5G时代的无线需求及技术发展探讨

5G时代的无线需求及技术发展探讨张平2移动通信系统发展中的颠覆性技术移动通信系统每一次更新换代都有颠覆性技术引领1G2G3G4G5G大区制到蜂窝，FDMA接入模拟到数字，TDMA接入单一话音到多媒体，CDMA接入OFDM-MIMO，空域资源利用？：频谱，接入，组网容量话音业务和容量多媒体业务和容量高速高质多媒体业务和容量容量，能耗，业务移动通信系统每一次更新换代都解决了当时的最主要需求31G：模拟蜂窝+FDMAPowerFrequencyTimeFDMA至交换中心MS1MS230－80公里高功率天线MTSO高功率（200－250w）的发射天线几百甚至上千平方公里的范围的覆盖每个大区的可用信道数很少蜂窝系统是一种革命性的变革提高了频谱利用率和系统的服务质量FDMA：每个用户占用一个频率特点：以频率复用为基础，以频带划分小区频率受限，需要严格的频率规划以频道区分用户地址大区制蜂窝最主要需求：系统容量42G：数字技术+TDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMA数字化技术，如数字语音编码技术，是2G移动通信的主要突破意义：提高通话质量（数字化＋信道编码纠错）提高频谱利用率（低码率编码）提高系统容量（低码率，语音激活技术）TDMA:每个用户占用一个时隙，提高系统容量特点：以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置最主要需求：高质量话音，系统容量53G：Turbo码+CDMATurbo码90年代以前，主流的前向纠错技术是线性分组码和卷积码，其性能与Shannon在1948年提出的理论可达限之间存在较大距离。1993年，C.Berrou等人提出了Turbo码，彻底颠覆了所有人们认为成功的纠错码所要具备的因素。在复杂度可控的译码器的协助下,达到了近Shannon限的性能。Turbo码在3G的应用，使得3G能够支持多媒体业务，打破了2G只支持话音和短消息业务的局限。FrequencyCDMAPowerTimeCDMA：每个用户使用一个码型，频率/时间共享特点每个码传输一路数字信号每个用户共享时间和频率软容量、软切换，系统容量大最主要需求：多媒体业务，系统容量64G：OFDM-MIMO+空分多址SDMA最主要需求：高质量多媒体业务，更大系统容量6MIMO：多根发射天线与多根接收天线打破利用时、频、码三维资源传输数据的局限，有效开发了新的空域资源。基于MIMO的SDMA进一步提高频谱效率。OFDM：多个低速数据流同时调制在相互正交的子载波上传送，适用于无线宽带信道下的高速传输。与CDMA相比，OFDM传送数据的速度更快，并且能够更好地对抗无线传输环境中的多径效应。7容量需求和频谱短缺矛盾突出容量需求：根据预测，随着智能终端普及和数据业务增长，移动通信业务量未来每年会以近一倍的速度增长，未来10年数据业务将增长1000倍。频谱短缺：FCC预测，2014年移动数据业务的增长将导致巨大的频谱赤字，达300MHz。Source:FCC2010频谱短缺和容量需求的矛盾需要技术和策略的突破85G：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9问题1：容量不足移动通信的发展史表明，容量不足一直是无线通信系统发展中的主要问题5G面临更大容量需求和频谱赤字：根据预测，至2020年无线网络容量增长达1000倍如何满足1000倍的容量增长需求？（1）更多频谱→~3×（或10×,4×）（2）更高频谱效率→~6×(或10×,12×)–无线接入–无线传输（3）更多基站（更小小区）→~50×(或10×,10×)解决思路更多频谱→~10×新频段技术更高频谱效率→~10×无线传输和接入更多基站（更小小区）→~10×无线网络架构革新新技术新频谱新体制蜂窝WLAN广播卫星新频段优良频率资源匮缺网络独立，建设成本巨大通信效率提升遭遇“收益递减法则”再过10年怎么办！？需要技术和体制的革新解决思路更多频谱→~10×新频段技术异构协同→~10×无线网络架构革新蜂窝WLAN广播卫星新频段互联网异构协同：建立高效、开放、可扩展、可信、智能的无线网络体制需要技术和体制的革新高效协作用户新技术新频谱新体制更高频谱效率→~10×无线传输和接入总体规划新技术新频谱新体制新频段通信技术新型无线通信网络架构高效无线通信技术更多频谱→~300MHz×新频段技术异构协同→~60×无线网络架构革新更高频谱效率→~6×无线传输和接入13提高容量（1）——更多频谱新频谱开发：主要是较高频段，适合更小小区6~15GHz空间隔离性好60GHz毫米波有较高的频宽，但穿透性较差白频谱可见光通信频谱共享——智能频谱利用重点建议：智能频谱利用基础：新频谱电波特性的测量与建模14传统静态频谱分配策略与挑战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北邮频谱测量结果显示北京频谱利用存在空洞英国广播电视频段频谱利用存在不均衡问题美国芝加哥地区30MHz-3GHz频谱利用率较低，仅为5.2%15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。频谱紧缺频谱浪费频谱紧缺与频谱浪费是一对矛盾，如何提升频谱利用效率？频谱利用不均衡，存在频谱空洞，频谱利用效率低解决方法动态频谱16频谱分配从静态转变为动态方式将面临多方面挑战动态频谱分配策略面临的挑战政策监管部门电信运营商设备制造商频谱分配政策由固定分配与行政指派向动态频谱分配政策转变，将面临政策和法规制定的挑战频谱管理将更加智能与灵活，设备认证管理及非法设备核查能力提升的挑战如何智能、高效协调授权的静态频谱和动态分配的频谱使用如何对具备动态频谱功能的终端设备进行网络接入过程的有效管理和控制如何升级现有核心网、接入网设备以支持认知等新功能如何对终端和基站的射频模块进行工作频段的扩展、如何设计高性能的滤波器17提高容量（2）——更高频谱效率：多址接入多址技术是移动通信系统升级换代的核心之一1G：频分多址（FDMA）2G：时分多址（TDMA）3G：码分多址（CDMA）4G：空分多址（OFDMA+SDMA）4G以OFDM-MIMO为核心的OFDMA和SDMA具有很强的生命力新型无线接入的尝试：非正交？？趋势：单一资源到多维资源联合使用,提高资源利用率功率FDMA功率TDMACDMA功率1G2G3G4G大规模MIMO•信道建模与分析•信道信息获取（相应导频设计）•协调多用户联合资源调配•能耗问题•天线配置、基站选址•导频污染•高效传输方法（如预编码方案）3DMIMO•电磁波的传输平面增加俯仰角，进一步扩展空间自由度无线网络的干扰管理和容量研究•构建多维干扰状态模型•分析干扰和网络容量的关系•智能动态干扰管理机制大规模MIMO3DMIMO提高容量（2）—无线传输新技术19基于电磁波角动量特性的新型无线传输技术无线传输的媒介是电磁波，而新的电磁波物理特性的利用可能带来无线通信的时代变革电磁涡旋起源于1992年荷兰物理学家L.Allen对光子携带轨道角动量的发现。英国格拉斯哥大学天文物理系Gibson等人在2004年提出将轨道角动量应用于光通信，并证实了能够充分利用不同的OAM状态实现多信道独立调制同频传输。2G3G4G后4G9.6K2M1G10G~T？20电磁涡旋无线传输技术电磁涡旋无线传输技术电磁涡旋波的产生电磁涡旋波可由调制后携带信息的普通波通过波束扭转方法得到。将电磁涡旋波恢复为普通调制信号的过程可以理解为“逆涡旋”电磁涡旋无线传输技术国内外研究进展——验证演示系统瑞典物理研究所的BoThidé教授和意大利帕多瓦大学FabrizioTamburini教授等人在2010-2011年对电磁涡旋技术用于无线传输进行了实验。该实验采用抛物面天线和八木天线发收，成功的在意大利威尼斯的河两岸实现了442m的无线传输，验证了电磁涡旋无线传输技术的可行性。实验场景图电磁涡旋无线传输技术电磁涡旋应用于无线通信的挑战传播环境要求严格：当无线传播中出现大气湍流、阻挡物等不利传播条件时，会改变波束扭转角度，对电磁涡旋造成影响。高效的电磁涡旋波产生与接收：如何设计发射和接收电磁涡旋波天线将会是一个挑战。发送和接收电磁涡旋波的方向性要求严格：电磁涡旋波状态的高效检测：如何对大量的电磁涡旋波状态进行有效分离和检测，是应用于无线通信所面临的核心挑战之一。应用前景固定无线通信：如无线中继间通信。深空通信或近地通信：如卫星间通信。移动通信：如能解决电磁涡旋波的方向性、天线、大气湍流、多径、电磁涡旋波操控性和高效产生和接收等问题，则其可以用于移动通信。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，国内开展研究较少信息密度均匀高度不均匀下的异构无线网络提高容量（3）——更多基站（更小小区）27信息密度概念信息密度：单位面积发送，接收或经过的信息量，分别指导容量分布，资源分配和路由的研究网络分布与用户信息密度匹配，实现资源精准匹配。定义“无线组网信息密度”概念，即“在任何一个点为中心的邻域覆盖范围内，用户可以通过该点透明地传输数据的速率”。未来的组网架构要支持增长如此巨大的业务量，其基本特征必然是异构的多网接入，它将是“密度不均匀性”的组网架构。信息密度非均匀新组网架构面临的主要问题28距离业务量容量覆盖宏蜂窝微小区WLAN60GHz宏蜂窝微小区WLAN60GHz3G4G新频谱微小区WLAN60GHz宏蜂窝信息密度非均匀下的异构无线组网新技术问题1:异构无线网络如何协同工作问题2:复杂环境下信道如何建模问题3:异构非均匀业务需求环境下如何高效传输29特征提高容量的关键技术网元构成实质密度均匀的蜂窝小区小区变小/分裂/方向性天线/无线资源管理同构，控制与业务平面一体业务单一密度准均匀的协作式组网（群小区，CoMP）小区变小/多天线/小区边缘协作/无线资源管理/协作天线管理同构为主，控制与业务平面一体优先提高小区边缘速率来提高全网速率密度不均匀的多域异构小区大小区、小小区并存/多单天线并存/小区边缘协作与热点并存/蜂窝通信与无线接入并存/多域资源管理异构融合，将控制与业务平面分离保证小区边缘速率，通过热点覆盖大幅度提高全网速率无线组网演进三个重要阶段30后4G：颠覆性技术在哪里？需要技术和策略突破后4G：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科技部8635G立项国际上面向5G的研究计划已逐步启动：–2020年无线网络容量增长达500～1000倍，产业需求巨大–ITU-R已于2010年完成4G系统的标准制定，5G系统的研究已提上日程；3GPP已于2012年底开始针对下一代移动通信系统的Release12版本研究，提前谋求5G布局–欧盟将投资总计2700万欧元资助研究2020年及未来的下一代无线移动通信系统——METIS计划–美国国家宽带计划，到2020年超过1亿的美国家庭可以获得至少50Mbps/100Mbps的宽带接入速度，预算将超72亿美元因此，必须引领下一代移动通信技术发展，以满足产业需求，实现我国“十二五”规划对发展新一代信息技术的战略要求。32核心问题：无线带宽瓶颈移动通信的发展史表明，容量不足一直是无线通信系统发展中的主要问题5G面临更大容量需求和频谱赤字：根据预测，至2020年无线网络容量增长达500~1000倍解决思路更多频谱→