5G移动通信系统与技术

5G移动通信系统与技术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系统特色业务应用需求推动移动通信技术持续演进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100亿1980s1990s2000s2010短信社交应用在线、互动、游戏语音虚拟现实、“零”时延感知2020有好强爽悦移动通信技术演进完成时：4GGPRS/EDGE•峰值速率(UL:DL)0.47/0.47Mbps3GPP阵营(GSM)WCDMA•峰值速率5.76/14.4MbpsHSPATD-SCDMA•峰值速率0.55/1.68MbpsTD-HSPAEV-DORel.0•峰值速率：1.8/3.1MbpsD0Rel.ACDMA20001x3GPP2阵营(CDMA)LTEFDD峰值速率(20MHz)50M/150MbpsLTETDD峰值速率(20MHz)10M/110MbpsLTE-A峰值速率500M~1GbpsMobileWiMAX802.16e峰值速率75MbpsMobileWiMAX802.16m峰值速率500M~1GbpsWiMAX阵营TDMACDMAOFDMA2G3G3.9G4G移动通信技术演进进行时：4.5G4.5G适合于室内和热点的多场景覆盖街道体育场所写字楼商业区CoMP校园居民住宅eICICSON3DMIMOSW1）室分系统工程施工2）直流供电3）GPS4）Ir光纤部署……SW1）普通传输接入2）PoE供电室分系统LTE-HIVs.7x4x1x0.5x总成本新建双路新建双路LTE-HI利旧单路3x峰值速率40x峰值速率室分系统LTE-HILTE-HILTE-HI3.5GHzCo-RRM宏基站传输网4.5G低成本，安装简单，一条网线解决4.5G通过新增Co-RRM网元，协调和平衡无线资源，实现大规模密集组网增大容量4.5G大带宽，可实现高容量进行补热1234.5G主要无线技术特征中心用户边缘用户OFDMA边缘用户SOMA中心用户分配1/5功率分配4/5功率频率频率功率功率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。256QAM64QAM………8载波以上载波聚合4T4RMIMO8T8R以上MIMOMassiveMIMO物联网技术：LTE-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TTIBundling提升5.5倍），单小区支持1~10万连接数（LTE-M的RB数提高36倍。3DBF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MassiveCA3DBF水平方向波束水平方向波束垂直方向波束多天线技术：MassiveMIMO（3DBF、8T8R以上MIMO）、MassiveCA（8载波以上）接入技术：SOMA（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。移动通信技术演进将来时：5G5G主要无线技术特征移动通信技术演进：愿景4G4.5G5G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、MassiveMIMO等关键技术提供xGbps高容量；基于CloudEPC及ShorterTTI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、MassiveMIMO多天线(128*128)、高阶频段（30G-100GHz）提供高达10Gbps容量；采用0.1msTTI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。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。移动通信技术演进：路标4.5G商用5G商用4G4.5G5G容量xMbpsxGbps10Gbps连接8亿连接300亿连接1000亿连接时延60ms10ms1ms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。201020122014201620182020Rel-10Rel-11Rel-12Rel-13Rel-14Rel-15Rel-163GPP标准版本LTE-Advanced(4G)4.5G5GCA、CoMP、MIMOHetNet......SOMA、256QAM、MassiveCA、MassiveMIMO、LTE-M、U-LTE......SCMA、F-OFDM、MassiveMIMO、全双工......提前布局5G产业MPR-FullDuplex50GbpsBasestionVirtualizedRadio100GbpsWireless全双工50Gbps基站f-OFDM100Gbps传输系统MPR-FullDuplex50GbpsBasestionVirtualizedRadio100GbpsWirelessMPR-FullDuplex50GbpsBasestionVirtualizedRadio100GbpsWirelessSCMAmmWave（毫米波传输系统）MassiveMIMO5G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ITU定义的5G八大关键能力ITU定义的三大应用场景指标名称流量密度连接数密度时延移动性能效用户体验速率频谱效率峰值速率4G参考值0.1Tbps/Km210万/km2空口10ms350Km/h1倍10Mbps(urban/suburban)1倍1Gbps5G取值10Tbps/Km2100万/Km2空口1ms500Km/h100倍提升（网络侧）0.1-1Gbps3倍提升（某些场景5倍）20Gbps中国5G之花5G技术发展的愿景:“信息随心至，万物触手及”5G的技术挑战165G的运营挑战175G的效率挑战名称定义频谱效率（bps/Hz/cellbps/Hz/Km2）每小区或单位面积内，单位频谱资源提供的吞吐量能源效率（bit/J）每焦耳能量所能传输的比特数成本效率（bit/Y）每单位成本所能传输的比特数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5～15倍能源效率有百倍以上提升成本效率有百倍以上提升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5G发展技术需求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挑战频谱资源信道功率干扰器件无缝接入5G：颠覆性技术在哪里？需要技术和策略突破5G：解决三个主要问题？容量不足能耗高提升用户体验•频谱利用•无线接入•无线传输•无线组网•业务与终端产生颠覆性技术的五个方向5G空口关键技术演进类型细类4G4.5G5G容量接入技术OFDMASOMA（半正交频分多址）GMFDM（通用多载波频分多址）双工方式半双工半双工全双工（同时同频收发）调制64QAM256QAM256QAM带宽20M20M100M及其以上（高频段）CA4CCU-LTEMassiveCA:8CC及其以上，包括T+FCAMassiveCAMIMO2*2MIMO、4*4MIMOMassiveMIMO:8T8R及其以上MassiveMIMO：64T64R及其以上时延降低时延1msTTIShorterTTI（0.5ms）0.1msTTI连接数更多连接数固定15kHz子载波NarrowBand-M2M（LTE-M）D2D（LTE-D）可变带宽子载波架构网络架构扁平化IP化网络架构CloudEPCNFV、SDN5G无线关键技术（1）----大规模天线技术（1/3）技术原理–当基站侧天线数远大于用户天线数时，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massiveMIMO网络构架与组网方案–MassiveMIMO物理层关键技术–大规模有源阵列天线技术–大规模天线与高频段的结合5G无线关键技术（1）----大规模天线技术（2/3）4G：3GPPLTE-A标准4G：3GPPLTE标准5G3G：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/s3G：WCDMAHSPA标准只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/sMIMO技术的演进密集站点MIMOC-RAN分布MIMO5G无线关键技术（1）----大规模天线技术（3/3）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∗大规模天线被公认为5G关键技术之一5G无线关键技术（2）----非正交多址接入技术（1/3）技术原理PDMA图样分割多址接入（PatternDivisionMultipleAcess）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Dec