1、5G移動通信關鍵技術移動通信關鍵技術2 5G關鍵傳輸技術關鍵傳輸技術 5G新型網絡架構新型網絡架構 5G發展需求與挑戰發展需求與挑戰 相關研究基礎相關研究基礎提綱提綱5G發展需求發展需求 移動互聯網和物聯網是未來移動通信發展的兩大驅動力移動互聯網和物聯網是未來移動通信發展的兩大驅動力45G發展需求發展需求 移動通信將持續快速發展移動通信將持續快速發展p用戶數、連接設備數、數據量均持續呈指數式增長。VNI Global Mobile Data Traffic Forecast 2013-2018, Cisco, 2014 The Mobile Economy, GSMA, 2014 Intern

2、et of Things, Cisco, 2013 IMT-2020 Summit, Samsung, 20141EB=1000PB1PB=1000TB55G發展需求發展需求 新型移動業務層出不窮新型移動業務層出不窮p云操作、虛擬現實、增強現實、智能設備、智能交通、遠程醫療、遠程控制等各種應用對移動通信要求日益增加65G發展需求發展需求 用戶體驗要求不斷提升用戶體驗要求不斷提升千億設備連接 （無處不在）海量數據傳輸 （大數據）所觸即所得的用戶體驗 （高QoE）75G發展需求發展需求 4G4G移動通信技術無法滿足未來的業務和用戶體驗需求移動通信技術無法滿足未來的業務和用戶體驗需求移動發展需求與4

3、G業務服務能力的對比TU-R WP5D/TEMP/390-E 任何時間(Anytime)、任何地點(Anywhere)的一一致用戶體驗致用戶體驗用戶密集度高的區域高速移動場景極低時延需求85G發展需求發展需求 5G5G移動通信技術研究已在全球全面開展移動通信技術研究已在全球全面開展5G IC95G發展需求發展需求 中國中國IMT-2020(5G)IMT-2020(5G)推進組關鍵技術指標要求推進組關鍵技術指標要求105G發展需求發展需求5G關鍵性能指標與已有標準的對比關鍵性能指標與已有標準的對比5G發展需求發展需求 多頻段、多接入模式、小的覆蓋半徑給網絡技術帶來挑戰 新型通信技術和高頻段開發給

4、半導體技術帶來挑戰 海量設備帶來的能耗增加為綠色通信的要求帶來挑戰 信道在高速移動條件下的惡化和高頻段信道的開發為高傳輸速率技術帶來挑戰 有限的頻譜資源一直以來制約著無線通信系統性能提升 小區密集化以及移動設備的增加導致的干擾制約網絡容量增長和傳輸速率增加12TDMAGSMNSSCDMATD-SCDMAWCDMACDMA-2000GPRS Core NetworkOFDM、MIMOLTE-AWiMAXSAE5G4G3G2G？5G發展需求發展需求 為了實現為了實現5G5G發展目標，需要什么關鍵技術？發展目標，需要什么關鍵技術？5G通信性能的提升不是單靠一種技術，需要多種技術相互配合共同實現。13

5、 5G關鍵傳輸技術關鍵傳輸技術 5G新型網絡架構新型網絡架構 5G發展需求與挑戰發展需求與挑戰 相關研究基礎相關研究基礎提綱提綱關鍵傳輸技術關鍵傳輸技術總覽總覽頻譜拓展技術頻效提升技術能效提升技術覆蓋增強技術多址技術、用戶調度、資源分配、用戶/網絡協作超密異構組網D2D、M2M大規模天線、FBMC、空間調制認知無線電、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SINR15關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（1）認知無線電認知無線電2014年7月，國家無線電監測中心和全球移動通信系統協會發布450MHz-5GHz關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計

6、數字。 p 統計結果表明，5GHz以下所關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大量的提升空間。p 為了提高頻譜利用率，未來5G需要采用認知無線電技術 認知無線電認知無線電提高已分配頻譜的利用效率提高已分配頻譜的利用效率16關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（2）頻譜拓展技術頻譜拓展技術03GHz6GHz60GHz2G/3G/4G re-farmingWRC-15 AI 1.2 candidate bands below 6GHz Potential bands above 6GHz for 2020s WRC-15 AI 1.2(6GHz)頻譜分配原則優先保障移動通信的頻

7、譜資源技術上可以實現連續500MHz帶寬可用能與其他系統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17關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（2）頻譜拓展技術頻譜拓展技術 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 如何實現隨機接入 硬件實現復雜度高（例如高速A/D和D/A的設計有很大挑戰）挑戰 高頻段帶寬資源尚待開發 60GHz頻段毫米波 (mmWave, 30300 GHz, 110 mm, 廣義毫米波包含2030 GHz)10400 G

8、Hz頻段大氣衰減衛星軍事 毫米波通信毫米波通信開發高頻段開發高頻段p 毫米波可用于室內短距離通信，也可為5G移動通信系統提供Backhaul鏈路18關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（2）頻譜拓展技術頻譜拓展技術 毫米波通信技術目前已經實現10Gbps的傳輸速率 據預測，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, pp. 104-112, 2009.40GHz以上頻段分配的商用帶寬達幾

9、十GHz。商用帶寬分配，40GHz以下比較窄p 要實現更高的傳輸速率，需要更高的載波頻譜10GHz以下頻段，僅能達到幾十Mbps10-40GHz頻段，僅能達到幾百Mbps60-80GHz頻段，可達1Gbps100GHz以上，可達10Gbps 毫米波通信毫米波通信開發高頻段開發高頻段19 可見光通信可見光通信（Visual light communication: VLCVisual light communication: VLC）關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（2）頻譜拓展技術頻譜拓展技術可見光頻譜帶寬是無線電頻譜帶寬的萬倍380 nm780nm 信號源為信號源為LED，成本低、功耗低，成本低、

10、功耗低 可實現高速率傳輸可實現高速率傳輸(3.5Gbps per LED) 不易穿透障礙物，干擾小不易穿透障礙物，干擾小 可在照明的同時提供通信可在照明的同時提供通信優勢優勢 目前僅能實現單向通信，如何實現雙向通信 可見光通信和射頻通信的無縫切換等挑戰p 可見光通信在5G中可用于室內短距離通信、車聯網通信、水下通信等20關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（2）頻譜拓展技術頻譜拓展技術已有研究表明，光attocell的譜效比射頻Femtocell的譜效最高提升近3個數量級H. Haas, High-speed wireless networking using visible light, SPIE N

11、ewsroom, 2013.可見光通信可顯著改善室內通信傳輸速率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。 可見光通信可見光通信（Visual Light Communication: VLCVisual Light Communication: VLC）21關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（3）大規模天線技術大規模天線技術4G：3GPP LTE-A標準4G：3GPP LTE標準5

12、G3G：WCDMA HSPA+標準大規模天線：基站使用大規模天線陣列（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/s3G：WCDMA HSPA標準只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/s MIMOMIMO技術的演進技術的演進關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（3）大規模天線技術大規模天線技術何為大規模天線：大量天線為相對少的用戶提供同傳服務系統容量10倍100倍能量效率發射能量 * 為基站天線數目 大規模天線大規模天線有效提高譜效率 系統容量和能量效率大幅度提升 上行和

13、下行發射能量都將減少 用戶間信道正交，干擾和噪聲將被消除 信道的統計特性趨于穩定優勢 信道狀態信息獲取（導頻污染問題） 信道測量與建模（不同場景信道） 發射機和接收機設計（降低復雜度） 天線單元及陣列設計（低能耗天線）挑戰p 大規模天線被公認為5G關鍵技術之一關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（3）大規模天線技術大規模天線技術 大規模天線應用場景：中心式天線系統大規模天線應用場景：中心式天線系統 適用于宏蜂窩小區，中心基站使用大規模天線 微小區為大部分用戶提供服務，而大規模天線基站為微小區范圍外的用戶提供服務，同時對微小區進行控制和調度（demo: NTT docomo）24關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術

14、（3）大規模天線技術大規模天線技術 大規模天線應用場景：分布式天線系統大規模天線應用場景：分布式天線系統 多根天線分布在區域內聯合處理(C-RAN) 適用于高用戶密度或者室內場景25關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（4）新型傳輸波形技術新型傳輸波形技術 OFDMOFDM傳輸波形技術傳輸波形技術 OFDM是當前Wi-Fi和LTE標準中的高速無線通信的主要傳信模式 頻譜利用效率高（與傳統FDM相比，提高一倍） 抗頻率選擇性衰落 利用FFT/IFFT模塊，容易實現優勢優勢 載波頻偏導致碼間串擾和用戶間干擾 循環前綴（CP）降低了頻效和能效 毫米波頻段的實現（如超寬帶寬、高頻功放等）挑戰挑戰p OFDM是未

15、來5G的關鍵傳輸波形技術，其性能仍有提升空間Channel OFDMmod.(IFFT)CPinsertion NoiseOFDMdemod.(FFT)CPremoval TransmitterReceiver 26關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（4）新型傳輸波形技術新型傳輸波形技術 新型新型傳輸波形技術傳輸波形技術濾波器組多載波濾波器組多載波 （Filterbank Filterbank multicarriermulticarrier：FBMCFBMC）Channel OFDMmod.(IFFT)Tx Filter Bank NoiseOFDMdemod.(FFT)Rx Filter Bank

16、 TransmitterReceiver u 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OFDM功率譜FBMC功率譜 除了FBMC外，還有多種波形改進技術，如time-Frequency Packing, sparse code multiple access, generalized frequency division multiplexing等 各種改進的傳輸波形技術為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-orthog

17、onal, 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, Universal-filtered multi-carrier technique for wireless systems beyond LTE, in proc. IEEE Globecom Workshops, 2013 ,

18、pp. 223-228.27關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（5）非正交多址接入技術非正交多址接入技術1G2G3G4G 可規避用戶間干擾 系統實現容易優勢 根據信息論，正交多址系統可達容量可達容量次優次優挑戰 正交多址接入技術正交多址接入技術 已有通信標準都采用正交接入技術28關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（5）非正交多址接入技術非正交多址接入技術1G2G3G4G 正交多址接入技術正交多址接入技術 已有通信標準都采用正交接入技術 SNR1=20dB（強用戶）, SNR2=0dB（弱用戶） 正交接入方案一般來說是次優的，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

19、公平。 最優容量區域正交方案可達速率區域p 利用正交多址無法保證容量最優和用戶公平29復雜度（Complexity）容量（Capacity）關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（5）非正交多址接入技術非正交多址接入技術 非正交多址接入非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access: NOMA)(Non-orthogonal Multiple Access: NOMA) 兩個用戶同時占用所有可用帶寬 弱用戶先解碼強干擾，消除干擾的影響，再解碼自己的消息。 可實現最優容量，并改改善弱用戶善弱用戶可達速率NOMA30關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（6）先進編碼與調制技術先進編碼與調制

20、技術1G2G3G4G5G模擬調制數字調制 編碼調制技術的演進編碼調制技術的演進QPSK,16QAMQPSK,16QAM,64QAM？BCH碼卷積碼Turbo碼？調制方式的演進編碼方式的演進增強的自適應 編碼調制設計31Channels2s1s1s10/101Antenna EstimationSymbol DetectionData BitsData Bits空間調制系統4發射天線QPSK空間調制星座圖關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（6）先進編碼與調制技術先進編碼與調制技術 空間調制空間調制（Spatial Modulation: SMSpatial Modulation: SM）p 以天線的物理

21、位置來攜帶部分發送信息比特，將傳統二維映射擴至三維映射，提高頻譜效率。p 每時隙只有一根發射天線處于工作狀態，避免了信道間干擾與天線同步發射問題，且系統僅需一條射頻鏈路，有效地降低了成本。32根據信息論，非高斯干擾可實現更高傳輸速率關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（6）先進編碼與調制技術先進編碼與調制技術 頻率正交幅度調制頻率正交幅度調制（FrequencyFrequency Quadrature-amplitude Quadrature-amplitude Modulation: FQAMModulation: FQAM）p 將頻移鍵控（FSK）與正交幅度調制（QAM）相結合，提高頻譜效率。p 用

22、于多小區下行鏈路中，能夠提高小區邊緣用戶的通信質量。331 國家電網公司國家電網公司“兩會兩會”工作報告摘要，工作報告摘要，2010年年2 全力構建綠色網絡，中國移動通信研究院，全力構建綠色網絡，中國移動通信研究院，2010年年11月月3 Study on Energy Efficient Radio Access Network (EERAN) Technologies, TU Dresden and Vodafone, 20094 New Generation Node B, 華為華為, 20102009年，三大運營商的能耗總量折合為年，三大運營商的能耗總量折合為440.7萬噸萬噸標準煤，

23、其中標準煤，其中80%以上是電力消耗，達以上是電力消耗，達到到290億度億度，相當于，相當于2個大亞灣核電站的年發電量。個大亞灣核電站的年發電量。關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（7）能效提升技術能效提升技術34How to approach GREEN while carrying 1000X traffic?關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（7）能效提升技術能效提升技術35關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（7）能效提升技術能效提升技術資源域資源域用戶域用戶域業務域業務域碼域碼域（CDMA）能量域能量域（POWER）時域時域（TDMA）頻域頻域（OFDM）空域空域（MIMO）語音語音（VOIP）非實時數據非實

24、時數據 （FTP）實時數據實時數據（WEB）多媒體多媒體（MMS）組播組播/ /廣播廣播（VOIP）應用層應用層網絡層網絡層物理層物理層多域協同無線資源管理多域協同無線資源管理36關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（7）能效提升技術能效提升技術網絡資源與動態用戶行為和業務需求自適應匹配網絡資源與動態用戶行為和業務需求自適應匹配Tango: Traffic-aware network planning & green operation - 自適應于業務分布自適應于業務分布 （時間和空間的非均勻分布）（時間和空間的非均勻分布） - 自適應于業務特征自適應于業務特征 （單播，多播，廣播）（單播，多

25、播，廣播） - 自適應于服務質量需求自適應于服務質量需求 (QoS)（實時，非實時）（實時，非實時）滿足用戶滿足用戶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. 37關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（7）能效提升技術能效提升技術p 跨層優化跨層優化資源調度資源調度 高效利用有限資源 跨層資源聯合調度鏈路層鏈路層應用層應用層傳輸層傳輸層物理層物理層網絡層網絡層智能智能MACMAC實

26、時實時/ /非實時非實時擁塞控制擁塞控制感知路由感知路由CSIQSIp 跨網優化跨網優化協作通信協作通信 減少競爭、增加合作 跨網資源聯合優化配置CHORUS: Collaborative & Harmonized Open Radio Ubiquitous System提升用戶體驗，提升用戶體驗， 降低能量消耗降低能量消耗CHORUSS. Zhou, Z. Niu, P. Yang, and S. Tanabe, CHORUS: a framework for scalable collaboration in heterogeneous networks with cognitiv

27、e synergy, IEEE Wireless Communications, vol. 20, pp. 133-139, 2013.38關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（8）網絡覆蓋增強技術網絡覆蓋增強技術 密集組網密集組網（UDNUDN）、）、異構結構異構結構（HetNetsHetNets）、）、中心式云后臺中心式云后臺（CloudCloud）是）是5G5G網絡整體架構的共識。網絡整體架構的共識。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重疊（Macro、Micro、Pico、Femto）不同制式的網絡重疊（Cellular、Wi-Fi、D2D、

28、CR、M2M）Remote Radio Head（RRH）與基帶處理單元分離SDN網絡實現協議接口基帶信號資源的集中化管理與調度39關鍵傳輸技術（關鍵傳輸技術（8）網絡覆蓋增強技術網絡覆蓋增強技術 應用場景：應用場景：DHS (Dense+Heterogeneous+DHS (Dense+Heterogeneous+SeperatedSeperated) ) C.-X. Wang, F. Haider, X. Gao, X.-H. You, Y. Yang, D. Yuan, H. Aggoune, H. Haas, S. Fletcher, and E. Hepsaydir, “Cellul

29、ar architecture and key technologies for 5G wireless communication networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. 2, Feb. 2014室內室外分離室內利用短距離傳輸技術，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，顯著降低小區間干擾室內設備不會對室外設備造成干擾截至2014年12月11日，被引用32次(谷歌學術)40 5G關鍵傳輸技術關鍵傳輸技術 5G新型網絡架構新型網絡架構 5G發展需求與挑戰發展需求與挑戰 相關研究基礎相關研究基礎提綱提綱新型網絡架構新型網絡架構多接

30、入技術多接入技術并存并存超密小區超密小區異構網絡異構網絡融合融合云計算云計算網絡智能網絡智能彈性資源彈性資源管理管理5G網絡網絡趨勢趨勢成本有效性網絡協同網絡架構思路變革42新型網絡架構新型網絡架構Network ManagementOSNetworkDeviceDriver一體式（一體式（All-in-one）基站結構（）基站結構（2G-3G）特點：u功能強大，結構復雜u數據與控制高度耦合問題：u基站建設與維護成本高u基站之間協作受限u難以滿足多樣的需求43Radio Network ControllerOS新型網絡架構新型網絡架構Network ManagementOSNetworkDev

31、iceDriver4G數據/控制平面分離控制中心化Network ManagementOSNetworkDeviceDriverNetwork ManagementOSNetworkDeviceDriverCloud5G虛擬化IaaS大數據2G/3G一體式基站傳統互聯44新型網絡架構新型網絡架構C-RAN云架構RRU替代物理基站光纖互聯中心式處理高性能多點協作接入實時信息處理低成本低建設成本低維護成本RRURRUFiberRRUCloudC-RAN 無線接入網綠色演進白皮書 (v2.5)，201145新型網絡架構新型網絡架構2010年由中國移動首次提出年由中國移動首次提出已在中國珠海、吉林、長

32、沙、青島等已在中國珠海、吉林、長沙、青島等地試點地試點安捷倫安捷倫IntelIBM中興中興華為華為NGMNIEEE GlobeComIEEE ICCIEEE WCNCCHINACOM46新型網絡架構新型網絡架構REPE5GDevice4GDeviceWi-FiDevice資源開放協議（資源開放協議（REP）開放式設備接口協議資源描述協議資源租賃協議設備動態租用利用設備空閑資源避免重復建設前向兼容，平滑過渡現有應用保持不變現有設備保持不變全網優化基礎全頻段調度負載均衡網絡設備虛擬化網絡設備虛擬化47新型網絡架構新型網絡架構4G vBSManagementAPPRLCMACPHY5G vBSMan

33、agementAPPRLCMACPHYWi-Fi vBSManagementAPPRLCMACPHY5G vBSManagementAPPRLCMACPHYVirtual BS PoolREPEREPE5G4GWi-Fi5G5G5G網絡結構虛擬化網絡結構虛擬化云端的虛擬基站集群構成虛擬網絡，利用SDN技術動態優化網絡結構。48新型網絡架構新型網絡架構 IaaS資源開放資源開放大數據大數據云計算云計算IaaS對用戶而言，網絡是透明的。用戶只需要提出需求及相應的QoS，網絡就會以最低的成本提供相應的服務。虛擬化虛擬化49新型網絡架構新型網絡架構 IaaS工作過程工作過程Network Intell

34、igence (Big Data)VM4GDeviceREPE5GDeviceREPEBrokerVMWi-FiDeviceREPEVMmmWaveDeviceREPEVM5GDeviceREPEvSwitchUE1 用戶向網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。它將用戶請求轉化為一個優化問題，交給上層求解。6 網絡智能模塊會利用大數據處理和云計算實現資源彈性分配，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

35、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）自己的數據同時來源于一個Wi-Fi熱點和一個5G基站。50新型網絡架構新型網絡架構2GGSM, GPRS, EDGE3GCDMA, HSPA4GLTE-A, WiMAXMulti RATsWi-Fi, mmWave, VLCMacro CellMicro CellPico CellFemtocellWLAN多元多元 融合融合開放開放 智能智能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, 2013.51大數據與大數據與5GIoTMI驅動驅動0110101010數據產生、積累數據產生、積累1010101010用用戶戶數數據據行行為為分分析析決策支持 娛樂辦公 鐵路運輸 機動車輛 智能醫療 智能家居 智能交通 通信 新聞 視頻 社交 購物 美食52什么是大數據？什么是大數據？ 大數據是具有體量大、結構多樣、時效強等特