5G移动通信关键技术

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5G关键传输技术5G新型网络架构5G发展需求与挑战相关研究基础提纲2/595G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3/595G发展需求移动通信将持续快速发展用户数、连接设备数、数据量均持续呈指数式增长。−VNIGlobalMobileDataTrafficForecast2013-2018,Cisco,2014−TheMobileEconomy,GSMA,2014−InternetofThings,Cisco,2013−IMT-2020Summit,Samsung,2014−1EB=1000PB−1PB=1000TB201320187.8Bn10.2BnyearConnections201320181.5EB15.9EByearBytes/MonthCloudResource2013201835%70%yearPercent2010202012.5Bn50BnyearDevices4/595G发展需求新型移动业务层出不穷Desktop-likeexperienceonthegoLifelikemediaeverywhereAnintelligentwebofconnectedthingsReal-timeremotecontrolofmachines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5/595G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）6/595G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移动发展需求与4G业务服务能力的对比TU-RWP5D/TEMP/390-E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−……7/595G发展需求5G移动通信技术研究已在全球全面开展5GIC8/595G发展需求中国IMT-2020(5G)推进组关键技术指标要求5Gvs4G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百倍成本效率增加9/595G发展需求0.3841428100100010000020004000600080001000012000MBPSMaxdownlinkspeed0.1285.711505001000020040060080010001200MBPSMaxuplinkspeed150100501051020406080100120140160MSLatencyroundtriptime5G关键性能指标与已有标准的对比10/59挑战频谱资源信道功率干扰器件无缝接入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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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有限的频谱资源一直以来制约着无线通信系统性能提升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11/59TDMA−GSM−NSSCDMA−TD-SCDMA−WCDMA−CDMA-2000−GPRSCoreNetworkOFDM、MIMO−LTE-A−WiMAX−SAE5G4G3G2G5G发展需求为了实现5G发展目标，需要什么关键技术？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。12/595G关键传输技术5G新型网络架构5G发展需求与挑战相关研究基础提纲13/59关键传输技术——总览频谱拓展技术频效提升技术能效提升技术覆盖增强技术多址技术、用户调度、资源分配、用户/网络协作超密异构组网D2D、M2M大规模天线、FBMC、空间调制认知无线电、毫米波、可见光绿色通信干扰管理增加覆盖增加信道增加带宽增加SINR14/59关键传输技术（1）——认知无线电−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。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认知无线电——提高已分配频谱的利用效率15/59关键传输技术（2）——频谱拓展技术1GHz[MHz]410-430,470-694/698,694/698-7901-2GHz[MHz]1300-1400,1427-1525/1527,1695-1700/17102-3GHz[MHz]2025-2100,2200-2290,2700-31003-5GHz[MHz]3300-3400,3400-4200,4400-50005-6GHz[MHz]5150-5925,5850-6245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16/59关键传输技术（2）——频谱拓展技术•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，受干扰影响小优势•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）挑战高频段带宽资源尚待开发60GHz频段毫米波(mmWave,30~300GHz,1~10mm,广义毫米波包含20~30GHz)10~400GHz频段大气衰减卫星军事毫米波通信——开发高频段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17/59关键传输技术（2）——频谱拓展技术−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（fasterthanfiber）J.Wells,Fasterthanfiber:Thefutureofmulti-G/swireless,IEEEMicrowaveMagazine,vol.10,pp.104-112,2009.40GHz以上频段分配的商用带宽达几十GHz。商用带宽分配，40GHz以下比较窄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毫米波通信——开发高频段18/59可见光通信（Visuallightcommunication:VLC）关键传输技术（2）——频谱拓展技术可见光频谱带宽是无线电频谱带宽的万倍380nm780nm•信号源为LED，成本低、功耗低•可实现高速率传输(3.5GbpsperLED)•不易穿透障碍物，干扰小•可在照明的同时提供通信优势•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挑战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19/59关键传输技术（2）——频谱拓展技术已有研究表明，光attocell的谱效比射频Femtocell的谱效最高提升近3个数量级H.Haas,High-speedwirelessnetworkingusingvisiblelight,SPIENewsroom,2013.可见光通信可显著改善室内通信传输速率Attocell和Femtocell的单位面积频谱效率(ASE)比值测试条件：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。可见光通信（VisualLightCommunication:VLC）20/59关键传输技术（3）——大规模天线技术−4G：3GPPLTE-A标准−4G：3GPPLTE标准−5G−3G：WCDMAHSPA+标准−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）−支持SISO，2×2MIMO，4×4MIMO。下行峰值速率100Mb/s。−支持2×2MIMO，下行峰值速率42Mb/s−最多支持8×8MIMO，下行峰值速率1Gb/s−3G：WCDMAHSPA标准−只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/sMIMO技术的演进21/59关键传输技术（3）——大规模天线技术−何为大规模天线：大量天线为相对少的用户提供同传服务系统容量10倍100倍能量效率发射能量1𝑀∗−*𝑀为基站天线数目大规模天线——有效提高谱效率•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优势•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）挑战大规模天线被公认为5G关键技术之一22/59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:NTTdocomo）23/59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24/59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•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，容易实现优势•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）挑战OFDM是未来5G的关键传输波形技术，其性能仍有提升空间Channel𝒉(𝒕)OFDMmod.(IFFT)CPinsertion𝑎0𝑎𝑁𝑐−1⋮⋮NoiseOFDMdemod.(FFT)CPremoval𝑎0𝑎𝑁𝑐−1⋮⋮TransmitterReceiver𝑛𝑇𝑠𝑟𝑛LTECP配置子载波间隔CP长度𝑇CP有用符号长度𝑻𝒖CP比例常规CP15kHz5.21μ4.69μs67.7μs7.2%6.5%扩展CP15kHz16.67μs67.7μs20%25/59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（Filterbankmulticarrier：FBMC）Channel𝒉(𝒕)OFDMmod.(IFFT)TxFilterBank𝑎0𝑎𝑁𝑐−1⋮⋮NoiseOFDMdemod.(FFT)RxFilterBank𝑎0𝑎𝑁𝑐−1⋮⋮TransmitterReceiver𝑛𝑇𝑠𝑟𝑛用滤波器组替代CP对载波频偏不敏感提高了频效和能效传统OFDM功率谱FBMC功率谱除了FBMC外，还有多种波形改进技术，如time-FrequencyPacking,sparsecodemultipleaccess,generalizedfrequencydivisionmultiplexing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,etal.,5GNOW:non-orthogonal,asynchronouswaveformsforfuturemobileapplications,IEE