5G通信关键技术

5G移动通信关键技术5G关键技术5G发展需求与挑战提纲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5G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,2014TheMobileEconomy,GSMA,2014InternetofThings,Cisco,2013IMT-2020Summit,Samsung,20141EB=1000PB1PB=1000TB201320187.8Bn10.2BnyearConnections201320181.5EB15.9EByearBytes/MonthCloudResource2013201835%70%yearPercent2010202012.5Bn50BnyearDevices5G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）任何时间(Anytime)、任何地点(Anywhere)的一致用户体验5G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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5G关键技术5G发展需求与挑战提纲关键传输技术——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SINR关键技术（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认知无线电(CognitiveRadio,CR)的概念起源于1999年JosephMitolo博士的奠基性工作，其核心思想是CR具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。CR的学习能力是使它从概念走向实际应用的真正原因。有了足够的人工智能，它就可能通过吸取过去的经验来对实际的情况进行实时响应，过去的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。这样，CR有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。CognitiveRadioCR是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效利用。认知无线电技术最大的特点就是能够动态的选择无线信道。在不产生干扰的前提下，手机通过不断感知频率，选择并使用可用的无线频谱关键技术（2）——频谱拓展技术03GHz6GHz60GHz2G/3G/4Gre-farmingWRC-15AI1.2candidatebandsbelow6GHzPotentialbandsabove6GHzfor2020’sGlobalinterestbandsforWRC-151GHz[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(6GHz)频谱分配原则①优先保障移动通信的频谱资源②连续500MHz带宽可用③能与其他系统共存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以上频谱资源丰富关键技术（2）——频谱拓展技术毫米波的波长从10毫米至1毫米、频率从30吉赫（GHz）至300吉赫（GHz）的电磁波称为毫米波。毫米波通信——开发高频段传播特性：1)是一种典型的视距传输方式2)具有“大气窗口”和“衰减峰”“大气窗口”是指35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz频段,在这些特殊频段附近,毫米波传播受到的衰减较小。一般说来，“大气窗口”频段比较适用于点对点通信，已经被低空空地导弹和地基雷达所采用。在60GHz、120GHz、180GHz频段附近的衰减出现极大值,约高达15dB/km以上,被称作“衰减峰”。3)降雨时衰减严重4)对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力•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•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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16/59可见光通信（Visuallightcommunication:VLC）关键技术（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、水下通信等关键技术（3）——大规模天线技术4G：3GPPLTE-A标准4G：3GPPLTE标准5G3G：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/s3G：WCDMAHSPA标准只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/sMIMO技术的演进关键技术（3）——大规模天线技术理解大规模天线首先需要了解波束成形技术。传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播，而在波束成形技术中，基站端拥有多根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。传统通信就像灯泡，照亮整个房间，而波速成形就像手电筒，光亮可以智能地汇集到目标位置上。普通全向天线，覆盖所有区域波速成形后的天线，将能量集中到一个方向大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置几百根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号。这种对空间资源的充分挖掘，可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源，并且几十倍地提升网络容量。大家可以从下图中美国莱斯大学的大规模天线阵列原型机中看到由64个小天线组成的天线阵列，这很好地展示了大规模天线系统的雏形。关键技术（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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关键技术之一关键技术（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）关键技术（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23/59关键技术（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将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。关键技术（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）•非正交多址技术（NOMA）的基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除（SIC）接收机实现正确解调。虽然，采用SIC技术的接收机复杂度有一定的提高，但是可以很好地提高频谱效率。用提高接收机的复杂度来换取频谱效率，这就是NOMA技术的本质。关键技术（5）——非正交多址接入技术复杂度（Complexity）容量（Capacity）关键技术（5）——非正交多址接入技术NOMA主要有3个技术特点：1、接收端采用串行干扰删除（SIC）技术。2、发送端采用功率复用技术。3、不依赖用户反馈CSI。NOMA希望实现的是，重拾3G时代的非正交多用户复用原理，并将之融合于现在的4GOFDM技术之中关键技术（6）——先进编码与调制技术1G2G3G4G5G编码调制技术的演进？？调制方式的演进编码方式的演进增强的自适应编码调制设计Channels2s1s1s10/101AntennaEstimationSymbolDetectionDataBitsDataBits空间调制系统4发射天线QPSK空间调制星座图关键技术（6）——先进编码与调制技术空间调制（SpatialModulation:SM）以天线的物理位置来携带部分发送信息比特，将传统二维映射扩至三维映射，提高频谱效率。每时隙只有一根发射天线处于工作状态，避免了信道间干扰与天线同步发射问题，且系统仅需一条射频链路，有效地降低了成本。关键技术（6）——先进编码与调制技术频率正交幅度调制（FrequencyQuadrature-amplitudeModulation:FQAM）将频移键控（FSK）与正交幅度调制（QAM）相结合，提高频谱效率。用于多小区下行链路中，能够提高小区边缘用户的通信质量。30/59[1]国家电网公司“两会”工作报告摘要，2010年[2]全力构建绿色网络，中国移动通信研究院，2010年11月[3]StudyonEnergyEf