5G通信关键技术

5G移动通信关键技术小谈杨亚飞信息科学技术学院海南大学2015年10月13日5G关键传输技术介绍打开5G通信技术的面纱提纲结束语5G通信发展的动力移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大驱动力5G通信简介按照业内初步5G，第五代移动通信技术，也是4G之后的延伸，目前正在研究中。目前还没有任何电信公司或标准订定组织（像3GPP、WiMAX论坛及ITU-R）的公开规格或官方文件有提到5G。按照业内初步估计，包括5G在内的未来无线移动网络业务能力的提升将在3个维度上同时进行:1)通过引入新的无线传输技术将资源利用率在4G的基础上提高10倍以上;2)通过引入新的体系结构(如超密集小区结构等)和更加深度的智能化能力将整个系统的吞吐率提高25倍左右;3)进一步挖掘新的频率资源(如高频段、毫米波与可见光等),使未来无线移动通信的频率资源扩展4倍左右.TDMA−GSM−NSSCDMA−TD-SCDMA−WCDMA−CDMA-2000−GPRSCoreNetworkOFDM、MIMO−LTE-A−WiMAX−SAE5G4G3G2G5G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。关键传输技术——总览高频段传输新型多天线传输5G通信关键技术同时同频全双工密集网络覆盖技术D2D技术新型网络架构关键传输技术（1）——高频段传输移动通信传统工作频段主要集中在3GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，而在高频段(如毫米波、厘米波频段)可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现极高速短距离通信，支持5G容量和传输速率等方面的需求。高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，业界对此高度关注。足够量的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点，但也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。射频器件、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。关键传输技术（1）——高频段传输1GHz[MHz]410-430,470-694/698,694/698-7901-2GHz[MHz]1300-1400,1427-1525/1527,1695-1700/17102-3GHz[MHz]2025-2100,2200-2290,2700-31003-5GHz[MHz]3300-3400,3400-4200,4400-50005-6GHz[MHz]5150-5925,5850-6245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以上频谱资源丰富关键传输技术（1）——高频段传输•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,30~300GHz,1~10mm,广义毫米波包含20~30GHz)10~400GHz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链路关键传输技术（1）——高频段传输−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（fasterthanfiber）J.Wells,Fasterthanfiber:Thefutureofmulti-G/swireless,IEEEMicrowaveMagazine,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——开发高频段关键传输技术（2）——新型多天线传输技术−4G：3GPPLTE-A标准−4G：3GPPLTE标准−5G−3G：WCDMAHSPA+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，2×2MIMO，4×4MIMO。下行峰值速率100Mb/s。−支持2×2MIMO，下行峰值速率42Mb/s−最多支持8×8MIMO，下行峰值速率1Gb/s−3G：WCDMAHSPA标准−只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/sMIMO技术的演进关键传输技术（2）——新型多天线传输技术−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1𝑀∗−*𝑀为基站天线数目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大规模天线被公认为5G关键技术之一关键传输技术（2）——新型多天线传输技术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:NTTdocomo）关键传输技术（2）——新型多天线传输技术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关键传输技术（3）——同时同频全双工−概念•同时同频全双工技术：是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作，使得通信双方在上、下行可以在相同时间使用相同的频率，突破了现有的频分双工（FDD）和时分双工（TDD）模式，是通信节点实现双向通信的关键之一。关键传输技术（3）——同时同频全双工全双工技术面临的挑战采用同时同频全双工无线系统，所有同时同频发射节点对于非目标接收节点都是干扰源，同时同频发射机的发射信号会对本地接收机产生强自干扰，因此同时同频全双工系统的应用关键在于干扰的有效消除。关键传输技术（3）——同时同频全双工干扰消除技术在点对点场景同时同频全双工系统的自干扰消除研究中，根据干扰消除方式和位置的不同，有三种自干扰消除技术：天线干扰消除射频干扰消除数字干扰消除关键传输技术（4）——D2D技术传统的蜂窝通信系统的组网方式：以基站为中心实现小区覆盖，而基站及中继站无法移动，其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务不断增多，传统的以基站为中心的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。如图所示：关键传输技术（4）—D2D通信系统的组网方式：D2D技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗;通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用;支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。蜂窝网中的D2D通信示意图如下：关键传输技术（5）——密集网络覆盖技术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、CR、M2M）•RemoteRadioHead（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关键传输技术（5）——密集网络覆盖技术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,andE.Hepsaydir,“Cellulararchitectureandkeytechnologiesfor5Gwirelesscommunicationnetworks,”IEEECommun.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)关键传输技术（6）——新型网络架构多接入技术并存超密小区异构网络融合云计算网络智能弹性资源管理5G网络趋势成本有效性网络协同网络架构思路变革RadioNetworkControllerOS关键传输技术（6）——新型网络架构NetworkManagementOSNetworkDeviceDriver4G数据/控制平面分离控制中心化NetworkManagementOSNetworkDeviceDriverNetworkManagementOSNetworkDeviceDriverCloud5G虚拟化IaaS大数据2G/3G一体式基站传统互联结束语5G是基于第四代移动通信的演进，其未来的发展方向必定以“人的体验”为中心，在终端、无线、业务、网络等领域进行融合以及创新。同时，5G在用户感知、获取、参与和控制信息的能力上带来革命性的影响。5G网未来将会结合蜂窝网和局域网的优点，形成一个更加智能、友好的环境。致谢谢谢观看