1、5G移動通信關(guān)鍵技術(shù),袁東風 信息科學與工程學院 山東大學 2014年12月12日,2,5G關(guān)鍵傳輸技術(shù),5G新型網(wǎng)絡架構(gòu),5G發(fā)展需求與挑戰(zhàn),相關(guān)研究基礎,提綱,3,5G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,4,5G發(fā)展需求,移動通信將持續(xù)快速發(fā)展,用戶數(shù)、連接設備數(shù)、數(shù)據(jù)量均持續(xù)呈指數(shù)式增長。,VNI Global Mobile Data Traffic Forecast 2013-2018, Cisco, 2014 The Mobile Economy, GSMA, 2014 Internet of Things, Cisco, 2013 IMT-2020 Summ

2、it, Samsung, 2014,1EB=1000PB 1PB=1000TB,5,5G發(fā)展需求,新型移動業(yè)務層出不窮,云操作、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、智能設備、智能交通、遠程醫(yī)療、遠程控制等各種應用對移動通信要求日益增加,6,5G發(fā)展需求,用戶體驗要求不斷提升,千億設備連接 （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）,7,5G發(fā)展需求,4G移動通信技術(shù)無法滿足未來的業(yè)務和用戶體驗需求,移動發(fā)展需求與4G業(yè)務服務能力的對比,TU-R WP5D/TEMP/390-E,任何時間(Anytime)、任何地點(Anywhere)的一致用戶體驗 用戶密集度高的區(qū)域 高速移動場

3、景 極低時延需求 ,8,5G發(fā)展需求,5G移動通信技術(shù)研究已在全球全面開展,9,5G發(fā)展需求,中國IMT-2020(5G)推進組關(guān)鍵技術(shù)指標要求,5G vs 4G 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,10,5G發(fā)展需求,5G關(guān)鍵性能指標與已有標準的對比,11,5G發(fā)展需求,多頻段、多接入模式、小的覆蓋半徑給網(wǎng)絡技術(shù)帶來挑戰(zhàn),新型通信技術(shù)和高頻段開發(fā)給半導體技術(shù)帶來挑戰(zhàn),海量設備帶來的能耗增加為綠色通信

4、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)密集化以及移動設備的增加導致的干擾制約網(wǎng)絡容量增長和傳輸速率增加,12,TDMA GSM NSS,CDMA TD-SCDMA WCDMA CDMA-2000 GPRS Core Network,OFDM、MIMO LTE-A WiMAX SAE,5G,4G,3G,2G,？,5G發(fā)展需求,為了實現(xiàn)5G發(fā)展目標，需要什么關(guān)鍵技術(shù)？,5G通信性能的提升不是單靠一種技術(shù)，需要多種技術(shù)相互配合共同實現(xiàn)。,13,5G關(guān)鍵傳輸技術(shù),5G新型網(wǎng)絡架構(gòu),5G發(fā)展需求與挑戰(zhàn),

5、相關(guān)研究基礎,提綱,14,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,15,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（1）認知無線電,2014年7月，國家無線電監(jiān)測中心和全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會發(fā)布450MHz-5GHz關(guān)注頻段頻譜資源評估報告，給出了北京、成都和深圳等城市部分無線電頻譜占用統(tǒng)計數(shù)字。,統(tǒng)計結(jié)果表明，5GHz以下所關(guān)注頻段大部分的使用率遠遠小于10%，說明5GHz以下頻段使用效率有

6、大量的提升空間。 為了提高頻譜利用率，未來5G需要采用認知無線電技術(shù),認知無線電提高已分配頻譜的利用效率,16,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（2）頻譜拓展技術(shù),0,3GHz,6GHz,60GHz,2G/3G/4G re-farming,WRC-15 AI 1.2 candidate bands below 6GHz,Potential bands above 6GHz for 2020s,WRC-15 AI 1.2,(6GHz)頻譜分配原則 優(yōu)先保障移動通信的頻譜資源 技術(shù)上可以實現(xiàn) 連續(xù)500MHz帶寬可用 能與其他系統(tǒng)共存,17,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（2）頻譜拓展技術(shù),高頻段帶寬資源尚待開發(fā) 60GHz頻段 毫米

7、波 (mmWave, 30300 GHz, 110 mm, 廣義毫米波包含2030 GHz),10400 GHz頻段大氣衰減,衛(wèi)星,軍事,毫米波通信開發(fā)高頻段,毫米波可用于室內(nèi)短距離通信，也可為5G移動通信系統(tǒng)提供Backhaul鏈路,18,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（2）頻譜拓展技術(shù),毫米波通信技術(shù)目前已經(jīng)實現(xiàn)10Gbps的傳輸速率 據(jù)預測，未來毫米波通信速率可快于光纖速率（faster than fiber）,J. Wells, Faster than fiber: The future of multi-G/s wireless, IEEE Microwave Magazine, vol. 10, p

8、p. 104-112, 2009.,40GHz以上頻段分配的商用帶寬達幾十GHz。,商用帶寬分配，40GHz以下比較窄,要實現(xiàn)更高的傳輸速率，需要更高的載波頻譜 10GHz以下頻段，僅能達到幾十Mbps 10-40GHz頻段，僅能達到幾百Mbps 60-80GHz頻段，可達1Gbps 100GHz以上，可達10Gbps,毫米波通信開發(fā)高頻段,19,可見光通信（Visual light communication: VLC）,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（2）頻譜拓展技術(shù),可見光頻譜帶寬是無線電頻譜帶寬的萬倍,380 nm,780nm,可見光通信在5G中可用于室內(nèi)短距離通信、車聯(lián)網(wǎng)通信、水下通信等,20,關(guān)鍵傳

9、輸技術(shù)（2）頻譜拓展技術(shù),已有研究表明，光attocell的譜效比射頻Femtocell的譜效最高提升近3個數(shù)量級,H. Haas, High-speed wireless networking using visible light, SPIE Newsroom, 2013.,可見光通信可顯著改善室內(nèi)通信傳輸速率,Attocell和Femtocell的單位面積頻譜效率(ASE)比值,測試條件：3層辦公樓被7個LTE宏基站包圍，樓層間損耗FL=17dB，內(nèi)墻損耗為12dB，外墻損耗為20dB. 紅色小點表示Attocell的可見光基站，綠色菱形表示Femtocell的射頻基站。,可見光通信（V

10、isual Light Communication: VLC）,21,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（3）大規(guī)模天線技術(shù),4G：3GPP LTE-A標準,4G：3GPP LTE標準,5G,3G：WCDMA HSPA+標準,大規(guī)模天線：基站使用大規(guī)模天線陣列（幾十甚至上百根天線）,支持SISO，22MIMO，44MIMO。下行峰值速率100Mb/s。,支持22MIMO，下行峰值速率42Mb/s,最多支持88MIMO，下行峰值速率1Gb/s,3G：WCDMA HSPA標準,只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/s,MIMO技術(shù)的演進,22,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（3）大規(guī)模天線技術(shù),何為大規(guī)模天線：大量天線為相對少的用戶

11、提供同傳服務,系統(tǒng)容量,10倍,100倍,能量效率,發(fā)射能量,大規(guī)模天線有效提高譜效率,大規(guī)模天線被公認為5G關(guān)鍵技術(shù)之一,23,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（3）大規(guī)模天線技術(shù),大規(guī)模天線應用場景：中心式天線系統(tǒng) 適用于宏蜂窩小區(qū)，中心基站使用大規(guī)模天線 微小區(qū)為大部分用戶提供服務，而大規(guī)模天線基站為微小區(qū)范圍外的用戶提供服務，同時對微小區(qū)進行控制和調(diào)度（demo: NTT docomo）,24,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（3）大規(guī)模天線技術(shù),大規(guī)模天線應用場景：分布式天線系統(tǒng) 多根天線分布在區(qū)域內(nèi)聯(lián)合處理(C-RAN) 適用于高用戶密度或者室內(nèi)場景,25,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（4）新型傳輸波形技術(shù),OFDM傳輸波形技術(shù) OFD

12、M是當前Wi-Fi和LTE標準中的高速無線通信的主要傳信模式,OFDM是未來5G的關(guān)鍵傳輸波形技術(shù)，其性能仍有提升空間,Noise,Transmitter,Receiver,26,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（4）新型傳輸波形技術(shù),新型傳輸波形技術(shù)濾波器組多載波 （Filterbank multicarrier：FBMC）,Noise,Transmitter,Receiver,用濾波器組替代CP 對載波頻偏不敏感 提高了頻效和能效,傳統(tǒng)OFDM功率譜,FBMC功率譜,除了FBMC外，還有多種波形改進技術(shù)，如time-Frequency Packing, sparse code multiple access,

13、 generalized frequency division multiplexing等 各種改進的傳輸波形技術(shù)為5G性能提升提供多樣選擇,G. Wunder, P. Jung, M. Kasparick, T. Wild, F. Schaich, C. Yejian, et al., 5GNOW: non-orthogonal, asynchronous waveforms for future mobile applications, IEEE Communications Magazine, vol. 52, pp. 97-105, 2014. V. Vakilian, T. Wild

14、, F. Schaich, S. ten Brink, and J. F. Frigon, Universal-filtered multi-carrier technique for wireless systems beyond LTE, in proc. IEEE Globecom Workshops, 2013 , pp. 223-228.,27,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（5）非正交多址接入技術(shù),1G,2G,3G,4G,正交多址接入技術(shù) 已有通信標準都采用正交接入技術(shù),28,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（5）非正交多址接入技術(shù),1G,2G,3G,4G,正交多址接入技術(shù) 已有通信標準都采用正交接入技術(shù),SNR1=2

15、0dB（強用戶）, SNR2=0dB（弱用戶） 正交接入方案一般來說是次優(yōu)的，僅在C點達到和容量最大，但是在該點，用戶2(弱用戶)獲得的速率很小，因此對弱用戶而言不公平。,最優(yōu)容量區(qū)域,正交方案可達速率區(qū)域,利用正交多址無法保證容量最優(yōu)和用戶公平,29,復雜度（Complexity）,容量（Capacity）,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（5）非正交多址接入技術(shù),非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access: NOMA),30,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（6）先進編碼與調(diào)制技術(shù),編碼調(diào)制技術(shù)的演進,31,4發(fā)射天線QPSK空間調(diào)制星座圖,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（6）先進編碼與調(diào)制技術(shù),空間調(diào)制（Spa

16、tial Modulation: SM）,以天線的物理位置來攜帶部分發(fā)送信息比特，將傳統(tǒng)二維映射擴至三維映射，提高頻譜效率。 每時隙只有一根發(fā)射天線處于工作狀態(tài)，避免了信道間干擾與天線同步發(fā)射問題，且系統(tǒng)僅需一條射頻鏈路，有效地降低了成本。,32,根據(jù)信息論，非高斯干擾可實現(xiàn)更高傳輸速率,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（6）先進編碼與調(diào)制技術(shù),頻率正交幅度調(diào)制（Frequency Quadrature-amplitude Modulation: FQAM）,將頻移鍵控（FSK）與正交幅度調(diào)制（QAM）相結(jié)合，提高頻譜效率。 用于多小區(qū)下行鏈路中，能夠提高小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量。,33,1 國家電網(wǎng)公司“兩會”工

17、作報告摘要，2010年 2 全力構(gòu)建綠色網(wǎng)絡，中國移動通信研究院，2010年11月 3 Study on Energy Efficient Radio Access Network (EERAN) Technologies, TU Dresden and Vodafone, 2009 4 New Generation Node B, 華為, 2010,2009年，三大運營商的能耗總量折合為440.7萬噸標準煤，其中80%以上是電力消耗，達到290億度，相當于2個大亞灣核電站的年發(fā)電量。,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（7）能效提升技術(shù),34,How to approach GREEN while carryin

18、g 1000X traffic?,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（7）能效提升技術(shù),35,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（7）能效提升技術(shù),資源域,用戶域,業(yè)務域,碼域 （CDMA）,能量域 （POWER）,時域 （TDMA）,頻域 （OFDM）,空域 （MIMO）,語音 （VOIP）,非實時數(shù)據(jù) （FTP）,實時數(shù)據(jù) （WEB）,多媒體 （MMS）,組播/廣播 （VOIP）,應用層,網(wǎng)絡層,物理層,多域協(xié)同無線資源管理,36,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（7）能效提升技術(shù),網(wǎng)絡資源與動態(tài)用戶行為和業(yè)務需求自適應匹配,Tango: Traffic-aware network planning & green operation - 自適應于業(yè)務

19、分布 （時間和空間的非均勻分布） - 自適應于業(yè)務特征 （單播，多播，廣播） - 自適應于服務質(zhì)量需求 (QoS)（實時，非實時）,滿足用戶QoS, 提高能效,Z. Niu, “TANGO: Traffic-Aware Network Planning and Green Operation”, IEEE Wireless Commun., vol. 18, pp. 25-29, Oct.2011.,37,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（7）能效提升技術(shù),跨層優(yōu)化資源調(diào)度 高效利用有限資源 跨層資源聯(lián)合調(diào)度,跨網(wǎng)優(yōu)化協(xié)作通信 減少競爭、增加合作 跨網(wǎng)資源聯(lián)合優(yōu)化配置,CHORUS: Collaborative

20、& Harmonized Open Radio Ubiquitous System,提升用戶體驗， 降低能量消耗,CHORUS,S. Zhou, Z. Niu, P. Yang, and S. Tanabe, CHORUS: a framework for scalable collaboration in heterogeneous networks with cognitive synergy, IEEE Wireless Communications, vol. 20, pp. 133-139, 2013.,38,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（8）網(wǎng)絡覆蓋增強技術(shù),密集組網(wǎng)（UDN）、異構(gòu)結(jié)構(gòu)（HetN

21、ets）、中心式云后臺（Cloud）是5G網(wǎng)絡整體架構(gòu)的共識。,密集,異構(gòu),中心式云后臺,使無線通信回歸到“最后一公里” 拉近用戶與天線的距離，提高速率 增強服務覆蓋面積,大量不同級小區(qū)重疊（Macro、Micro、Pico、Femto） 不同制式的網(wǎng)絡重疊（Cellular、Wi-Fi、D2D、CR、M2M）,Remote Radio Head（RRH）與基帶處理單元分離 SDN網(wǎng)絡實現(xiàn)協(xié)議接口 基帶信號資源的集中化管理與調(diào)度,39,關(guān)鍵傳輸技術(shù)（8）網(wǎng)絡覆蓋增強技術(shù),應用場景：DHS (Dense+Heterogeneous+Seperated),C.-X. Wang, F. Haider

22、, X. Gao, X.-H. You, Y. Yang, D. Yuan, H. Aggoune, H. Haas, S. Fletcher, and E. Hepsaydir, “Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. 2, Feb. 2014,室內(nèi)室外分離 室內(nèi)利用短距離傳輸技術(shù)，可顯著減少信號衰落，提升傳輸速率 毫米波和可見光可被墻壁阻擋，顯著降低小區(qū)間干擾 室內(nèi)設備不會對室外設備造成干擾,截至2

23、014年12月11日，被引用32次(谷歌學術(shù)),40,5G關(guān)鍵傳輸技術(shù),5G新型網(wǎng)絡架構(gòu),5G發(fā)展需求與挑戰(zhàn),相關(guān)研究基礎,提綱,41,新型網(wǎng)絡架構(gòu),網(wǎng)絡架構(gòu) 思路變革,42,新型網(wǎng)絡架構(gòu),一體式（All-in-one）基站結(jié)構(gòu)（2G-3G）,43,Radio Network Controller,OS,新型網(wǎng)絡架構(gòu),Network Management,OS,4G 數(shù)據(jù)/控制平面分離 控制中心化,Network Management,OS,Network Management,OS,Cloud,5G 虛擬化 IaaS 大數(shù)據(jù),2G/3G 一體式基站 傳統(tǒng)互聯(lián),44,新型網(wǎng)絡架構(gòu),C-RAN

24、云架構(gòu) RRU替代物理基站 光纖互聯(lián) 中心式處理 高性能 多點協(xié)作接入 實時信息處理 低成本 低建設成本 低維護成本,C-RAN 無線接入網(wǎng)綠色演進白皮書 (v2.5)，2011,45,新型網(wǎng)絡架構(gòu),2010年由中國移動首次提出 已在中國珠海、吉林、長沙、青島等地試點,安捷倫 Intel,IBM,中興 華為,NGMN,IEEE GlobeCom IEEE ICC IEEE WCNC CHINACOM,46,新型網(wǎng)絡架構(gòu),Cloud,網(wǎng)絡設備虛擬化,47,新型網(wǎng)絡架構(gòu),Virtual BS Pool,REPE,REPE,5G 4G Wi-Fi,5G,5G,5G,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)虛擬化 云端的虛擬基站集群

25、構(gòu)成虛擬網(wǎng)絡，利用SDN技術(shù)動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。,48,新型網(wǎng)絡架構(gòu) IaaS,資源開放,大數(shù)據(jù),云計算,IaaS,對用戶而言，網(wǎng)絡是透明的。用戶只需要提出 需求及相應的QoS，網(wǎng)絡就會以最低的成本 提供相應的服務。,虛擬化,49,新型網(wǎng)絡架構(gòu) IaaS工作過程,1 用戶向網(wǎng)絡提出自己的需求和相應的QoS。,2 用戶周邊任意一個設備接收請求。,3 由于該設備滿足了資源開放協(xié)議標準，該設備將請求上傳至云中心。,4 云中心的虛擬交換機把請求傳遞給Broker。,5 Broker是一個服務管理中心。它將用戶請求轉(zhuǎn)化為一個優(yōu)化問題，交給上層求解。,6 網(wǎng)絡智能模塊會利用大數(shù)據(jù)處理和云計算實現(xiàn)資源彈性分配

26、，以最低的成本滿足用戶需求。,7 上層下達控制命令給相應的虛擬基站。,8 啟動一個5G設備提供服務。,9 同時租用一個其它運營商的Wi-Fi熱點緩解壓力（卸載）。,10 用戶完全不知道（也沒有必要知道）自己的數(shù)據(jù)同時來源于一個Wi-Fi熱點和一個5G基站。,50,新型網(wǎng)絡架構(gòu),Cloud Big Data,多元 融合 開放 智能,Demestichas, P. Georgakopoulos, A. Karvounas, D. 5G on the Horizon Key Challenges for the Radio-Access Network, IEEE Vehicular Technology Magazine, Vol. 8, No. 3, pp. 47 53, 2013.,51,大數(shù)據(jù)與5G,IoT,MI,驅(qū)動,驅(qū)動,52,什么是大數(shù)據(jù)？,大數(shù)據(jù)是具有體量大、結(jié)構(gòu)多樣、時效強等特征的數(shù)據(jù)；處理大數(shù)據(jù)需采用新型計算架構(gòu)和智能算法等新技術(shù)；大數(shù)據(jù)的應用強調(diào)以新的理念應用于輔助決策、發(fā)現(xiàn)新的知識，更強調(diào)在線閉環(huán)的業(yè)務流程優(yōu)化。 2014年大數(shù)據(jù)白皮書工業(yè)和信息化部電信研究院,大數(shù)據(jù)一般指TB、PB級,以騰訊