5G移动通信系统与技术.pptx

1、5G移动通信系统与技术,课程目标,2,了解5G标准进展 了解5G核心指标 了解5G关键无线技术 了解5G网络结构和网络技术 了解5G特色业务应用,5G愿景白皮书 5G概念白皮书 5G网络技术架构,参考书目,5G移动通信 系统与技术,5G系统标准发展概述,5G系统核心能力指标,5G系统关键无线技术,4. 5G系统新型网络架构,5. 5G系统重要网络技术,6. 5G系统特色业务应用,课程介绍,4,1、移动通信技术演进规律 2、4G/4.5G/5G标准主要技术特征 3、移动通信技术愿景和路标,移动通信技术具有代际演进的规律-全球移动通信经过1G、2G和3G三个发展阶段，正从3G向4G演进-当前各国正

2、在积极推进5G技术研究,移动互联网和物联网为5G发展提供广阔发展空间 -预计2010年到2020年全球移动数据流量增长将超过200倍，我国将增长300倍以上 -预计到2020年全球移动终端数量将超过100亿，其中我国将超过20亿 - 预计到2020年全球物联网设备连接数为500亿，其中我国将超过100亿,调制技术：256QAM（256阶正交振幅调制） 相对4G的64QAM承载6bit，采用256QAM可承载8bit，同样的时频资源块上能容纳更多数据，提升了空口吞吐量。,256QAM,64QAM,8载波以上载波聚合,4T4RMIMO,8T8R以上MIMO,Massive MIMO,物联网技术：L

3、TE-M LTE-M是为满足运营商开拓物联网需要提出新的一种蜂窝网络技术，采用窄带技术（带宽从4G的180kHz降低到下行15kHz、上行5kHz ）相对4G覆盖提升200倍（功率谱密度提升36倍，最大64个TTI Bundling提升5.5倍），单小区支持110万连接数（LTE-M的RB数提高36倍。,3D BF通过水平、垂直两维波束赋形提供最大32。4G只有水平维度的波束赋形，最大8流,Massive CA,3D BF,水平方向波束,水平方向波束,垂直方向波束,多天线技术：Massive MIMO（ 3D BF、8T8R以上MIMO ）、Massive CA（ 8载波以上）,接入技术：SO

4、MA（半正交频分多址） 将小区中心用户和边缘用户分配在同一个时频资源块上，通过功率资源（两用户功率相差较大场景）对两用户进行区分，从而提高资源利用率，获得更高吞吐量。,未来触手可及,4G,4.5G,5G,人与人互联,物联网,万物互联,高清视频、简单物联网、车联网,4k超高清视频、物联网、车联网,全息视频、虚拟现实、自动驾驶、物联网、车联网、智能家居、穿戴式设备,4.5G定义（ 4.5G标准R12将于今年底冻结）：4.5G是4G演进，可提供XGbps大容量、10ms低时延和300亿连接数 基于SOMA、256QAM、Massive MIMO等关键技术提供xGbps高容量； 基于Cloud EPC

5、及Shorter TTI特性缩短时延到10ms； 通过LTE-M提供小带宽满足物联网300亿+接入用户数,5G定义（标准处于研究阶段）：5G通过系列关键新技术可提供10Gbps超大容量、 端到端1ms超低时延、1000亿海量连接 革命性技术：全双工技术、Massive MIMO多天线(128*128) 、高阶频段（ 30G-100GHz）提供高达10Gbps容量； 采用0.1ms TTI将时延降低到1ms，可变带宽子载波支持连接数1000亿以上，应对未来10年ICT行业巨大变化，实现万物互联。,应用 场景,定义,5G不仅仅是一次技术升级，它将为我们搭建一个广阔的技术平台，催生无数新应用、新产业

6、。5G将成为全联接世界和未来信息社会的重要基础设施和关键使能者。,4.5G是4G的全方位平滑演进，可以在现有4G上通过软件升级或增加一定硬件来实现，4.5G定位于未来五年出现的新终端、新业务、新体验，是5G的先行者。,4.5G 商用,5G 商用,4.5G、5G的设计目标：提供更高容量、更多连接、更短时延。,当前4.5G标准R12将于今年底冻结，R13标准正在制定；5G标准正处于研究阶段。,5G移动宽带系统将成为面向2020年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统。 5G不再仅仅是更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，而是面向业务应用和用户体验的智能网络。它是一个多业务多技术融合的网络，通

7、过技术的演进和创新，满足未来包含广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要，提升用户体验。,课程总结,18,1、移动通信演进规律4G-4.5G-5G R12对应4.5G，R15对应5G 有、好、强、爽、悦 2、移动通信标准主要技术特征4.5G:3D MIMO、massive MIMO、半正交多址、256调制技术、物联网LTE-M5G:massive MIMO、非正交多址、全双工、灵活双工、增强多载波等,5G移动通信 系统与技术,1. 5G系统标准发展概述,2. 5G系统核心能力指标,3. 5G系统关键无线技术,4. 5G系统新型网络架构,5. 5G系统重要网络技术,6. 5G系统特色业务应用,课程

8、介绍,20,1、5G八大关键能力指标 2、5G频率挑战、技术挑战、效率挑战和运营挑战,ITU定义的三大应用场景,中国5G之花,5G技术发展的愿景: “信息随心至，万物触手及”,5G的频率挑战,5G的技术挑战,25,26,5G系统相比4G系统在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要得到显著提升： 频谱效率需提高515倍 能源效率有百倍以上提升 成本效率有百倍以上提升,跨层优化资源调度 高效利用有限资源 跨层资源联合调度,跨网优化协作通信 减少竞争、增加合作 跨网资源联合优化配置,CHORUS: Collaborative & Harmonized Open Radio Ubiquitous Sys

9、tem,提升用户体验， 降低能量消耗,CHORUS,课程总结,28,1、5G八大关键能力流量密度、连接数密度、时延、移动性、频谱效率、能效、用户体验速率、峰值速率 2、5G三大关键应用场景海量机器通信、增强的移动宽带、超高可靠和低时延通信 3、5G挑战 频率挑战 技术挑战 运营挑战 效率挑战,1. 5G系统标准发展概述,2. 5G系统核心能力指标,3. 5G系统关键无线技术,4. 5G系统新型网络架构,5. 5G系统重要网络技术,6. 5G系统特色业务应用,课程介绍,30,1、5G面临的挑战和应对思路 2、5G主要关键技术 大规模天线技术 非正交多址接入技术,技术原理 当基站侧天线数远大于用户

10、天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交。 用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源共同调度更多用户。 功能和优势 若基站配置400根天线，在20MHz带宽的同频复用TDD系统中，每小区用MU-MIMO方式服务42个用户时，即使小区间无协作，且接收/发送只采用简单的MRC/MRT时，每个小区的平均容量也可高达1800Mbps。 应用场景 城区宏覆盖、高层建筑、室内外热点、郊区、无线回传链路,技术方案 面向异构和密集组网的massive MIMO网络构架与组网方案 Massive MIMO物理层关键技术 大规模有源阵列天线技术 大规模天线与

11、高频段的结合,技术原理 PDMA图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Acess）是一种基于多用户通信系统整体优化的新型非正交多址接入技术，通过发送端和接收端的联合设计，在发送端采用功率/空间/编码等多种信号域的单独或者联合非正交特征图样区分用户，在接收端采用SIC方式实现准最优多用户检测。 主要功能和优势 对于大容量持续业务信道，使系统整体频谱效率提升1-2倍；对于大容量随机突发业务，缩短数据包传输时延并提升用户接入体验。,技术方案 发射端图样设计 导频设计 与MIMO结合 低复杂度检测算法,应用场景 宏蜂窝及宏微蜂窝异构网络 分布式多天线或密集小区 低时延高

12、可靠等极端场景,F-OFDM波形技术：根据业务灵活配置,SCMA稀疏码本多址：多维调制、扩频,PDMA图样多址：功率域、空间域、码域,MUSA多用户多址：非线性SIC接收机,课程总结,43,1、5G面对挑战解决思路 新体制、新技术、新思路 2、5G主要关键技术 大规模天线技术 非正交多址接入技术：PDMA/NOMA/MUSA/SCMA/F-OFDM,课程介绍,44,1、5G主要关键技术 双工技术 超密集组网 物联网设计 高频信号传输技术 灵活频谱共享技术 新型传输波形技术 先进编码调制技术,灵活双工技术,基本原理 随着在线视频业务的增加，以及社交网络的推广，未来移动流量呈现出多变特性：上下行业

13、务需求随时间、地点而变化等，目前通信系统采用相对固定的频谱资源分配将无法满足不同小区变化的业务需求。 灵活双工能够根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提高系统资源利用率。,应用场景 低功率节点的小基站 低功率的中继节点,全双工通信技术,在现有基础上，理论上信道容量提升1倍,多天线对消方案,时分双工 上下行链路同频，分时 频分双工 上下行链路分频，同时 全双工 上下行链路同频，同时 目前国外已建立试验平台，国内开展研究较少,技术原理 增加单位面积内小基站的密度，通过在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量。 功能和优势 满足热点地区500-1

14、000倍的流量增长的需求（几十Tbps/k, 1百万连接/k ，1Gbps用户体验速率） 应用场景 密集街区、密集住宅、办公室、公寓、大型集会、体育场、购物中心、地铁,技术方案 5G高密度小区的网络架构 干扰管理 移动性管理 连接管理 多层，多RAT融合组网 节能 SON,技术原理 满足移动互联网和物联网的应用场景的扩大所带来的对时延和可靠性的特殊要求。 主要功能和优势 端到端ms级用户面时延 真正永远在线体验: 10ms 控制面时延 可靠性高达99.999%以上 应用场景 实时云计算、增强现实、在线游戏、远程医疗等 智能交通、智能电网、实时远程控制等 紧急通信,技术方案 新的网络架构 新的空

15、口设计 高层信令过程设计 接入过程和方法设计,智能交通,工业控制,紧急通信,短帧,灵活本地网络架构,流程优化,端到端通信D2D,优势： 1.终端近距离通信，高速率低时延低功耗。 2.短距离通信可频谱资源复用。 3.无线P2P功能。 4.拓展网络覆盖范围 时频资源： 1.正交：基站控制，容量受限。 2.复用：高效利用，引入干扰。 协调： 1.网络完全控制：控制干扰，会产生大量信 令开销，无法体现D2D通信的灵活性。 2.网络辅助自主：自主D2D节省资源缩短时 延，网络辅助进行无线资源管理。,频谱拓展技术,认知无线电提高已分配频谱的利用效率,0,3GHz,6GHz,60GHz,2G/3G/4G r

16、e-farming,WRC-15 AI 1.2 candidate bands below 6GHz,Potential bands above 6GHz for 2020s,(6GHz)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,技术原理 新的频谱使用方法，让多个系统共享使用特定频谱，改变了以往固定频谱分配的方式。 主要功能和优势 可有效拓展IMT可用频谱约1倍。 应用场景 机会式使用 授权共享 非授权共享 技术方案 网络架构、基于数据库共享、SON 无线环境检测、动态频率分配、RRM、干扰管理和QoS保证 经济和商业模式、无线电规则

17、等,传统静态频谱分配策略 行政指派或拍卖方式，静态使用。 面临的挑战 挑战1：频谱利用存在不均衡问题 挑战2：存在时-频-空多维频谱空洞 挑战3：频谱利用效率较低,现有频谱分配殆尽,动态频谱分配策略,打破传统静态频谱分配方法的局限，结合时-频-空多维频谱的动态分配，促进频谱资源利用能够智能化，以使其使用更高效灵活，从而提高频谱利用效率。,频谱紧缺与频谱浪费是一对矛盾，如何提升频谱利用效率？,解决方法动态频谱,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,OFDM是未来5G的关键传输波形技术，其性能仍有提升空间,新型传输波形技术滤波器组多载波 （Fil

18、terbank multicarrier：FBMC）,编码调制技术的演进,空间调制（Spatial Modulation SM）,4发射天线QPSK空间调制星座图,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。,频率正交幅度调制（ Frequency Quadrature-amplitude Modulation:FQAM）,课程总结,65,1、5G主要关键技术 双工技术:灵活双工、全双工 超密集组网： 物联网设计： 高频信号传输技术：认知无线

19、电、毫米波、可见光通信 灵活频谱共享技术：多个系统共享特定频谱 新型传输波形技术：FBMC（滤波器组多载波） 先进编码调制技术：空间调制、FQAM调制,1. 5G系统标准发展概述,2. 5G系统核心能力指标,3. 5G系统关键无线技术,4. 5G系统新型网络架构,5. 5G系统重要网络技术,6. 5G系统特色业务应用,课程介绍,67,1、5G网络架构构成 2、5G网络三大模块主要功能 3、5G网络架构关键技术,未来5G网络将向性能更优质、功能更灵活、运营更智能、网络更友好的方向发展。,接入网和核心网的逻辑功能界面清晰，但是部署方式却更加灵活，甚至可以融合部署。,5G网络功能特性,C-RAN 云

20、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,C-RAN 无线接入网绿色演进白皮书 (v2.5)，2011,Cloud,网络设备虚拟化,5G新型网络架构关键技术（8）,REPE,4G vBS,Management,APP,RLC,MAC,PHY,5G vBS,Management,APP,RLC,MAC,PHY,Wi-Fi vBS,Management,APP,RLC,MAC,PHY,5G vBS,Management,APP,RLC,MAC,PHY,REPE,5G 4G Wi-Fi,5G,5G,5G,网络结构虚拟化 云端的

21、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。,75/59,Virtual BS Pool,课程总结,76,1、5G网络架构 接入平面、控制平面、转发平面 2、5G网络主要功能 接入平面：多无线接入技术融合 控制平面：控制集中化、简单化 转发平面：用户面下沉分布式网关 3、5G网络架构关键技术 C-RAN:接入云 资源开放协议（REP）：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。,5G移动通信 系统与技术,1. 5G系统标准发展概述,2. 5G系统核心能力指标,3. 5G系统关键无线技术,4. 5G系统新型网络架构,5. 5G系统重要网络技术,6. 5G系统特

22、色业务应用,课程介绍,78,1、5G网络架构关键技术 无线mesh与动态自组网络 无线资源调度与共享 定制化部署和服务 统一的无线接入技术融合 控制能力重构 网络能力开放 按需组网 网络边缘缓存与计算,动态自组织网络技术是在5G蜂窝网络授权和控制下，在本地可以将基站、终端以及各种新型的末端节点动态的组成网络，弥补传统蜂窝架构在组网灵活性方面的不足。另外还可以通过组建动态自组织网络，实现设备间通信，提升网络频谱效率。 动态自组织网络应用场景包括：针对低时高可靠场景，降低端到端时延，提高传输可靠性；针对低功耗大连接场景，延续网络覆盖和接入能力；适应灾难等应急场景，提高网络的可靠性。,无线资源： 时

23、域 频域 空域 码域 功率域等,调度与共享方式： 分簇化集中控制 无线网络资源虚拟化 频谱共享,实现多小区联合的无线资源动态分配与智能管理 实现以用户为中心的无线资源动态调配与智能管理，形成跨多小区的数据自适应分流和动态负载均衡 可以灵活部署于不同网络物理节点中 对于分布式部署场景，实现多点协作,对于无线资源、无线接入网平台资源和传输资源进行灵活共享与切片，构建适应不同应用场景需求的虚拟无线接入网络 不同的虚拟无线网络之间保持严格的资源隔离,动态使用不同无线接入的频谱资源 接入点可以独立或基于数据控制频谱资源共享与灵活调度 同系统或异系统间频率共享,分簇化集中控制,无线网络资源虚拟化,频谱共享

24、,软件定义的协议栈 基于软件和硬件解耦、数据面和控制面解耦，重新定义可灵活适配的协议栈。 将PHY层、MAC层、RLC层、PDCP层、RRC层、NAS层以及应用层分解，抽象出调制、编码、复用、重传、加密、压缩、以及应用层内容聚合、ULR过滤等模块，根据业务定制整合成不同的协议栈。 需要设计良好的控制面，满足无线协议栈处理的时延要求和空口性能。 5G无线网络融合多种制式，可控模块参数将变得异常庞大，高效的流表查询算法是实现定制化部署和服务的关键,技术来源 多种无线接入技术长期共存是各运营商面临的普遍问题。 如何协同使用各种无线技术，提升网络整体运营效率和用户体验，是多RAT 协同技术所需要解决的

25、问题,技术来源 控制功能重构是指控制面功能拆分成独立处理逻辑的功能模块，再根据不同的应用场景进行组合以形成不同的核心网控制面，从而提高网络的灵活性、智能性、鲁棒性，降低网络成本，使网络能够快速演进满足新业务的需求。,能力开放的需求方。 利用API接口筛选所需的网络 信息，调度管道资源，申请增值业务，构建专用的网络切片。,对资源层网络信息的汇聚和分析 进行网络原来能力的封装和按需组合编排 生成相应的开放API接口,实现网络能力开放架构与5G网络的 交互 完成对底层网络资源抽象定义，整合上层信息感知需求，设定网络内 部的监控设备位置，上报数据类型 和事件门限等策略。 将上层制定的能力调用逻辑映射为

26、对网络资源按需编排的控制信令。,网络能力开放的目的在于实现向第三方应用服务提供商提供所需的网络能力。 其基础在于移动网络中各个网元所能提供的网络能力，包括用户位置信息、 网元负载信息、网络状态信息和运营商组网资源等，而运营商网络需要将上述信息根据具体的需求适配，提供给第三方使用。,多样化的业务场景对5G网络提出了多样化的性能要求和功能要求。 5G核心网应具备向业务场景适配的能力，针对每种5G业务应用提供恰到好处的网络控制功能和性能保证，实现按需组网的目标。 按需组网包含两个方面，一方面根据业务场景的需要进行网络切片，另一方面根据业务量进行网络资源按需分配。,新兴的智能应用，如智能家居、增强现实

27、、移动办公、物联网和移动游戏等。 MECC在靠近移动用户的位置上提供IT服务环境和云计算能力，并将业务存储和存储分发能力推送到靠近用户侧（如基站）使应用、服务和内容部署在高度分布的环境中，从而可以更好的支持5G网络中低时延和高带宽的业务要求。 MECC还可以开放实时的无线网络信息，为移动用户提供个性化、上下文 相关的体验。,课程总结,87,1、5G网络架构关键技术 无线mesh与动态自组网络：mesh（网状/多跳） 无线资源调度与共享 定制化部署和服务：软件定义协议栈 统一的无线接入技术融合：多个RAT间通过集中无线网络控制实现融合 控制能力重构：控制功能重构是指控制面功能拆分成独立处理逻辑的

28、功能模块，再根据不同的应用场景进行组合以形成不同的核心网控制面。 网络能力开放：实现向第三方应用服务提供商提供所需的网络能力。 按需组网：一方面根据业务场景的需要进行网络切片，另一方面根据业务量进行网络资源按需分配。 网络边缘缓存与计算：MECC在靠近移动用户的位置上提供IT服务环境和云计算能力，并将业务存储和存储分发能力推送到靠近用户侧（如基站）使应用、服务和内容部署在高度分布的环境中，从而可以更好的支持5G网络中低时延和高带宽的业务要求。,5G移动通信 系统与技术,1. 5G系统标准发展概述,2. 5G系统核心能力指标,3. 5G系统关键无线技术,4. 5G系统新型网络架构,5. 5G系统

29、重要网络技术,6. 5G系统特色业务应用,课程介绍,89,1、5G主要业务 2、业务与场景选择原则 3、物联网业务与用户需求 4、5G有挑战的八大场景 5、5G典型业务 6、业务与应用面临的挑战 7、国际厂商技术发展,音频播放,视频播放,增强现实,交易类,浏览类,搜索类,位置类,游戏类,语音类,视频通话,邮件类,上传类,下载类,SMS类,MMS类,OTT消息,低速采集,高速采集,时延敏感,时延非敏感,基于3GPP业务分类，将背景类扩展成为传输类和消息类，并增加物联网业务（含采集类和控制类）,虚拟现实,虚拟现实,场景N,场景选择,业务选择,场景2,场景1,业务N,业务2,业务1,超高连接数密度,超高流量密度,课程总结,99,1、5G主要业务：移动互联网和物联网业务 2、业务与场景选择原则：场景分居住、工作、交通、休闲 3、物联网业务与用户需求 4、5G有挑战的八大场景 5、5G典型业务 6、业务与应用面临的挑战 7、国际厂商技术发展,