1、5G移动通信关键技术,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,5G新型网络架构,5G发展需求与挑战,相关研究基础,提纲,2/59,5G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,3/59,5G发展需求,移动通信将持续快速发展,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, 2014The Mobile Economy, GSMA, 2014Internet of Things, Cisco, 2013 IMT-2020 Su
2、mmit, Samsung, 2014,1EB=1000PB 1PB=1000TB,4/59,5G发展需求,新型移动业务层出不穷,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,5/59,5G发展需求,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）,6/59,5G发展需求,4G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 用户密集
3、度高的区域 高速移动场景 极低时延需求 ,7/59,5G发展需求,5G移动通信技术研究已在全球全面开展,8/59,5G发展需求,中国IMT-2020(5G)推进组关键技术指标要求,5G vs 4G 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 数据率 千倍单位面积容量增长 百倍用户体验速率增长 几十倍峰值传输速率增长 时延 十倍端到端延时降低 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,9/59,5G发展需求,5G关键性能指标与已有标准的对比,10/59,5G发展需求,多频段、多接入模式、小的覆盖半径给网络技术带来挑战,新型通信技术和高频段开发给半导体技
4、术带来挑战,海量设备带来的能耗增加为绿色通信的要求带来挑战,信道在高速移动条件下的恶化和高频段信道的开发为高传输速率技术带来挑战,有限的频谱资源一直以来制约着无线通信系统性能提升,小区密集化以及移动设备的增加导致的干扰制约网络容量增长和传输速率增加,11/59,TDMA GSM NSS,CDMA TD-SCDMA WCDMA CDMA-2000 GPRS Core Network,OFDM、MIMO LTE-A WiMAX SAE,5G,4G,3G,2G,？,5G发展需求,为了实现5G发展目标，需要什么关键技术？,5G通信性能的提升不是单靠一种技术，需要多种技术相互配合共同实现。,12/59,
5、5G关键传输技术,5G新型网络架构,5G发展需求与挑战,相关研究基础,提纲,13/59,关键传输技术总览,频谱拓展技术,频效提升技术,能效提升技术,覆盖增强技术,多址技术、用户调度、资源分配、用户/网络协作,超密异构组网 D2D、M2M,大规模天线、FBMC、空间调制,认知无线电、 毫米波、可见光,绿色通信 干扰管理,增加覆盖,增加信道,增加带宽,增加SINR,14/59,关键传输技术（1）认知无线电,2014年7月，国家无线电监测中心和全球移动通信系统协会发布450MHz-5GHz关注频段频谱资源评估报告，给出了北京、成都和深圳等城市部分无线电频谱占用统计数字。,统计结果表明，5GHz以下所
6、关注频段大部分的使用率远远小于10%，说明5GHz以下频段使用效率有大量的提升空间。 为了提高频谱利用率，未来5G需要采用认知无线电技术,认知无线电提高已分配频谱的利用效率,15/59,关键传输技术（2）频谱拓展技术,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)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,16/5
7、9,关键传输技术（2）频谱拓展技术,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,毫米波通信开发高频段,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（2）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，未来毫米波通信速率可快于光纤速率（faster than fiber）,J. Wells, “Faster than fiber: The future of multi-G/s w
8、ireless,“ 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,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Mbps 10-40GHz频段，仅能达到几百Mbps 60-80GHz频段，可达1Gbps 100GHz以上，可达10Gbps,毫米波通信开发高频段,18/59,可见光通信（Visual light communication: VLC）,关键传输技术（2）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
9、 nm,780nm,可见光通信在5G中可用于室内短距离通信、车联网通信、水下通信等,19/59,关键传输技术（2）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20d
10、B. 红色小点表示Attocell的可见光基站，绿色菱形表示Femtocell的射频基站。,可见光通信（Visual Light Communication: VLC）,20/59,关键传输技术（3）大规模天线技术,4G：3GPP LTE-A标准,4G：3GPP LTE标准,5G,3G：WCDMA HSPA+标准,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,3G：WCDMA HSPA标准,只能使用SISO，下行峰值速率7
11、.2Mb/s,MIMO技术的演进,21/59,关键传输技术（3）大规模天线技术,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,1 ,* 为基站天线数目,大规模天线有效提高谱效率,大规模天线被公认为5G关键技术之一,22/59,关键传输技术（3）大规模天线技术,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（3）大规模天线技术,大规模天线应用场景：分布
12、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（4）新型传输波形技术,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,Channel (),Noise,Transmitter,Receiver, , ,25/59,关键传输技术（4）新型传输波形技术,新型传输波形技术滤波器组多载波 （Filterbank multicarrier：FBMC）,Channel (),Noise,Transmitter,Receiver, , ,用滤波器
13、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 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 wave
14、forms 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, “Universal-filtered multi-carrier technique for wireless systems beyond LTE,“ in proc. IEEE Globecom Workshops, 2013 , pp. 223-228.,26/59,
15、关键传输技术（5）非正交多址接入技术,1G,2G,3G,4G,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（5）非正交多址接入技术,1G,2G,3G,4G,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,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（5）非正交多址接入技
16、术,非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access: NOMA),29/59,关键传输技术（6）先进编码与调制技术,编码调制技术的演进,30/59,4发射天线QPSK空间调制星座图,关键传输技术（6）先进编码与调制技术,空间调制（Spatial Modulation: SM）,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。,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（6）先进编码与调制技术,
17、频率正交幅度调制（Frequency Quadrature-amplitude Modulation: FQAM）,将频移键控（FSK）与正交幅度调制（QAM）相结合，提高频谱效率。 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。,32/59,1 国家电网公司“两会”工作报告摘要，2010年 2 全力构建绿色网络，中国移动通信研究院，2010年11月 3 Study on Energy Efficient Radio Access Network (EERAN) Technologies, TU Dresden and Vodafone, 2009 4 New Generation N
18、ode B, 华为, 2010,2009年，三大运营商的能耗总量折合为440.7万吨标准煤，其中80%以上是电力消耗，达到290亿度，相当于2个大亚湾核电站的年发电量。,关键传输技术（7）能效提升技术,33/59,How to approach GREEN while carrying 1000X traffic?,关键传输技术（7）能效提升技术,34/59,关键传输技术（7）能效提升技术,资源域,用户域,业务域,码域 （CDMA）,能量域 （POWER）,时域 （TDMA）,频域 （OFDM）,空域 （MIMO）,语音 （VOIP）,非实时数据（FTP）,实时数据 （WEB）,多媒体 （MM
19、S）,组播/广播 （VOIP）,应用层,网络层,物理层,多域协同无线资源管理,35/59,关键传输技术（7）能效提升技术,网络资源与动态用户行为和业务需求自适应匹配,Tango: Traffic-aware network planning & green operation- 自适应于业务分布 （时间和空间的非均匀分布）- 自适应于业务特征 （单播，多播，广播）- 自适应于服务质量需求 (QoS)（实时，非实时）,满足用户QoS,提高能效,Z. Niu, “TANGO: Traffic-Aware Network Planning and Green Operation”, IEEE Wir
20、eless Commun., vol. 18, pp. 25-29, Oct.2011.,36/59,关键传输技术（7）能效提升技术,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 System,提升用户体验， 降低能量消耗,CHORUS,S. Zhou, Z. Niu, P. Yang, and S. Tanabe, “CHORUS: a framework for scalable collaboration in
21、 heterogeneous networks with cognitive synergy,“ IEEE Wireless Communications, vol. 20, pp. 133-139, 2013.,37/59,关键传输技术（8）网络覆盖增强技术,密集组网（UDN）、异构结构（HetNets）、中心式云后台（Cloud）是5G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，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、C
22、R、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（8）网络覆盖增强技术,应用场景：DHS (Dense+Heterogeneous+Seperated),C.-X. Wang, F. Haider, 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 wirel
23、ess 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,5G新型网络架构,5G发展需求与挑战,相关研究基础,提纲,40/59,新型网络架构,网络架构 思路变革,41/59,新型网络架构,一体式（All-in-one）基站结构（2G-3G）,42/59,Radio Netw
24、ork Controller,OS,新型网络架构,Network Management,OS,4G 数据/控制平面分离 控制中心化,Network Management,OS,Network Management,OS,Cloud,5G 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,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,C-RAN 无线接入网绿色演进白皮书 (v2.5)，2011,44/59,新型网络架构,2010年由中国移动首次提出 已在中国珠海、吉林、长沙、青
25、岛等地试点,安捷伦 Intel,IBM,中兴 华为,NGMN,IEEE GlobeCom IEEE ICC IEEE WCNC CHINACOM,45/59,新型网络架构,Cloud,网络设备虚拟化,46/59,新型网络架构,Virtual BS Pool,REPE,REPE,5G 4G Wi-Fi,5G,5G,5G,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 IaaS,资源开放,大数据,云计算,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 提供相应的服务。,虚拟化,48/59,新型
26、网络架构 IaaS工作过程,1 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-F
27、i热点和一个5G基站。,49/59,新型网络架构,CloudBig Data,多元 融合 开放 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.,50/59,大数据与5G,IoT,MI,驱动,驱动,51/59,什么是大数据？,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：,52/59,5G中的大数据,5G中数据的特性,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5G发展？,54/59,谢谢 Q&A,55/59,
