wú)線傳輸和接入

7、總體規(guī)劃第12頁(yè)提升容量（1）更多頻譜新頻譜開(kāi)發(fā)：主要是較高頻段，適合更小小區(qū)615GHz空間隔離性好60GHz毫米波有較高頻寬，但穿透性較差白頻譜可見(jiàn)光通信頻譜共享智能頻譜利用重點(diǎn)提議：智能頻譜利用基礎(chǔ)：新頻譜電波特征測(cè)量與建模第13頁(yè)傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配策略與挑戰(zhàn)傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配策略行政指派或拍賣(mài)方式，靜態(tài)使用。面臨挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)1：頻譜利用存在不均衡問(wèn)題挑戰(zhàn)2：存在時(shí)-頻-空多維頻譜空洞挑戰(zhàn)3：頻譜利用效率較低現(xiàn)有頻譜分配殆盡北郵頻譜測(cè)量結(jié)果顯示北京頻譜利用存在空洞英國(guó)廣播電視頻段頻譜利用存在不均衡問(wèn)題美國(guó)芝加哥地域30MHz-3GHz頻譜利用率較低，僅為5.2%第14頁(yè)動(dòng)態(tài)頻譜分配策略？打破傳統(tǒng)

8、靜態(tài)頻譜分配方法局限，結(jié)合時(shí)-頻-空多維頻譜動(dòng)態(tài)分配，促進(jìn)頻譜資源利用能夠智能化，以使其使用更高效靈活，從而提升頻譜利用效率。頻譜緊缺頻譜浪費(fèi)頻譜緊缺與頻譜浪費(fèi)是一對(duì)矛盾，怎樣提升頻譜利用效率？頻譜利用不均衡，存在頻譜空洞，頻譜利用效率低處理方法動(dòng)態(tài)頻譜第15頁(yè)頻譜分配從靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)方式將面臨多方面挑戰(zhàn)動(dòng)態(tài)頻譜分配策略面臨挑戰(zhàn)政策監(jiān)管部門(mén)電信運(yùn)行商設(shè)備制造商頻譜分配政策由固定分配與行政指派向動(dòng)態(tài)頻譜分配政策轉(zhuǎn)變，將面臨政策和法規(guī)制訂挑戰(zhàn)頻譜管理將愈加智能與靈活，設(shè)備認(rèn)證管理及非法設(shè)備核查能力提升挑戰(zhàn)怎樣智能、高效協(xié)調(diào)授權(quán)靜態(tài)頻譜和動(dòng)態(tài)分配頻譜使用怎樣對(duì)具備動(dòng)態(tài)頻譜功效終端設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入過(guò)程

9、有效管理和控制怎樣升級(jí)現(xiàn)有關(guān)鍵網(wǎng)、接入網(wǎng)設(shè)備以支持認(rèn)知等新功效怎樣對(duì)終端和基站射頻模塊進(jìn)行工作頻段擴(kuò)展、怎樣設(shè)計(jì)高性能濾波器第16頁(yè)提升容量（2）更高頻譜效率：多址接入多址技術(shù)是移動(dòng)通信系統(tǒng)升級(jí)換代關(guān)鍵之一1G：頻分多址（FDMA）2G：時(shí)分多址（TDMA）3G：碼分多址（CDMA）4G：空分多址（OFDMA+SDMA）4G以O(shè)FDM-MIMO為關(guān)鍵OFDMA和SDMA含有很強(qiáng)生命力新型無(wú)線接入嘗試：非正交？趨勢(shì)：?jiǎn)我毁Y源到多維資源聯(lián)合使用,提升資源利用率頻率時(shí)間功率FDMA頻率時(shí)間功率TDMACDMA時(shí)間頻率功率1G2G3G4G第17頁(yè)大規(guī)模MIMO信道建模與分析信道信息獲取（對(duì)應(yīng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)）

10、協(xié)調(diào)多用戶聯(lián)合資源調(diào)配能耗問(wèn)題天線配置、基站選址導(dǎo)頻污染高效傳輸方法（如預(yù)編碼方案）3D MIMO電磁波傳輸平面增加俯仰角，深入擴(kuò)展空間自由度無(wú)線網(wǎng)絡(luò)干擾管理和容量研究構(gòu)建多維干擾狀態(tài)模型分析干擾和網(wǎng)絡(luò)容量關(guān)系智能動(dòng)態(tài)干擾管理機(jī)制大規(guī)模MIMO3D MIMO提升容量（2）無(wú)線傳輸新技術(shù)第18頁(yè)基于電磁波角動(dòng)量特征新型無(wú)線傳輸技術(shù)無(wú)線傳輸媒介是電磁波，而新電磁波物理特征利用可能帶來(lái)無(wú)線通信時(shí)代變革電磁渦旋起源于1992年荷蘭物理學(xué)家L.Allen對(duì)光子攜帶軌道角動(dòng)量發(fā)覺(jué)。英國(guó)格拉斯哥大學(xué)天文物理系Gibson等人在提出將軌道角動(dòng)量應(yīng)用于光通信，并證實(shí)了能夠充分利用不一樣OAM狀態(tài)實(shí)現(xiàn)多信道獨(dú)立調(diào)

11、制同頻傳輸2G3G4G后4G9.6K2M1G10GT？。第19頁(yè)電磁渦旋無(wú)線傳輸技術(shù)第20頁(yè)電磁渦旋無(wú)線傳輸技術(shù)電磁渦旋波產(chǎn)生電磁渦旋波可由調(diào)制后攜帶信息普通波經(jīng)過(guò)波束扭轉(zhuǎn)方法得到。將電磁渦旋波恢復(fù)為普通調(diào)制信號(hào)過(guò)程能夠了解為 “逆渦旋”第21頁(yè)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展驗(yàn)證演示系統(tǒng)瑞典物理研究所Bo Thid教授和意大利帕多瓦大學(xué)Fabrizio Tamburini教授等人在-對(duì)電磁渦旋技術(shù)用于無(wú)線傳輸進(jìn)行了試驗(yàn)。該試驗(yàn)采取拋物面天線和八木天線發(fā)收，成功在意大利威尼斯河兩岸實(shí)現(xiàn)了442m無(wú)線傳輸，驗(yàn)證了電磁渦旋無(wú)線傳輸技術(shù)可行性。試驗(yàn)場(chǎng)景圖電磁渦旋無(wú)線傳輸技術(shù)第22頁(yè)電磁渦旋應(yīng)用于無(wú)線通信挑戰(zhàn)傳輸環(huán)境要

12、求嚴(yán)格：當(dāng)無(wú)線傳輸中出現(xiàn)大氣湍流、阻擋物等不利傳輸條件時(shí)，會(huì)改變波束扭轉(zhuǎn)角度，對(duì)電磁渦旋造成影響。高效電磁渦旋波產(chǎn)生與接收：怎樣設(shè)計(jì)發(fā)射和接收電磁渦旋波天線將會(huì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。發(fā)送和接收電磁渦旋波方向性要求嚴(yán)格：電磁渦旋波狀態(tài)高效檢測(cè)：怎樣對(duì)大量電磁渦旋波狀態(tài)進(jìn)行有效分離和檢測(cè)，是應(yīng)用于無(wú)線通信所面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。電磁渦旋無(wú)線傳輸技術(shù)第23頁(yè)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，理論上信道容量提升1倍多天線對(duì)消方案時(shí)分雙工上下行鏈路同頻，分時(shí)頻分雙工上下行鏈路分頻，同時(shí)全雙工上下行鏈路同頻，同時(shí)當(dāng)前國(guó)外已建立試驗(yàn)平臺(tái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展研究較少全雙工通信技術(shù)第24頁(yè)信息密度均勻高度不均勻下異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提升容量（3）更多基站（更小小

13、區(qū)）第25頁(yè)信息密度：?jiǎn)挝幻娣e發(fā)送，接收或經(jīng)過(guò)信息量，分別指導(dǎo)容量分布，資源分配和路由研究網(wǎng)絡(luò)分布與用戶信息密度匹配，實(shí)現(xiàn)資源精準(zhǔn)匹配。定義 無(wú)線組網(wǎng)信息密度”概念， 即 在任何一個(gè)點(diǎn)為中心鄰域覆蓋范圍內(nèi)，用戶能夠經(jīng)過(guò)該點(diǎn)透明地傳輸數(shù)據(jù)速率”。未來(lái)組網(wǎng)架構(gòu)要支持增加如此巨大業(yè)務(wù)量，其基本特征必定是異構(gòu)多網(wǎng)接入，它將是 密度不均勻性”組網(wǎng)架構(gòu)。信息密度概念“第26頁(yè)信息密度非均勻新組網(wǎng)架構(gòu)面臨主要問(wèn)題距離業(yè)務(wù)量容量覆蓋宏蜂窩微小區(qū)WLAN60GHz宏蜂窩微小區(qū)WLAN60GHz3G4G新頻譜微小區(qū)WLAN60GHz宏蜂窩信息密度非均勻下異構(gòu)無(wú)線組網(wǎng)新技術(shù)問(wèn)題1:異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)怎樣協(xié)同工作問(wèn)題2:復(fù)

14、雜環(huán)境下信道怎樣建模？問(wèn)題3:異構(gòu)非均勻業(yè)務(wù)需求環(huán)境下怎樣高效傳輸信息密度非均勻新組網(wǎng)架構(gòu)面臨主要問(wèn)題第27頁(yè)特征提升容量關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)元組成實(shí)質(zhì)密度均勻蜂窩小區(qū)小區(qū)變小/分裂/方向性天線/無(wú)線資源管理同構(gòu)，控制與業(yè)務(wù)平面一體業(yè)務(wù)單一密度準(zhǔn)均勻協(xié)作式組網(wǎng)（群小區(qū)，CoMP）小區(qū)變小/多天線/小區(qū)邊緣協(xié)作/無(wú)線資源管理/協(xié)作天線管理同構(gòu)為主，控制與業(yè)務(wù)平面一體優(yōu)先提升小區(qū)邊緣速率來(lái)提升全網(wǎng)速率密度不均勻多域異構(gòu)小區(qū)大小區(qū)、小小區(qū)并存/多單天線并存/小區(qū)邊緣協(xié)作與熱點(diǎn)并存/蜂窩通信與無(wú)線接入并存/多域資源管理異構(gòu)融合，將控制與業(yè)務(wù)平面分離確保小區(qū)邊緣速率，經(jīng)過(guò)熱點(diǎn)覆蓋大幅度提升全網(wǎng)速率無(wú)線組網(wǎng)演進(jìn)三個(gè)

15、主要階段第28頁(yè)后4G：顛覆性技術(shù)在哪里？需要技術(shù)和策略突破后4G：處理三個(gè)主要問(wèn)題？容量不足能耗高提升用戶體驗(yàn)頻譜利用無(wú)線接入無(wú)線傳輸無(wú)線組網(wǎng)業(yè)務(wù)與終端產(chǎn)生顛覆性技術(shù)五個(gè)方向第29頁(yè)國(guó)際上面向5G研究計(jì)劃已逐步開(kāi)啟：20無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量增加達(dá)5001000倍，產(chǎn)業(yè)需求巨大ITU-R已于完成4G系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)制訂，5G系統(tǒng)研究已提上日程；3GPP已于年底開(kāi)始針對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)Release12版本研究，提前尋求5G布局歐盟將投資總計(jì)2700萬(wàn)歐元資助研究20及未來(lái)下一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)METIS計(jì)劃美國(guó)國(guó)家寬帶計(jì)劃，到20超出1億美國(guó)家庭能夠取得最少50Mbps/100Mbps寬帶接入速度，預(yù)算將超

16、72億美元 所以，必須引領(lǐng)下一代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展，以滿足產(chǎn)業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)我國(guó)“十二五”規(guī)劃對(duì)發(fā)展新一代信息技術(shù)戰(zhàn)略要求?？萍疾?63 5G立項(xiàng)第30頁(yè)移動(dòng)通信發(fā)展史表明，容量不足一直是無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展中主要問(wèn)題5G面臨更大容量需求和頻譜赤字：依據(jù)預(yù)測(cè)，至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量增加達(dá)5001000倍關(guān)鍵問(wèn)題：無(wú)線帶寬瓶頸第31頁(yè)更多頻譜10新頻段技術(shù)異構(gòu)協(xié)同10無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)革新蜂窩WLAN廣播衛(wèi)星新頻段互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)協(xié)同：建立高效、開(kāi)放、可擴(kuò)展、可信、智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體制需要技術(shù)和體制革新高效協(xié)作用戶新技術(shù)新頻譜新體制更高頻譜效率10無(wú)線傳輸和接入處理思緒第32頁(yè)指南綜述指南內(nèi)容 面向之后第五代移動(dòng)通信（5G）應(yīng)用

17、需求，研究5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系架構(gòu)、無(wú)線組網(wǎng)、無(wú)線傳輸、新型天線與射頻以及新頻譜開(kāi)發(fā)與利用等關(guān)鍵技術(shù)，完成性能評(píng)定及原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，支持業(yè)務(wù)總速率達(dá)10Gbps，空中接口頻譜效率和功率效率較4G都有10倍提升；針對(duì)移動(dòng)終端當(dāng)?shù)鼗ヂ?lián)與社交化內(nèi)容分發(fā)融合趨勢(shì)，研究計(jì)算存放資源整合、交互協(xié)議和控制等技術(shù)，有效統(tǒng)計(jì)復(fù)用容量提升不少于50倍。 下設(shè)5個(gè)研究課題方向：第33頁(yè)新技術(shù)新頻譜新體制新頻段通信技術(shù)新型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)高效無(wú)線通信技術(shù)課題3.5G無(wú)線總體技術(shù)研發(fā)課題1.5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)課題2. 5G無(wú)線傳輸關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)課題4. 5G無(wú)線技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)研發(fā)（總體課題）課題設(shè)置示意第34頁(yè)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)（前沿技術(shù)類(lèi)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)限5000萬(wàn)元，研究期限3年）5G無(wú)線傳輸關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)（前沿技術(shù)類(lèi)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)限6000萬(wàn)元，研究期限3年）5G總體關(guān)鍵技術(shù)研平臺(tái)研發(fā)（前沿技術(shù)類(lèi)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)限3000萬(wàn)元，研究發(fā)（前沿技術(shù)類(lèi)，國(guó)撥經(jīng)費(fèi)限萬(wàn)元，研究期限3年5G無(wú)線技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證期限3年）提議項(xiàng)目名稱第35頁(yè)預(yù)期結(jié)果1、 完成面向5G系統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)路線以及總體技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃；研發(fā)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、傳輸、頻譜開(kāi)發(fā)與利用等關(guān)鍵技術(shù)，完成其性能評(píng)定及原型設(shè)計(jì)，支持業(yè)務(wù)速率達(dá)10Gbps，空口技術(shù)頻譜效率和功率效率較4G有10倍提升；在熱點(diǎn)內(nèi)容分發(fā)和區(qū)域背景下，有效統(tǒng)計(jì)