5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)

5G關(guān)鍵技術(shù)

5G發(fā)展需求與挑戰(zhàn)提綱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(shè)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,20141EB=1000PB1PB=1000TB5G發(fā)展需求新型移動業(yè)務(wù)層出不窮云操作、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、智能設(shè)備、智能交通、遠程醫(yī)療、遠程控制等各種應(yīng)用對移動通信要求日益增加5G發(fā)展需求用戶體驗要求不斷提升千億設(shè)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）任何時間(Anytime)、任何地點(Anywhere)的一致用戶體驗5G發(fā)展需求中國IMT-2020(5G)推進組關(guān)鍵技術(shù)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5G發(fā)展需求多頻段、多接入模式、小的覆蓋半徑給網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來挑戰(zhàn)海量設(shè)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(shù)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(shè)備的增加導(dǎo)致的干擾制約網(wǎng)絡(luò)容量增長和傳輸速率增加

5G關(guān)鍵技術(shù)

5G發(fā)展需求與挑戰(zhàn)提綱關(guān)鍵傳輸技術(shù)——總覽頻譜拓展技術(shù)頻效提升技術(shù)能效提升技術(shù)覆蓋增強技術(shù)多址技術(shù)、用戶調(diào)度、資源分配、用戶/網(wǎng)絡(luò)協(xié)作超密異構(gòu)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關(guān)鍵技技術(shù)（（1）——認知無無線電電2014年7月，國國家無無線電電監(jiān)測測中心心和全全球移移動通通信系系統(tǒng)協(xié)協(xié)會發(fā)發(fā)布《450MHz-5GHz關(guān)注頻段頻譜譜資源評估報報告》，給出了北京京、成都和深深圳等城市部部分無線電頻頻譜占用統(tǒng)計計數(shù)字。統(tǒng)計結(jié)果表明明，5GHz以下所關(guān)注頻頻段大部分的的使用率遠遠小于10%，說明5GHz以下頻段使用用效率有大量量的提升空間間。為了提高頻譜譜利用率，未未來5G需要采用認知知無線電技術(shù)術(shù)認知無線電——提高已分配頻頻譜的利用效效率認知無線電(CognitiveRadio,CR)的概念起源于于1999年JosephMitolo博士的奠基性性工作，其核核心思想是CR具有學(xué)習(xí)能力力，能與周圍圍環(huán)境交互信信息，以感知知和利用在該該空間的可用用頻譜，并限限制和降低沖沖突的發(fā)生。。CR的學(xué)習(xí)能力是是使它從概念念走向?qū)嶋H應(yīng)應(yīng)用的真正原原因。有了足足夠的人工智智能，它就可可能通過吸取取過去的經(jīng)驗驗來對實際的的情況進行實實時響應(yīng)，過過去的經(jīng)驗包包括對死區(qū)、、干擾和使用用模式等的了了解。這樣，，CR有可能賦予無無線電設(shè)備根根據(jù)頻帶可用用性、位置和和過去的經(jīng)驗驗來自主確定定采用哪個頻頻帶的功能。。CognitiveRadioCR是一個智能無無線通信系統(tǒng)統(tǒng)。它能夠感感知外界環(huán)境境，并使用人人工智能技術(shù)術(shù)從環(huán)境中學(xué)學(xué)習(xí)，通過實實時改變某些些操作參數(shù)(比如傳輸功率率、載波頻率率和調(diào)制技術(shù)術(shù)等)，使其內(nèi)部狀狀態(tài)適應(yīng)接收收到的無線信信號的統(tǒng)計性性變化，以達達到以下目的的：任何時間間任何地點的的高度可靠通通信；對頻譜譜資源的有效效利用。認知無線電技技術(shù)最大的特特點就是能夠夠動態(tài)的選擇擇無線信道。。在不產(chǎn)生干干擾的前提下下，手機通過過不斷感知頻頻率，選擇并并使用可用的的無線頻譜關(guān)鍵技術(shù)（2）——頻譜拓展技術(shù)術(shù)03GHz6GHz>60GHz2G/3G/4Gre-farmingWRC-15AI1.2candidatebandsbelow6GHzPotentialbandsabove6GHzfor2020’sGlobalinterestbandsforWRC-15<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(>6GHz)頻譜分分配原原則優(yōu)先保保障移移動通通信的的頻譜譜資源源連續(xù)500MHz帶寬可可用能與其其他系系統(tǒng)共共存增加帶寬是增加容量和傳輸速率最直接的方法6GHz以下頻譜資源稀缺6GHz以上頻譜資源豐富關(guān)鍵技技術(shù)（（2）——頻譜拓拓展技技術(shù)毫米波波的波波長從從10毫米至至1毫米、、頻率率從30吉赫（（GHz）至300吉赫（（GHz）的電電磁波波稱為為毫米米波。。毫米波波通信信——開發(fā)高高頻段段傳播特特性：：1)是一種種典型型的視視距傳傳輸方方式2)具有““大氣氣窗口口”和和“衰衰減峰峰”“大氣氣窗口口”是指35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz頻段,在這些些特殊殊頻段段附近近,毫米波波傳播播受到到的衰衰減較較小。。一般般說來來，““大氣氣窗口口”頻頻段比比較適適用于于點對對點通通信，，已經(jīng)經(jīng)被低低空空空地導(dǎo)導(dǎo)彈和和地基基雷達達所采采用。。在60GHz、120GHz、180GHz頻段附附近的的衰減減出現(xiàn)現(xiàn)極大大值,約高達達15dB/km以上,被稱作作“衰減減峰””。3)降雨時時衰減減嚴重重4)對沙塵塵和煙煙霧具具有很很強的的穿透透能力力可用頻帶寬，可提供幾十GHz帶寬波束集中，提高能效方向性好，受干擾影響小優(yōu)勢路徑損耗大，不適合遠程通信受空氣和雨水等影響較大繞射能力差，NLOS受限硬件實現(xiàn)復(fù)雜度高（例如高速A/D和D/A的設(shè)計有很大挑戰(zhàn)）挑戰(zhàn)毫米波波通信信——開發(fā)高高頻段段毫米波波可用用于室室內(nèi)短短距離離通信信，也也可為為5G移動通通信系系統(tǒng)提提供Backhaul鏈路可見光光通信信（Visuallightcommunication:VLC）關(guān)鍵技技術(shù)（（2）——頻譜拓拓展技技術(shù)可見光光頻譜譜帶寬寬是無無線電電頻譜譜帶寬寬的萬萬倍380nm780nm信號源為LED，成本低、功耗低可實現(xiàn)高速率傳輸(3.5GbpsperLED)不易穿透障礙物，干擾小可在照明的同時提供通信優(yōu)勢目前僅能實現(xiàn)單向通信，如何實現(xiàn)雙向通信可見光通信和射頻通信的無縫切換等挑戰(zhàn)可見光光通信信在5G中可用用于室室內(nèi)短短距離離通信信、車車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)通信信、水水下通通信等等16關(guān)鍵技技術(shù)（（3）——大規(guī)模模天線線技術(shù)術(shù)4G：3GPPLTE-A標準4G：3GPPLTE標準5G3G：WCDMAHSPA+標準大規(guī)模模天線線：基基站使使用大大規(guī)模模天線線陣列列（幾幾十甚甚至上上百根根天線線）支持SISO，2×2MIMO，4×4MIMO。下行行峰值值速率率100Mb/s。支持2×2MIMO，下行行峰值值速率率42Mb/s最多支支持8×8MIMO，下行行峰值值速率率1Gb/s3G：WCDMAHSPA標準只能使使用SISO，下行行峰值值速率率7.2Mb/sMIMO技術(shù)的的演進進關(guān)鍵技技術(shù)（（3）——大規(guī)模模天線線技術(shù)術(shù)理解大大規(guī)模模天線線首先先需要要了解解波束束成形形技術(shù)術(shù)。傳傳統(tǒng)通通信方方式是是基站站與手手機間間單天天線到到單天天線的的電磁磁波傳傳播，，而在在波束束成形形技術(shù)術(shù)中，，基站站端擁擁有多多根天天線，，可以以自動動調(diào)節(jié)節(jié)各個個天線線發(fā)射射信號號的相相位，，使其其在手手機接接收點點形成成電磁磁波的的疊加加，從從而達達到提提高接接收信信號強強度的的目的的。傳統(tǒng)通通信就就像燈燈泡，，照亮亮整個個房間間，而而波速速成形形就像像手電電筒，，光亮亮可以以智能能地匯匯集到到目標標位置置上。。普通通全全向向天天線線，，覆覆蓋蓋所所有有區(qū)區(qū)域域波速速成成形形后后的的天天線線，，將將能能量量集集中中到到一一個個方方向向大規(guī)規(guī)模模天天線線陣陣列列正正是是基基于于多多用用戶戶波波束束成成形形的的原原理理，，在在基基站站端端布布置置幾幾百百根根天天線線，，對對幾幾十十個個目目標標接接收收機機調(diào)調(diào)制制各各自自的的波波束束，，通通過過空空間間信信號號隔隔離離，，在在同同一一頻頻率率資資源源上上同同時時傳傳輸輸幾幾十十條條信信號號。。這這種種對對空空間間資資源源的的充充分分挖挖掘掘，，可可以以有有效效利利用用寶寶貴貴而而稀稀缺缺的的頻頻帶帶資資源源，，并并且且?guī)讕资侗兜氐靥崽嵘W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)容容量量。。大家家可可以以從從下下圖圖中中美美國國萊萊斯斯大大學(xué)學(xué)的的大大規(guī)規(guī)模模天天線線陣陣列列原原型型機機中中看看到到由由64個小小天天線線組組成成的的天天線線陣陣列列，，這這很很好好地地展展示示了了大大規(guī)規(guī)模模天天線線系系統(tǒng)統(tǒng)的的雛雛形形。。關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)（（3）———大規(guī)規(guī)模模天天線線技技術(shù)術(shù)何為為大大規(guī)規(guī)模模天天線線：：大大量量天天線線為為相相對對少少的的用用戶戶提提供供同同傳傳服服務(wù)務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)容容量量10倍100倍能量量效效率率發(fā)射射能能量量大規(guī)規(guī)模模天天線線———有效效提提高高譜譜效效率率系統(tǒng)容量和能量效率大幅度提升上行和下行發(fā)射能量都將減少用戶間信道正交，干擾和噪聲將被消除信道的統(tǒng)計特性趨于穩(wěn)定優(yōu)勢信道測量與建模（不同場景信道）發(fā)射機和接收機設(shè)計（降低復(fù)雜度）天線單元及陣列設(shè)計（低能耗天線）挑戰(zhàn)大規(guī)規(guī)模模天天線線被被公公認認為為5G關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)之之一一關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)（（3）———大規(guī)規(guī)模模天天線線技技術(shù)術(shù)大規(guī)規(guī)模模天天線線應(yīng)應(yīng)用用場場景景：：中中心心式式天天線線系系統(tǒng)統(tǒng)適用用于于宏宏蜂蜂窩窩小小區(qū)區(qū)，，中中心心基基站站使使用用大大規(guī)規(guī)模模天天線線微小小區(qū)區(qū)為為大大部部分分用用戶戶提提供供服服務(wù)務(wù)，，而而大大規(guī)規(guī)模模天天線線基基站站為為微微小小區(qū)區(qū)范范圍圍外外的的用用戶戶提提供供服服務(wù)務(wù)，，同同時時對對微微小小區(qū)區(qū)進進行行控控制制和和調(diào)調(diào)度度（（demo:NTTdocomo）關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)（（3）———大規(guī)規(guī)模模天天線線技技術(shù)術(shù)大規(guī)規(guī)模模天天線線應(yīng)應(yīng)用用場場景景：：分分布布式式天天線線系系統(tǒng)統(tǒng)多根根天天線線分分布布在在區(qū)區(qū)域域內(nèi)內(nèi)聯(lián)聯(lián)合合處處理理(C-RAN)適用用于于高高用用戶戶密密度度或或者者室室內(nèi)內(nèi)場場景景關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)（（4）———新型型傳傳輸輸波波形形技技術(shù)術(shù)OFDM傳輸輸波波形形技技術(shù)術(shù)OFDM是當當前前Wi-Fi和LTE標準準中中的的高高速速無無線線通通信信的的主主要要傳傳信信模模式式頻譜利用效率高（與傳統(tǒng)FDM相比，提高一倍）抗頻率選擇性衰落利用FFT/IFFT模塊，容易實現(xiàn)優(yōu)勢載波頻偏導(dǎo)致碼間串擾和用戶間干擾循環(huán)前綴（CP）降低了頻效和能效挑戰(zhàn)OFDM是未未來來5G的關(guān)關(guān)鍵鍵傳傳輸輸波波形形技技術(shù)術(shù)，，其其性性能能仍仍有有提提升升空空間間將信信道道分分成成若若干干正正交交子子信信道道，，將將高高速速數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)信信號號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成并并行行的的低低速速子子數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流，，調(diào)調(diào)制制到到在在每每個個子子信信道道上上進進行行傳傳輸輸。。23關(guān)鍵鍵技技術(shù)術(shù)（（4）———新型型傳傳輸輸波波形形技技術(shù)術(shù)新型型傳輸輸波波形形技技術(shù)術(shù)———濾波波器器組組多多載載波波（Filterbankmulticarrier：FBMC）非正正交交多多址址技技術(shù)術(shù)（（NOMA）的基本本思想是是在發(fā)送送端采用用非正交交發(fā)送，，主動引引入干擾擾信息，，在接收收端通過過串行干干擾刪除除（SIC）接收機機實現(xiàn)正正確解調(diào)調(diào)。雖然然，采用用SIC技術(shù)的接接收機復(fù)復(fù)雜度有有一定的的提高，，但是可可以很好好地提高高頻譜效效率。用用提高接接收機的的復(fù)雜度度來換取取頻譜效效率，這這就是NOMA技術(shù)的本本質(zhì)。關(guān)鍵技術(shù)術(shù)（5）——非正交多多址接入入技術(shù)復(fù)雜度（（Complexity）容量（Capacity）關(guān)鍵技術(shù)術(shù)（5）——非正交多多址接入入技術(shù)NOMA主要有3個技術(shù)特特點：1、接收端端采用串串行干擾擾刪除（（SIC）技術(shù)。。2、發(fā)送端端采用功功率復(fù)用用技術(shù)。。3、不依賴賴用戶反反饋CSI。NOMA希望實現(xiàn)現(xiàn)的是，，重拾3G時代的非非正交多多用戶復(fù)復(fù)用原理理，并將將之融合合于現(xiàn)在在的4GOFDM技術(shù)之中中關(guān)鍵技術(shù)術(shù)（6）——先進編碼碼與調(diào)制制技術(shù)1G2G3G4G5G模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制編碼調(diào)制制技術(shù)的的演進QPSK,16QAMQPSK,16QAM,64QAM？BCH碼卷積碼Turbo碼？調(diào)制方式的演進編碼方式的演進增強的自適應(yīng)編碼調(diào)制設(shè)計Channels2s1s1s10/101AntennaEstimationSymbolDetectionDataBitsDataBits空間調(diào)制系統(tǒng)4發(fā)射天線QPSK空間調(diào)制星座圖關(guān)鍵技術(shù)術(shù)（6）——先進編碼碼與調(diào)制制技術(shù)空間調(diào)制制（SpatialModulation:SM）以天線的的物理位位置來攜攜帶部分分發(fā)送信信息比特特，將傳傳統(tǒng)二維維映射擴擴至三維維映射，，提高頻頻譜效率率。每時隙只只有一根根發(fā)射天天線處于于工作狀狀態(tài)，避避免了信信道間干干擾與天天線同步步發(fā)射問問題，且且系統(tǒng)僅僅需一條條射頻鏈鏈路，有有效地降降低了成成本。關(guān)鍵技術(shù)術(shù)（6）——先進編碼碼與調(diào)制制技術(shù)頻率正交交幅度調(diào)調(diào)制（FrequencyQuadrature-amplitudeModulation:FQAM）將頻移鍵鍵控（FSK）與正交交幅度調(diào)調(diào)制（QAM）相結(jié)合合，提高高頻譜效效率。用于多小小區(qū)下行行鏈路中中，能夠夠提高小小區(qū)邊緣緣用戶的的通信質(zhì)質(zhì)量。[1]國家電網(wǎng)網(wǎng)公司““兩會””工作報報告摘要要，2010年[2]全力構(gòu)建建綠色網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，中中國移動動通信研研究院，，2010年11月[3]StudyonEnergyEfficientRadioAccessNetwork(EERAN)Technologies,TUDresdenandVodafone,2009[4]NewGenerationNodeB,華為,20102009年，三大大運營商商的能耗耗總量折折合為440.7萬噸標準煤，，其中80%以上是電電力消耗耗，達到到290億度，相當于于2個大亞灣灣核電站站的年發(fā)發(fā)電量。。關(guān)鍵技術(shù)術(shù)（7