第五代移动通信的进展及其关键技术

第五代移动通信的进展及其关键技术THEFIFTHGENERATION(5G)MOBILECOMMUNICATIONNETWORKS5G之路5G需求5G关键提纲一、5G之路众所周知，在近30年的时间内，全球移动通信已从20世纪80年代的第一代发展到目前的第四代。我国的移动通信产业经历了全过程，从第一代的引进、第二代的跟进、第三代的参与、到第四代的自主研发，力图在第五代达到引领，得益于国家政策的大力支持和通信人的不懈努力我国移动通信先后建设了9张网络：A、B、C、G、D、3G(3张)和目前正在大力建设的TD-LTE(4G)一、5G之路1G(THEFIRSTGENERATION)：A网和B网，模拟体制、FDMA，不同用户同时分配不同频点由爱立信和摩托罗拉建设，形成了A网和B网，两张网用户不能互通，A网地区是北京、天津、上海以及除河北、山东以外的全国各地；B网地区是北京、天津、上海、河北、辽宁、江苏、浙江、四川、黑龙江、山东等地。1996年1月，A、B网联网，能在全国30个省(市、自治区)自动漫游，但从A网区到B网区，需要用户在手机上操作转网(1999年A网和B网同时关闭)一、5G之路2G(THESECONDGENERATION)：C网、G网和D网，数字体制、TDMA，不同用户同频分配不同时隙C网：CDMA1X，接通率高、噪声小、发射功率小，能实现移动电话的各种智能业务，电信运营商重组前由中国联通拥有G网：GSM，20世纪90年代中期开始建设，能提供许多新业务，具有漫游范围广的特点，称为“全球通”。G网工作于900MHZ频段，频带比较窄。随着移动用户的迅猛增长，G网已达到容量饱和，为此又建设了“D”网一、5G之路D网：DCS1800，基本体制与GSM900系统一致，但工作于1800MHZ频段，需要用全球通1800手机。如果使用双频手机，也能在G网漫游、自动切换。许多城市是DCS1800系统和GSM900系统同时覆盖一个地区，称为全球通双频系统，其容量能成倍增长2.5G：2G到3G的衔接，典型代表有：GPRS(GENERALPACKETRADIOSYSTEM)：提供分组数据交换，采用与G网相同的频段、带宽、调制模式和TDMA帧结构，数据传输速率可达115KBPS，支持随时在线，按流量或时间计费一、5G之路EDGE(ENHANCEDDATARATESFORGLOBALEVOLUTION)：将GPRS发挥到极限，可透过无线网络提供宽带多媒体服务，数据传输速率可达384KBPS，支持无线多媒体、电子邮件、网络娱乐、视频会议等WAP(WIRELESSAPPLICATIONPROTOCOL)：移动通信与互联网结合的第一阶段性产物。用户可用手机上网，但要求网站以WML(无线标记语言)编写，相当于INTERNET上的HTML(超文件标记语言)一、5G之路3G(THETHIRDGENERATION)：TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000和WIMAX，不同用户同时同频分配不同码字可提供丰富的移动多媒体业务，传输速率在高速移动环境144KB/S，步行慢速移动环境384KB/S，静止状态2MB/S。其设计目标是提供比2G更大的系统容量、更好的通信质量，能在全球范围内实现无缝漫游，为用户提供话音、数据及多媒体业务，并与2G系统兼容。3G的主流标准有：WCDMA(中国联通)、CDMA2000(中国电信)与TD-SCDMA(中国移动)，我国2009年1月颁发3张3G牌照一、5G之路4G(THEFOURTHGENERATION)：TD-LTE和FDD-LTE，不同用户分配不同子载波组集3G与WLAN于一体并能传输高质量视频业务，视频质量与高清电视相当。4G系统能提供100MBPS的下行速率，上行速率也高达20MBPS，能满足几乎所有用户对无线服务的要求。我国2013年12月向3家运营商同时颁发了TD-LTE牌照一、5G之路随着4G的全球商用，针对第五代移动通信(5G)的研究已成为近几年通信业界共同关注的热点，业界致力于2020年全面开展5G商用人们将时间节点瞄准2020年的主要原因是：近几年，移动通信网承载的IP数据业务年均增幅超过100%，从2010年的3艾字节(1艾字节=1016字节)增长到2018年将超过190艾字节，预计2020年将超过500艾字节目前需求最大的业务是视频流，但到2020年可能会有新的业务形态出现(如互动业务)终端数量和数据速率也将持续呈指数增长，预计2020年通信终端将达到数十亿-数百亿台(D2D、M2M)必须发展新的通信技术来应对未来移动通信新的需求一、5G之路目前全球已有多个区域论坛和专项提出了5G标准的大致轮廓，并开展相关关键技术研究：欧盟第七框架计划(FP7)专项METIS国际电信联盟ITU-R2020工作组英国的5GNOW论坛英国的5G创新中心5GIC中英科学桥计划中的B4G无线移动通信专项中国的IMT-2020(5G)一、5G之路日本电波产业协会的2020ANDBEYONDADHOC论坛韩国的5G论坛欧洲电信标准化组织设立的下一代移动网络论坛(NGMN)无线世界研究论坛(WWRF)3GPP组织虽然在LTEREL-12版本中已涉及到诸如MASSIVEMIMO等5G候选技术研究，但针对5G标准化工作尚无时间表，拟计划成立5GPP工作组开展工作在企业界，爱立信、诺基亚、三星、华为、大唐电信、阿尔卡特朗讯、中国移动、DOCOMO等先后发布了5G白皮书和研究报告一、5G之路2014年2月，国际电信联盟无线通信部门(ITU-R)的WP5D移动通信系统工作组在越南召开了第18次会议，中国、欧洲、韩国、日本等国家和地区提出了各自的5G构想ITU-R将在今年的世界无线电通信大会WRC-15上确定5G蓝图，在2018年的世界无线电通信大会WRC-18上决定5G频率，在2015-2018年前后正式确立5G移动通信国际标准和核心技术一、5G之路2015年5月29日，中国IMT-2020(5G)推进组在北京召开了第三届IMT-2020(5G)峰会，发布中国《5G无线技术架构》和《5G网络技术架构》白皮书，包含的5G关键技术有FILTERED-OFDM（可变子载波OFDM）、稀疏码多址（SCMA）、极化编码（POLARCODE）、MASSIVEMIMO、网络功能虚拟化(NETWORKFUNCTIONVIRTUALIZATION)、网络分片、控制功能重构等一、5G之路未来的无线通信需要实现三大突破：构建协同异构融合的无线网络架构一、5G之路发展面向不同需求的多种接入手段2G、3G、4G、WIFI接入蜂窝、短距离、室内、室外接入超短波、微波、毫米波、可见光集中式和分布式接入授权、免申请频谱接入……一、5G之路建立以业务为驱动的信息传输模式：不同业务采用不同传输技术，实现信源与信道的跨层匹配、认知和自适应，增强传输能力一、5G之路尽管目前5G尚未形成标准，需求指标尚不明确，基础理论也不完善，关键技术有待攻克，但公认5G的核心技术至少应包括：高密度异构网络(ULTRA-DENSIFICATIONHETNETS)大规模MIMO(MASSIVEMULTIPLE-INPUTMULTIPLE-OUTPUT)同时同频全双工通信(ALL-DUPLEXCOMMUNICATION)毫米波、可见光传输(MMWAVETRANSMISSION,VLT)此外，还包括传输波形设计、网络架构虚拟化、频谱效率和能量效率提升技术等二、5G需求研究和部署5G移动通信网络，首先需要明确5G的需求是什么？5G的工程需求主要包括数据速率、频谱效率、能量效率、传输时延、可靠性等数据速率总数据速率或区域容量：至少是4G的1000倍边缘速率或5%速率：至少是4G的100倍，即用户体验速率为0.1-1GBPS，足以满足高清视频流的传输服务要求峰值速率：网络能提供的最大数据速率为数十GBPS二、5G需求传输时延4G系统的往返时延是15MS(子帧时长1MS，含数据、资源分配和接入控制等开销)，该时延能满足目前大多数业务的传输要求，但5G系统支持的业务包括互动游戏、新的触屏业务、虚拟现实(GOOGLE眼镜、穿戴式计算机)、D2D等，要求往返时延是1MS。为此，需要减小子帧时长，并改进相关协议和核心网架构资源效率频谱效率：提高5-15倍能量效率：提高100倍成本价格：下降100倍二、5G需求其他支持能力支持不同类型大量终端设备的并发接入支持1百万/KM2的连接数密度数十TBPS/KM2的流量密度500KM/HR以上的移动性二、5G需求性能指标取值用户体验速率0.1-1Gbps连接数密度时延数ms移动性500km/h峰值移动速率数十Gbps流量密度效率指标改善倍数频谱效率5-15倍能量效率100倍成本效率100倍三、5G关键蜂窝网络总容量：减小单小区覆盖区域，提高频谱复用度(宏蜂窝、小蜂窝、微蜂窝、中继站、飞蜂窝异构网络分层重叠部署)充分利用空间资源，增加物理传输信道规模(如大规模MIMO技术、空间调制技术、协同MIMO技术、分布式天线系统、干扰管理机制等)利用各种途径寻求可用频谱资源(如认知无线电、毫米波通信、可见光通信等)进一步提高频谱效率(如高阶调制、自适应调制编码)三、5G关键高密度异构网络密集部署异构网络，利用更高的频谱复用度来提高频谱效率和系统容量减小蜂窝尺寸能提高网络容量，如在1G系统中，单蜂窝覆盖区域达到数百平方公里，随着用户数的增加，系统容量需求越来越大，已逐渐将单蜂窝覆盖区域缩小为几平方公里广泛部署的皮蜂窝(PICOCELL)蜂窝半径小于100米；飞蜂窝(FEMTOCELL)蜂窝半径只有20多米；分布式天线系统(DAS)类似于皮蜂窝，不同天线组覆盖不同区域，但集中执行基带处理，共用ID三、5G关键缩小蜂窝尺寸的好处：提高频率复用度减少用户接入冲突随着通信距离缩短，路径损耗降低，功耗降低，能效提高、电磁污染减小极端情况下，一个基站只为一个终端提供接入服务，资源管理和回程连接非常简单缺点是建网成本增大；蜂窝结构复杂；移动切换频繁；异构多网混叠，干扰协调压力大等三、5G关键高密度部署异构网络面临的技术挑战包括：如何设计高密度异构多网体系架构和共存协调机制，在获得频谱效率、能量效率、系统容量提升的同时，避免网间干扰？如何设计新型的无线接入技术，优化边缘数据速率？如何支持用户高速业务和高移动性需求？如何降低组网、运维和回程(BACKHAUL)链路成本？中国提出的蜂窝网络架构统计表明：无线用户在室内的时间约占80%，在室外的时间仅占20%，而目前的蜂窝通信网络是在小区中心部署一个室外基站，与移动用户进行通信，无论该用户是位于室内，还是室外。室内用户与室外基站通信，电波必须穿透建筑物外墙，会产生严重的穿透损耗，从而降低无线传输的数据速率、频谱效率和能量效率中国提出的5G蜂窝架构的基本思想：将室内和室外分离，以避免建筑物墙体造成的穿透损耗采用分布式天线系统(DAS)，围绕小区在不同空间位置分布部署数十至数百根天线单元，这些天线单元通过光纤接至基站设备，提供强大的天线增益(分布部署、集中处理)中国提出的蜂窝网络架构室外用户仅配置少量天线单元，通过彼此协作，形成虚拟大规模MIMO链路(COOPERATIVECOMMUNICATION)室外基站配置大规模MIMO(MASSIVEMIMO)系统，并在每座建筑物的外墙也安装大规模天线阵列，用于与室外基站或分布式天线系统通信，这些大规模天线阵列通过电缆与室内无线接入点(WAP)连接中国提出的蜂窝网络架构基于该架构，室内用户仅需利用室内部署的WAP实施通信，而WAP与建筑物外墙上安装的大规模阵列天线连接，通过与室外基站通信，实现全网用户互联互通室内通信采用短程通信技术提供高的数据速率，如WIFI、FEMTOCELL、超宽带(UWB)、毫米波和可见光通