5G技术及未来发展

电子信息学院射频电路期终报告5G技术及未来发展Author:盛存鑫Number:2012301200240Major:通信工程Adviser:王才军2015年6月14日5G技术及未来发展电子信息学院盛存鑫2012301200240June13,20151背景介绍5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统.根据移动通信的发展规律,5G将具有超高的频谱利用率和能效,在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高,其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高.5G移动通信将与其他无线移动通信技术密切结合,构成新一代无所不在的移动信息网络,满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求.5G移动通信系统的应用领域也将进一步扩展,对海量传感设备及机器与机器(M2M)通信的支撑能力将成为系统设计的重要指标之一.未来5G系统还须具备充分的灵活性,具有网络自感知、自调整等智能化能力,以应对未来移动信息社会难以预计的快速变化.5G已经成为国内外移动通信领域的研究热点.2013年初欧盟在第7框架计划启动了面向5G研发的METIS(mobileandwirelesscommunicationsen-ablersforthe2020informationsociety)项目,由包括我国华为公司等29个参加方共同承担;韩国和中国分别成立了5G技术论坛和IMT-2020(5G)推进组,我国863计划也分别于2013年6月和2014年3月启动了5G重大项目一期和二期研发课题.目前,世界各国正就5G的发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标及使能技术进行广泛的研讨,力求在2015年世界无线电大会前后达成共识,并于2016年后启动有关标准化进程。2013年初欧盟在第7框架计划启动了面向5G研发的METIS(mobileandwirelesscommunicationsen-ablersforthe2020informationsociety)项目,由包括我国华为公司等29个参加方共同承担;韩国和中国分别成立了5G技术论坛和IMT-2020(5G)推进组,我国863计划也分别于2013年6月和2014年3月启动了5G重大项目一期和二期研发课题.目前,世界各国正就5G的发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标及使能技术进行广泛的研讨,力求在2015年世界无线电大会前后达成共识,并于2016年后启动有关标准化进程。4G技术已经使数据速率得到了一个很大的提高，能实现静止时1Gb/s记得速度和移动式100Mbit/s级传输速度，达到影像画面清晰，无停止抖动的效果，但这样仍然不够。5G将实现比4G快1000的网络，用户下载一部完整的电影需要的时间不到1秒钟。25G概念及其特点5G指的是第五代移动通信技术。与前四代不同，5G并不是一个单一的无线技术，而是现有的无线通信技术的一个融合。目前，LTE峰值速率可以达到100Mbps，5G的峰值速率将达到10Gbps，比4G提升了100倍。现有的4G网络处理自发能力有限，无法支持部分高清视频、高质量语音、增强现实、虚拟现实等业务。5G将引入更加先进的技术，通过更加高1的频谱效率、更多的频谱资源以及更加密集的小区等共同满足移动业务流量增长的需求，解决4G网络面临的问题，构建一个高速的传输速率、高容量、低时延、高可靠性、优秀的用户体验的网络社会。5G无线通信技术实际上就是无线互联网网络（见图1），这个技术将支持OFDM（正交频分复用）、MC-CDMA（多载波码分多址）、LAS-CDMA（大区域同步码分多址）、UWB（超宽带）、NETWORK-LMDS（区域多点传输服务）和IPv6（互联网协议）。事实上，IPv6是4G和5G技术的基础协议。5G技术是一个完整的无线通信系统，没有任何限制，所以我们将5G称为真正无线世界.Figure1:1当前信息技术发展正处于新的变革时期,5G技术发展呈现出新的如下特点:1)5G研究在推进技术变革的同时将更加注重用户体验,网络平均吞吐速率、传输时延以及对虚拟现实、3D、交互式游戏等新兴移动业务的支撑能力等将成为衡量5G系统性能的关键指标。2)与传统的移动通信系统理念不同,5G系统研究将不仅仅把点到点的物理层传输与信道编译码等经典技术作为核心目标,而是从更为广泛的多点、多用户、多天线、多小区协作组网作为突破的重点,力求在体系构架上寻求系统性能的大幅度提高。3)室内移动通信业务已占据应用的主导地位,5G室内无线覆盖性能及业务支撑能力将作为系统优先设计目标,从而改变传统移动通信系统”以大范围覆盖为主、兼顾室内”的设计理念。4)高频段频谱资源将更多地应用于5G移动通信系统,但由于受到高频段无线电波穿透能力的限制,无线与有线的融合、光载无线组网等技术将被更为普遍地应用。5)可”软”配置的5G无线网络将成为未来的重要研究方向,运营商可根据业务流量的动态变化实时调整网络资源,有效地降低网络运营的成本和能源的消耗。5G性能指标:对于5G需要满足一些什么样的指标，工信部电信研究院选择了体育场、办公室、密集住宅区等场景，结合车联网、视频点播等应用进行实例分析。对每一种场景下的不同应用进行分析，发现无线技术成为应用发展的制约因素。要在不同的场景下使用户获得良好的应用体验，需要满足以下指标：(1)5G的传输速率在4G的基础上提高10-100倍，体验速率能够达到0.11Gbps，峰值速率能够达到10Gbps；(2)时延降低到4G的1/10或1/5，达到毫秒级水平；(3)设备密集度能够达到600万个/平方公里；(4)流量密度能够在20Tbps/平方公里以上；(5)移动性达到500km/h，实现高铁环境下的良好用户体验。为了满足上述性能指标的要求，使用户获得良好的业务体验，除了以上的这些指标外，能耗效率、频谱效率及峰值速率等指标也是重要的5G技术指标，需要在5G系统设计时综合考虑。移动互联网的蓬勃发展是5G移动通信的主要驱动力。2移动互联网将是未来各种新兴业务的基础性业务平台,现有固定互联网的各种业务将越来越多地通过无线方式提供给用户,云计算及后台服务的广泛应用将对5G移动通信系统提出更高的传输质量与系统容量要求。5G移动通信系统的主要发展目标将是与其他无线移动通信技术密切衔接,为移动互联网的快速发展提供无所不在的基础性业务能力。按照目前业界的初步估计,包括5G在内的未来无线移动网络业务能力的提升将在3个维度上同时进行:1)通过引入新的无线传输技术将资源利用率在4G的基础上提高10倍以上;2)通过引入新的体系结构(如超密集小区结构等)和更加深度的智能化能力将整个系统的吞吐率提高25倍左右;3)进一步挖掘新的频率资源(如高频段、毫米波与可见光等),使未来无线移动通信的频率资源扩展4倍左右。35G网络架构随着4G网络商用部署规模的迅速扩展，其对当前移动互联网产业及人们日常生活的影响得到进一步体现。5G移动通信系统的研发随之被迅速提上日程，5G网络系统架构对网络功能、组织、管理等有着重要的影响。相对于接入网技术中2G、3G、LTE的变革，核心网主要经历了IP化、控制和承载分离、分组化的变革。由于频谱资源稀缺以及频谱效率提升空间受限于香农极限，业界逐渐认识到，5G需求的实现，除了需要空中接口技术的突破以外，网络架构的创新也是5G的关键推动力之一。为了满足5G网络速度更快、时延更低、连接更多、效率更高的愿景，有必要对现有的网络架构、网元功能形态等进行全新的设计。3.15G网络架构的研究现状目前，国际上多个标准化组织都已经开始进行5G网络及其架构的研究工作。这其中，ITU（国际电信联盟）从5G愿景、需求、频谱等角度入手，NGMN（下一代移动通信网络）联盟从5G愿景、需求、架构、技术等多方面全面展开。欧洲在2012年成立了METIS，并在2014年2月成立5GPPP项目。韩国成立了5GForum项目，日本成立了2020&BeyondAdHoc项目。3GPP作为移动网络标准最主要的制订方，5G网络架构的设计将是其国际组织的重点工作，目前业界预期将在R14开始启动相关工作。我国IMT-2020网络技术工作组中的国内运营商、研究机构、设备商已经开始着手这方面的讨论。从这些研究来看，目前5G的研究仍处于需求制定和空中接口技术攻关阶段，尚未提出明确的网络架构。但在5G架构设计的需求以及可能的技术方面，已经形成了一些共识。在需求方面，普遍将灵活、高效、支持多样业务、实现网络即服务等作为设计目标；在技术方面，SDN、NFV等成为可能的基础技术，核心网与接入网融合、移动性管理、策略管理、网络功能重组等成为值得进一步研究的关键问题。3.25G网络架构需要解决的关键问题3.2.1集中或分布的网络架构集中与分布的网络架构一直是争论的焦点。二者在业界中的应用也是此消彼长，交替上升。从互联网角度来看，从最初的C/S到分布式P2P应用，再到云计算中心等，其看似不同的发展思路其实是业务发展及设备处理能力的限制所造成的。以人为例，人本身是一个完美的集中控制、分布式处理和感知的系统。大脑负责对各个器官及肢体所收集的信息进行处理及管理。如果说之前的网络架构设计中由于设备处理能力的限制，不得不使用分布式处理的方式，那么云计算技术的发展将使得中心处理和优3化成为可能。Google最新的”仙女座（Andromeda）”项目，采用集中控制的方式，提供虚拟网络服务，如图2所示。目前，Google在全球约有40个数据中心。Google杰出工程师AminVahda表示”已经看到逻辑集中及分层的控制与分布式的数据面比全分布更优”，并且”目前很确信，通过明智地发挥集中而不是分布式的管理方式，建设一个本质上更有效的系统”。Google的几个关键服务系统均采用这种架构，如GFS数据处理平台、BigTable、B4WAN网络。Figure2:2借鉴IT公司的组网模式，无线网设计了集中式基带池的架构，如图2所示。通过对无线网元间的协作化分析可知，BBU的集中程度越高，实时处理效率就越高、协作化增益越大，更易减少重叠覆盖的干扰。另一方面，从传输来看，BBU越集中对传输成本的要求也越高。无线网如此，核心网的控制与转发也是如此。网络架构的设计是计算、优化及传输成本的折中。5G网络架构是采用集中式架构还是分布式架构，以何种程度集中控制或分布化，是5G架构设计需要考虑的问题。Figure3:33.2.2接入网及核心网的界限”无线接入网”+”核心网”是移动网的传统架构，网络架构总体向着简化、扁平化的方向演进。接入网按照不同阶段有2G（GERAN）、3G（UTRAN）、LTE（E-UTRAN）之分；而核心网又有电路交换核心网（CS域）、分组核心网（PS域）、IMS核心网之分。对接入网来说，不同阶段除了空中接口革新外，其架构也更加扁平化，LTE网络中的NodeB节点与RNC节点融合为单一的eNodeB节点。核心网经历了从仅有电路域，到电路域与分组域并存，再到仅有分组域的变化历程。但到目前，移动网络一直延续着无线接入网+核心网的分层架构。事实上，网络扁平化的研究中，已经对接入网和核心网的功能融合有所讨论，如业界曾经设计和实现的”三合一”、”四合一”节点等。目前无线接入网和核心网的功能已经有了融合的迹象。IP化、扁平化使得核心网的功能开始融入接入4网。以本地IP接入（localIPaccess，LIPA）和中继（relay）为代表的技术，将核心网的功能进行了融合。在LIPA架构中，PGW的功能被集成在HeNB上，实现了地址分配、路由的核心网功能与无线接入功能的融合。而在3GPPR10定义的中继功能中，为中继节点提供接入的DeNB是具有核心网功能的三合一节点，对中继来说它是一个基站，且同时集成中继节点的SGW及PGW功能。集中化、虚拟化将使得接入网的功能上移到核心域。接入网功能上移最主要的驱动力是集中处理和优化需求。以C-RAN为代表的网络架构，其基带处理等计算工作可在IT数据中心进行，这使得其与核心网控制面共享计算资源成为可能。此外，接入网的连接管理、