1、5G移动通信关键技术移动通信关键技术袁东风袁东风 信息科学与工程学院山东大学2014年12月12日 5G关键传输技术关键传输技术 5G新型网络架构新型网络架构 5G发展需求与挑战发展需求与挑战 相关研究基础相关研究基础提纲提纲2/595G发展需求发展需求 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发展需求发展需求 移动通信将持续快速发展移动通信将持续快速发展p用户数、连接设备数、数据量均持续呈指数式增长。VNI Global Mobile Data Traffic Forecast 2013-2018,Cisco,2014 Th
2、e Mobile Economy,GSMA,2014 Internet of Things,Cisco,2013 IMT-2020 Summit,Samsung,20141EB=1000PB1PB=1000TB4/595G发展需求发展需求 新型移动业务层出不穷新型移动业务层出不穷p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发展需求发展需求 用户体验要求不断提升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发展需求发展需求 4G4G移动通信技术无法满足未来的业务和用
3、户体验需求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-R WP5D/TEMP/390-E 任何时间(Anytime)、任何地点(Anywhere)的一致用户体验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发展需求发展需求 5G5G移动通信技术研究已在全球全面开展移动通信技术研究已在全球全面开展8/595G发展需求发展需求 中国中国IMT-2020(5G)IMT-2020(5G)推进组关键技术指标要求推进组关键技术指标要求5G vs 4Gu 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u 数据率千倍单位面积容量增
4、长百倍用户体验速率增长几十倍峰值传输速率增长u 时延十倍端到端延时降低u 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发展需求发展需求0.38414 28 100100010000020004000600080001000012000WCDMA(UMTS)HSPA/HSDPA/HSUPAHSPALTE LTE-A5GMBPSMax downlink speed0.1285.7 11505001000020040060080010001200WCDMA(UMTS)HSPA/HSDPA/HSUPAHSPALTE LTE-A5GMBPSMax uplink speed1501005
5、010560GHz2G/3G/4G re-farmingWRC-15 AI 1.2 candidate bands below 6GHz Potential bands above 6GHz for 2020s Global interest bands for WRC-156GHz)频谱分配原则优先保障移动通信的频谱资源技术上可以实现连续500MHz带宽可用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16/59关键传输技术（关键传输技术（2）频谱拓展技术频谱拓展技术 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
6、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,30300 GHz,110 mm,广义毫米波包含2030 GHz)10400 GHz频段大气衰减卫星军事 毫米波通信毫米波通信开发高频段开发高频段p 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（关键传输技术（2）频谱拓展技术频谱拓展技术 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
7、速率可快于光纤速率（faster than fiber）J.Wells,Faster than fiber:The future of multi-G/s wireless,IEEE Microwave Magazine,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p 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Mbps10-40GHz频段，仅能达到几百Mbps60-80GHz频段，可达1Gbps100GHz以上，可达10Gbps 毫米波通信毫米波通信开发高频段开发高频段18/59 可
8、见光通信可见光通信（Visual light communication:VLCVisual light communication:VLC）关键传输技术（关键传输技术（2）频谱拓展技术频谱拓展技术可见光频谱带宽是无线电频谱带宽的万倍380 nm780nm 信号源为信号源为LED，成本低、功耗低，成本低、功耗低 可实现高速率传输可实现高速率传输(3.5Gbps per LED)不易穿透障碍物，干扰小不易穿透障碍物，干扰小 可在照明的同时提供通信可在照明的同时提供通信优势优势 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p 可见光通信在5G中可用于室内短距离通信、
9、车联网通信、水下通信等19/59关键传输技术（关键传输技术（2）频谱拓展技术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-speed wireless networking using visible light,SPIE Newsroom,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F
10、emtocell的射频基站。可见光通信可见光通信（Visual Light Communication:VLCVisual Light Communication:VLC）20/59关键传输技术（关键传输技术（3）大规模天线技术大规模天线技术大规模天线：基站使用大规模天线阵列（几十甚至上百根天线）支持SISO，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只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/s MIMOMIMO技术的演进技术的演进21/59关键传输技术（关键传输技术（3）大规模天线技术大规模天
11、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p 大规模天线被公认为5G关键技术之一22/59关键传输技术（关键传输技术（3）大规模天线技术大规模天线技术 大规模天线应用场景：中心式天线系统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
12、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:NTT docomo）23/59关键传输技术（关键传输技术（3）大规模天线技术大规模天线技术 大规模天线应用场景：分布式天线系统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（关键传输技术（4）新型传输波形技术新型传输波形技术 OFDMOFDM传输波形技术传输波形技术 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
13、利用FFT/IFFT模块，容易实现优势优势 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）挑战挑战p OFDM是未来5G的关键传输波形技术，其性能仍有提升空间OFDMmod.(IFFT)CPinsertionNoiseOFDMdemod.(FFT)CPremovalTransmitterReceiverLTE CP配置配置子载波子载波间隔间隔 CP比例比例常规CP15kHz5.21 4.69s67.7s7.2%6.5%扩展CP15kHz16.67s67.7s20%25/59关键传输技术（关键传输技术（4）新型传输波形技术新型传输波
14、形技术 新型新型传输波形技术传输波形技术滤波器组多载波滤波器组多载波 （FilterbankFilterbank multicarriermulticarrier：FBMCFBMC）OFDMmod.(IFFT)Tx Filter BankNoiseOFDMdemod.(FFT)Rx Filter BankTransmitterReceiveru 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-Frequency Packing,sparse code multiple access,generalized
15、 frequency division multiplexing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,et al.,5GNOW:non-orthogonal,asynchronous waveforms for future mobile applications,IEEE Communications Magazine,vol.52,pp.97-105,2014.V.Vakilian,T.Wild,F.Schaich,S.ten Brink,and J.F.Frigon,
16、Universal-filtered multi-carrier technique for wireless systems beyond LTE,in proc.IEEE Globecom Workshops,2013,pp.223-228.26/59关键传输技术（关键传输技术（5）非正交多址接入技术非正交多址接入技术1G2G3G4G 可规避用户间干扰 系统实现容易优势 根据信息论，正交多址系统可可达达容量容量次次优优挑战 正交多址接入技术正交多址接入技术 已有通信标准都采用正交接入技术27/59关键传输技术（关键传输技术（5）非正交多址接入技术非正交多址接入技术1G2G3G4G 正交多址
17、接入技术正交多址接入技术 已有通信标准都采用正交接入技术 SNR1=20dB（强用户）,SNR2=0dB（弱用户）正交接入方案一般来说是次优的，仅在C点达到和容量最大，但是在该点，用户2(弱用户)获得的速率很小，因此对弱用户而言不公平。最优容量区域正交方案可达速率区域p 利用正交多址无法保证容量最优和用户公平28/59复杂度（Complexity）容量（Capacity）关键传输技术（关键传输技术（5）非正交多址接入技术非正交多址接入技术 非正交多址接入非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access:NOMA)(Non-orthogonal Multiple Ac
18、cess:NOMA)两个用户同时占用所有可用带宽 弱用户先解码强干扰，消除干扰的影响，再解码自己的消息。可实现最优容量，并改善弱用户改善弱用户可达速率NOMA29/59关键传输技术（关键传输技术（6）先进编码与调制技术先进编码与调制技术模拟调制数字调制 编码调制技术的演进编码调制技术的演进QPSK,16QAMQPSK,16QAM,64QAMBCH码卷积码Turbo码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30/59Channels2s1s1s10/101Antenna EstimationSymbol DetectionData BitsData Bits空间调制系统4发射天线Q
19、PSK空间调制星座图关键传输技术（关键传输技术（6）先进编码与调制技术先进编码与调制技术 空间调制空间调制（Spatial Modulation:SMSpatial Modulation:SM）p 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。p 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。31/59根据信息论，非高斯干扰可实现更高传输速率关键传输技术（关键传输技术（6）先进编码与调制技术先进编码与调制技术 频率正交幅度调制频率正交幅度调制（FrequencyFrequency Quadr
20、ature-amplitude Quadrature-amplitude Modulation:FQAMModulation:FQAM）p 将频移键控（FSK）与正交幅度调制（QAM）相结合，提高频谱效率。p 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。32/591 国家电网公司国家电网公司“两会两会”工作报告摘要，工作报告摘要，2010年年2 全力构建绿色网络，中国移动通信研究院，全力构建绿色网络，中国移动通信研究院，2010年年11月月3 Study on Energy Efficient Radio Access Network(EERAN)Technologies,TU Dr
21、esden and Vodafone,20094 New Generation Node B,华为华为,20102009年年，三大运营商的能耗总量折合为三大运营商的能耗总量折合为440.7万吨万吨标准煤，其中标准煤，其中80%以以上是电力消耗，达到上是电力消耗，达到290亿度亿度，相当于相当于2个大亚湾核电站的年发电量。个大亚湾核电站的年发电量。关键传输技术（关键传输技术（7）能效提升技术能效提升技术33/59How to approach GREEN while carrying 1000X traffic?关键传输技术（关键传输技术（7）能效提升技术能效提升技术34/59关键传输技术（关键
22、传输技术（7）能效提升技术能效提升技术资源域资源域用户域用户域业务域业务域码域码域（CDMA）能量域能量域（POWER）时域时域（TDMA）频域频域（OFDM）空域空域（MIMO）语音语音（VOIP）非实时数据非实时数据 （FTP）实时数据实时数据（WEB）多媒体多媒体（MMS）组播组播/广播广播（VOIP）应用层应用层网络层网络层物理层物理层多域协同无线资源管理多域协同无线资源管理35/59关键传输技术（关键传输技术（7）能效提升技术能效提升技术网络资源与动态网络资源与动态用户行为和业务需求自适应匹配用户行为和业务需求自适应匹配Tango:Traffic-aware network plan
23、ning&green operation -自适应于业务分布自适应于业务分布（时间和空间的非均匀分布）（时间和空间的非均匀分布）-自适应于业务特征自适应于业务特征 （单播，多播，广播）（单播，多播，广播）-自适应于服务质量需求自适应于服务质量需求(QoS)（实时，非实时）（实时，非实时）满足用户满足用户QoS,提高能效提高能效Z.Niu,“TANGO:Traffic-Aware Network Planning and Green Operation”,IEEE Wireless Commun.,vol.18,pp.25-29,Oct.2011.36/59关键传输技术（关键传输技术（7）能效提
24、升技术能效提升技术p 跨层优化跨层优化资源调度资源调度 高效利用有限资源 跨层资源联合调度链路层链路层应用层应用层传输层传输层物理层物理层网络层网络层智能智能MACMAC实时实时/非实时非实时拥塞控制拥塞控制感知路由感知路由CSIQSIp 跨网优化跨网优化协作通信协作通信 减少竞争、增加合作 跨网资源联合优化配置CHORUS:Collaborative&Harmonized Open Radio Ubiquitous System提升用户体验，提升用户体验，降低能量消耗降低能量消耗CHORUSS.Zhou,Z.Niu,P.Yang,and S.Tanabe,CHORUS:a framework
25、 for scalable collaboration in heterogeneous networks with cognitive synergy,IEEE Wireless Communications,vol.20,pp.133-139,2013.37/59关键传输技术（关键传输技术（8）网络覆盖增强技术网络覆盖增强技术 密集组网密集组网（UDNUDN）、）、异构结构异构结构（HetNetsHetNets）、）、中心式云后台中心式云后台（CloudCloud）是）是5G5G网络整体架构的共识。网络整体架构的共识。密集异构中心式云后台使无线通信回归到“最后一公里”拉近用户与天线的距离，
26、提高速率增强服务覆盖面积大量不同级小区重叠（Macro、Micro、Pico、Femto）不同制式的网络重叠（Cellular、Wi-Fi、D2D、CR、M2M）Remote Radio Head（RRH）与基带处理单元分离SDN网络实现协议接口基带信号资源的集中化管理与调度38/59关键传输技术（关键传输技术（8）网络覆盖增强技术网络覆盖增强技术 应用场景：应用场景：DHS(DHS(Dense+Heterogeneous+Dense+Heterogeneous+SeperatedSeperated)C.-X.Wang,F.Haider,X.Gao,X.-H.You,Y.Yang,D.Yuan
27、,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室内室外分离室内利用短距离传输技术，可显著减少信号衰落，提升传输速率毫米波和可见光可被墙壁阻挡，显著降低小区间干扰室内设备不会对室外设备造成干扰截至2014年12月11日，被引用32次(谷歌学术)39/59 5G关键传输技术关键传输技术 5G新型网络架构新型网络架构
28、5G发展需求与挑战发展需求与挑战 相关研究基础相关研究基础提纲提纲40/59新型网络架构新型网络架构多接入技术多接入技术并存并存超密小区超密小区异构网络异构网络融合融合云计算云计算网络智能网络智能弹性资源弹性资源管理管理5G网络网络趋势趋势成本有效性网络协同网络架构思路变革41/59新型网络架构新型网络架构Network ManagementOSNetworkDeviceDriver一体式（一体式（All-in-one）基站结构（）基站结构（2G-3G）特点：u功能强大，结构复杂u数据与控制高度耦合问题：u基站建设与维护成本高u基站之间协作受限u难以满足多样的需求42/59Radio Netw
29、ork ControllerOS新型网络架构新型网络架构Network ManagementOSNetworkDeviceDriver4G数据/控制平面分离控制中心化Network ManagementOSNetworkDeviceDriverNetwork ManagementOSNetworkDeviceDriverCloud5G虚拟化IaaS大数据2G/3G一体式基站传统互联43/59新型网络架构新型网络架构C-RAN云架构RRU替代物理基站光纤互联中心式处理高性能多点协作接入实时信息处理低成本低建设成本低维护成本RRURRUFiberRRUCloudC-RAN 无线接入网绿色演进白皮书
30、(v2.5)，201144/59新型网络架构新型网络架构2010年由中国移动首次提出年由中国移动首次提出已在中国珠海、吉林、长沙、青已在中国珠海、吉林、长沙、青岛等地试点岛等地试点安捷伦安捷伦IntelIBM中兴中兴华为华为NGMNIEEE GlobeComIEEE ICCIEEE WCNCCHINACOM45/59新型网络架构新型网络架构REPE5GDevice4GDeviceWi-FiDeviceCloud资源开放协议（资源开放协议（REP）开放式设备接口协议资源描述协议资源租赁协议设备动态租用利用设备空闲资源避免重复建设前向兼容，平滑过渡现有应用保持不变现有设备保持不变全网优化基础全频段
31、调度负载均衡网络设备虚拟化网络设备虚拟化46/59新型网络架构新型网络架构4G vBSManagementAPPRLCMACPHY5G vBSManagementAPPRLCMACPHYWi-Fi vBSManagementAPPRLCMACPHY5G vBSManagementAPPRLCMACPHYVirtual BS PoolREPEREPE5G4GWi-Fi5G5G5G网络结构虚拟化网络结构虚拟化云端的虚拟基站集群构成虚拟网络，利用SDN技术动态优化网络结构。47/59新型网络架构新型网络架构 IaaS对用户而言，网络是透明的。用户只需要提出需求及相应的QoS，网络就会以最低的成本提供
32、相应的服务。48/59新型网络架构新型网络架构 IaaS工作过程工作过程Network Intelligence (Big Data)VM4GDeviceREPE5GDeviceREPEBrokerVMWi-FiDeviceREPEVMmmWaveDeviceREPEVM5GDeviceREPEvSwitchUE1 用户向网络提出自己的需求和相应的QoS。2 用户周边任意一个设备接收请求。3 由于该设备满足了资源开放协议标准，该设备将请求上传至云中心。4 云中心的虚拟交换机把请求传递给Broker。5 Broker是一个服务管理中心。它将用户请求转化为一个优化问题，交给上层求解。6 网络智能模
33、块会利用大数据处理和云计算实现资源弹性分配，以最低的成本满足用户需求。7 上层下达控制命令给相应的虚拟基站。8 启动一个5G设备提供服务。9 同时租用一个其它运营商的Wi-Fi热点缓解压力（卸载）。10 用户完全不知道（也没有必要知道）自己的数据同时来源于一个Wi-Fi热点和一个5G基站。49/59新型网络架构新型网络架构2GGSM,GPRS,EDGE3GCDMA,HSPA4GLTE-A,WiMAXMulti RATsWi-Fi,mmWave,VLCMacro CellMicro CellPico CellFemtocellWLAN Cloud Big Data多元多元 融合融合开放开放 智能
34、智能D2DDemestichas,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 53,2013.50/59大数据与大数据与5GIoTMI驱动驱动0110101010数据产生、积累数据产生、积累1010101010用户数据行为分析用户数据行为分析决策支持 娱乐办公 铁路运输 机动车辆 智能医疗 智能家居 智能交通 通信 新闻 视频 社交 购物 美食51/5
35、9什么是大数据？什么是大数据？大数据是具有体量大、结构多样、时效强等特征的数据；处理大数据需采用新型计算架构和智能算法等新技术；大数据的应用强调以新的理念应用于辅助决策、发现新的知识，更强调在线闭环的业务流程优化。2014年大数据白皮书工业和信息化部电信研究院 大数据一般指TB、PB级 以腾讯为例：52/595G中的大数据中的大数据 5G中数据的特性VolumeVelocityVariety 体积巨大连接数：104/km2流量密度：10 Tbps/km2 数据生成速度快用户体验速度：1 Gbps延时：1 ms以下 数据类型多样结构化、非结构化电话短信网页游戏视频地理位置53/59大数据如何推动大数据如何推动5G发展？发展？54/5955/59祝您成功！
