第20講 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)

1、25G移動(dòng)通信內(nèi)容提要1 5G發(fā)展背景2 5G關(guān)鍵能力3 5G典型的應(yīng)用場(chǎng)景4 5G新技術(shù)5 5G展望 本次課的要求與重難點(diǎn)要求與重點(diǎn)1.了解5G的性能需求和效率需求。2.了解5G 面臨的多樣化應(yīng)用場(chǎng)景所帶來的挑戰(zhàn)。3.了解毫米波通信、Massive-MIMO、全雙工、D2D通信、超密集網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及問題。重點(diǎn)：多樣化應(yīng)用場(chǎng)景所帶來的問題和解決思路。難點(diǎn)：5G新技術(shù)的基本概念本次課需要解決的主要問題1. 5G的性能需求和效率需求有哪些？2. 5G 面臨的多樣化應(yīng)用場(chǎng)景所帶來的挑戰(zhàn)有哪些？3. 毫米波通信、Massive-MIMO、全雙工、D2D通信、超密集網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及問題有哪些？

2、55G移動(dòng)通信內(nèi)容提要1 5G發(fā)展背景2 5G關(guān)鍵能力3 5G典型的應(yīng)用場(chǎng)景4 5G新技術(shù)5 5G展望5G發(fā)展背景未來的通信體驗(yàn)：超高清、3D影像，浸入式視頻5G發(fā)展背景未來的通信體驗(yàn)：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云桌面、在線游戲5G發(fā)展背景5G還將滲透到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。5G發(fā)展背景未來全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備總量將達(dá)到千億規(guī)模；預(yù)計(jì)到2020年，全球移動(dòng)終端（不含物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）數(shù)量將超過100億，其中中國(guó)將超過100億。5G發(fā)展背景面向2020年及未來，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)； 預(yù)計(jì)到2020年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將增長(zhǎng)200倍；預(yù)計(jì)到2030年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將增長(zhǎng)2萬倍。5G發(fā)展背景面向

3、未來，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆炸性增長(zhǎng)，數(shù)以億計(jì)的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景不斷涌現(xiàn)； 可以說，5G通信時(shí)代已經(jīng)到來；擺在我們通信研究人員面前的是一份沉甸甸的責(zé)任：在5G來臨之前，開發(fā)出新的通信技術(shù)以滿足如此迫切的業(yè)務(wù)需求。5G發(fā)展背景5G將使信息突破時(shí)空限制，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴； 5G將拉近萬物的距離，便捷地實(shí)現(xiàn)人與萬物的智能互聯(lián)；5G將為用戶提供光纖般的接入速率，零時(shí)延的使用體驗(yàn)。5G發(fā)展背景 2012年11月歐盟啟動(dòng)了5G研究項(xiàng)目METIS，同年10月5G創(chuàng)新中心在英國(guó)成立； 2013年2月中國(guó)成立了IMT-2020推進(jìn)組，同年6月韓國(guó)成立了5G技術(shù)論壇； 2015年3月3GPP

4、啟動(dòng)了未來新業(yè)務(wù)需求研究、5G工作計(jì)劃討論； 2015年6月，ITU發(fā)布了5G愿景，確立了5G關(guān)鍵能力指標(biāo)和主要應(yīng)用場(chǎng)景； 等等5G研究研究5G的關(guān)鍵能力 單位面積數(shù)據(jù)吞吐量顯著提升：相比于4G，5G的系統(tǒng)容量要提高1000倍 支持海量設(shè)備連接：在一些場(chǎng)景下每平方公里通過5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接的器件數(shù)目達(dá)到100萬，相對(duì)4G增長(zhǎng)100倍 更低的延時(shí)和更高的可靠性：相對(duì)4G，時(shí)延縮短5-10倍，并提供真正的永遠(yuǎn)在線體驗(yàn) 能耗：使網(wǎng)絡(luò)綜合的能耗效率提高1000倍，達(dá)到1000倍容量提升的同時(shí)保持能耗與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)5G移動(dòng)通信更加關(guān)注用戶的需求，并為用戶移動(dòng)通信更加關(guān)注用戶的需求，并為用戶帶來新體驗(yàn)：帶來

5、新體驗(yàn)：5G關(guān)鍵能力1Gbps的用戶體驗(yàn)速率，數(shù)十Gbps的峰值速率； 毫秒級(jí)的端到端時(shí)延，支持500km/h的隨機(jī)移動(dòng)性；每平方公里10萬部的設(shè)備連接，數(shù)十Tbps的流量密度。5G性能指標(biāo)性能指標(biāo)5G關(guān)鍵能力頻譜利用、能耗和成本是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)發(fā)展的三個(gè)關(guān)鍵因素；頻譜效率需提高10倍以上；能源效率和成本效率均要求有百倍以上的提升。5G5G效率指標(biāo)效率指標(biāo)5G關(guān)鍵能力5G和4G的關(guān)鍵能力指標(biāo)比較5G典型應(yīng)用場(chǎng)景面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，兩個(gè)傳統(tǒng)技術(shù)場(chǎng)景連續(xù)廣域覆蓋熱點(diǎn)高容量面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，5G拓展的兩個(gè)場(chǎng)景低功耗大連接低延時(shí)高可靠5G5G將面臨多樣化應(yīng)用場(chǎng)景帶來的挑戰(zhàn)將面臨多樣化應(yīng)用場(chǎng)景帶來的挑戰(zhàn)5

6、G典型應(yīng)用場(chǎng)景該場(chǎng)景的主要挑戰(zhàn)在于如何隨時(shí)隨地為用戶提供每秒百兆比特的用戶體驗(yàn)速率。連續(xù)廣域覆蓋連續(xù)廣域覆蓋5G典型應(yīng)用場(chǎng)景每秒千兆比特的用戶體驗(yàn)速率、每秒萬兆比特的峰值速率是該場(chǎng)景面臨的主要挑戰(zhàn)。熱點(diǎn)高容量熱點(diǎn)高容量5G典型應(yīng)用場(chǎng)景低功耗大連接場(chǎng)景主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能農(nóng)業(yè)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景。低功耗大連接低功耗大連接5G典型應(yīng)用場(chǎng)景低延時(shí)高可靠場(chǎng)景主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求。低延時(shí)高可靠低延時(shí)高可靠5G新技術(shù)毫米波通信技術(shù)毫米波通信技術(shù)Massive MIMO技術(shù)技術(shù)全雙工技術(shù)全雙工技術(shù)D2D通信通信超密集網(wǎng)絡(luò)超密集網(wǎng)絡(luò)新型多址技術(shù)技

7、術(shù)和新型多址技術(shù)技術(shù)和SDN5G新技術(shù)支持支持5G5G關(guān)鍵性能指標(biāo)的相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵性能指標(biāo)的相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)Massive MIMO技術(shù)Massive MIMO，在現(xiàn)有MIMO技術(shù)基礎(chǔ)上通過大規(guī)模增加發(fā)送端天線數(shù)目，以形成數(shù)十個(gè)獨(dú)立的空間數(shù)據(jù)流，進(jìn)而達(dá)到數(shù)倍提升多用戶系統(tǒng)的頻譜效率。大規(guī)模天線陣列技術(shù)的優(yōu)勢(shì)大規(guī)模天線陣列技術(shù)的優(yōu)勢(shì)提高頻譜效率提高功率效率大幅度降低干擾簡(jiǎn)化收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)大規(guī)模天線陣列技術(shù)需要克服的難題大規(guī)模天線陣列技術(shù)需要克服的難題導(dǎo)頻污染嚴(yán)重信道模型缺乏復(fù)雜度和性能兼?zhèn)涞乃惴ㄐ诺拦烙?jì)開銷大Massive MIMO技術(shù)毫米波通信技術(shù)現(xiàn)有的無線通信常用頻段已經(jīng)擁擠不堪，并且很難在傳輸

8、速率量級(jí)上實(shí)現(xiàn)突破。為滿足Gbps的高速無線傳輸，向更高的頻段進(jìn)軍是可能的解決方式。在毫米波頻段（26.5-300GHz）上，具有更多的頻譜空間，能夠滿足移動(dòng)帶寬對(duì)容量和速率的需求。毫米波通信技術(shù)毫米波通信的優(yōu)勢(shì)毫米波通信的優(yōu)勢(shì)極寬的帶寬極窄的波束安全保密性毫米波通信需要克服的難題毫米波通信需要克服的難題傳播損耗大繞射能力差雨衰效應(yīng)嚴(yán)重傳統(tǒng)半雙通信技術(shù)傳統(tǒng)半雙通信技術(shù)不能在同一頻率上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同時(shí)收發(fā)，造成無線頻譜資源的極大浪費(fèi)；全雙工通信技術(shù)全雙工通信技術(shù)同頻同時(shí)雙工技術(shù)是通過天線、射頻以及數(shù)字部分的干擾隔離和消除，實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)隙和頻率上同時(shí)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)。該技術(shù)理論上可以提高空口頻譜效

9、率1倍，同時(shí)能夠帶來頻譜的更靈活分配和使用，這就是其發(fā)展的最強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工傳輸發(fā)送和接收的基本原理同時(shí)同頻全雙工技術(shù)全雙工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)全雙工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)信道容量加倍降低反饋時(shí)延提高網(wǎng)絡(luò)的安全性提高頻譜使用靈活度全雙工技術(shù)需要克服的難題全雙工技術(shù)需要克服的難題自干擾問題嚴(yán)重用戶間的相互干擾增加功率消耗和設(shè)備復(fù)雜度增大D2D通信技術(shù)隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和社交網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)展，信息流向呈現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域的局域化特點(diǎn)，業(yè)務(wù)的本地特性更加明顯，設(shè)備到設(shè)備（Device-to-Device，D2D）通信呼之欲出D2D通信是指當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)終端距離很近時(shí)的直接進(jìn)行通信的一種通信方式。

10、D2D通信技術(shù)D2D技術(shù)帶來的增益技術(shù)帶來的增益地理位置增益，即地理位置的相近性帶來良好直傳信道質(zhì)量，可能會(huì)使通信具有極高的數(shù)據(jù)速率、低的延遲以及低的功率消耗等優(yōu)良性能；用增益，即蜂窩系統(tǒng)的無線資源可能同時(shí)被蜂窩鏈路和D2D鏈路使用，提升系統(tǒng)的頻率復(fù)用效率；跳增益，相比于傳統(tǒng)的蜂窩設(shè)備之間需要上行鏈路和下行鏈路的蜂窩通信方式，D2D通信方式僅需要一跳傳輸即可完成。D2D技術(shù)需要克服的難題技術(shù)需要克服的難題鄰居發(fā)現(xiàn)模式選擇資源分配干擾抑制超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨著智能手機(jī)和移動(dòng)電腦等移動(dòng)設(shè)備的廣泛使用，無線數(shù)據(jù)流量持續(xù)快速增長(zhǎng)，僅靠無線物理層技術(shù)難以解決數(shù)據(jù)量急劇增長(zhǎng)和頻譜資源緊缺的雙重難題。UDN通過

11、部署更加“密集化”的無線接入點(diǎn)等基礎(chǔ)設(shè)施，以獲得更高頻率復(fù)用效率，在局部熱點(diǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)成百倍系統(tǒng)容量的提升。密集蜂窩網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)密集蜂窩網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)密集蜂窩網(wǎng)絡(luò)適于解決室內(nèi)容量的需求問題。小蜂窩可以分擔(dān)一部分宏蜂窩的負(fù)載，降低了移動(dòng)設(shè)備與基站的能耗。部署小蜂窩的成本花費(fèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于宏蜂窩。需要克服的難題需要克服的難題宏蜂窩與小蜂窩之間的頻譜資源分配小蜂窩的隨機(jī)部署對(duì)于核心網(wǎng)絡(luò)的靈活接入問題分布式小蜂窩的同步、載波選擇和功率控制超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從1G到4G中所采用的多址技術(shù)看，主流多址方式是正交多址。然而，隨著用戶數(shù)的激增，僅用傳統(tǒng)正交方式的多址方式將難以滿足這些需求。從多用戶信息論角度看，非正交多址技術(shù)不僅能進(jìn)一步增強(qiáng)頻譜效率，也是逼近多用戶信道容量界的有效手段。因此，近年來，人們提出了各種各樣的新型多址技術(shù)，如基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址（PDMA）、基于功率疊加的非正交多址（NOMA）等。新型多址技術(shù)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）SDN是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其核心理念是轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離、集中控制、開放可編程，它可通過