專題講座G關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)于專題講座G關(guān)鍵技術(shù)一、5G之路眾所周知，在近30年的時(shí)間內(nèi)，全球移動(dòng)通信已從20世紀(jì)80年代的第一代發(fā)展到目前的第四代。我國(guó)的移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了全過程，從第一代的引進(jìn)、第二代的跟進(jìn)、第三代的參與、到第四代的自主研發(fā)，力圖在第五代達(dá)到引領(lǐng)，得益于國(guó)家政策的大力支持和通信人的不懈努力我國(guó)移動(dòng)通信先后建設(shè)了9張網(wǎng)絡(luò)：A、B、C、G、D、3G(3張)和目前正在大力建設(shè)的TD-LTE(4G)第2頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路1G(thefirstgeneration)：A網(wǎng)和B網(wǎng)，模擬體制、FDMA，不同用戶同時(shí)分配不同頻點(diǎn)由愛立信和摩托羅拉建設(shè)，形成了A網(wǎng)和B網(wǎng)，兩張網(wǎng)用戶不能互通，A網(wǎng)地區(qū)是北京、天津、上海以及除河北、山東以外的全國(guó)各地；B網(wǎng)地區(qū)是北京、天津、上海、河北、遼寧、江蘇、浙江、四川、黑龍江、山東等地。1996年1月，A、B網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，能在全國(guó)30個(gè)省(市、自治區(qū))自動(dòng)漫游，但從A網(wǎng)區(qū)到B網(wǎng)區(qū)，需要用戶在手機(jī)上操作轉(zhuǎn)網(wǎng)(1999年A網(wǎng)和B網(wǎng)同時(shí)關(guān)閉)第3頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路2G(thesecondgeneration)：C網(wǎng)、G網(wǎng)和D網(wǎng)，數(shù)字體制、TDMA，不同用戶同頻分配不同時(shí)隙C網(wǎng)：CDMA1X，接通率高、噪聲小、發(fā)射功率小，能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話的各種智能業(yè)務(wù)，電信運(yùn)營(yíng)商重組前由中國(guó)聯(lián)通擁有G網(wǎng)：GSM，20世紀(jì)90年代中期開始建設(shè)，能提供許多新業(yè)務(wù)，具有漫游范圍廣的特點(diǎn)，稱為“全球通”。G網(wǎng)工作于900MHz頻段，頻帶比較窄。隨著移動(dòng)用戶的迅猛增長(zhǎng)，G網(wǎng)已達(dá)到容量飽和，為此又建設(shè)了“D”網(wǎng)第4頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路D網(wǎng)：DCS1800，基本體制與GSM900系統(tǒng)一致，但工作于1800MHz頻段，需要用全球通1800手機(jī)。如果使用雙頻手機(jī)，也能在G網(wǎng)漫游、自動(dòng)切換。許多城市是DCS1800系統(tǒng)和GSM900系統(tǒng)同時(shí)覆蓋一個(gè)地區(qū)，稱為全球通雙頻系統(tǒng)，其容量能成倍增長(zhǎng)2.5G：2G到3G的銜接，典型代表有：GPRS(GeneralPacketRadioSystem)：提供分組數(shù)據(jù)交換，采用與G網(wǎng)相同的頻段、帶寬、調(diào)制模式和TDMA幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)115kbps，支持隨時(shí)在線，按流量或時(shí)間計(jì)費(fèi)第5頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路EDGE(EnhancedDataratesforGlobalEvolution)：將GPRS發(fā)揮到極限，可透過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供寬帶多媒體服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)384kbps，支持無(wú)線多媒體、電子郵件、網(wǎng)絡(luò)娛樂、視頻會(huì)議等WAP(WirelessApplicationProtocol)：移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的第一階段性產(chǎn)物。用戶可用手機(jī)上網(wǎng)，但要求網(wǎng)站以WML(無(wú)線標(biāo)記語(yǔ)言)編寫，相當(dāng)于Internet上的HTML(超文件標(biāo)記語(yǔ)言)第6頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路3G(thethirdgeneration)：TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000和WiMAX，不同用戶同時(shí)同頻分配不同碼字可提供豐富的移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)，傳輸速率在高速移動(dòng)環(huán)境144kb/s，步行慢速移動(dòng)環(huán)境384kb/s，靜止?fàn)顟B(tài)2Mb/s。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供比2G更大的系統(tǒng)容量、更好的通信質(zhì)量，能在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫漫游，為用戶提供話音、數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)，并與2G系統(tǒng)兼容。3G的主流標(biāo)準(zhǔn)有：WCDMA(中國(guó)聯(lián)通)、CDMA2000(中國(guó)電信)與TD-SCDMA(中國(guó)移動(dòng))，我國(guó)2009年1月頒發(fā)3張3G牌照第7頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路4G(thefourthgeneration)：TD-LTE和FDD-LTE，不同用戶分配不同子載波組集3G與WLAN于一體并能傳輸高質(zhì)量視頻業(yè)務(wù)，視頻質(zhì)量與高清電視相當(dāng)。4G系統(tǒng)能提供100Mbps的下行速率，上行速率也高達(dá)20Mbps，能滿足幾乎所有用戶對(duì)無(wú)線服務(wù)的要求。我國(guó)2013年12月向3家運(yùn)營(yíng)商同時(shí)頒發(fā)了TD-LTE牌照第8頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路隨著4G的全球商用，針對(duì)第五代移動(dòng)通信(5G)

的研究已成為近幾年通信業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)，業(yè)界致力于2020年全面開展5G商用人們將時(shí)間節(jié)點(diǎn)瞄準(zhǔn)2020年的主要原因是：近幾年，移動(dòng)通信網(wǎng)承載的IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)年均增幅超過100%，從2010年的3艾字節(jié)(1艾字節(jié)=1016字節(jié))增長(zhǎng)到2018年將超過190艾字節(jié)，預(yù)計(jì)2020年將超過500艾字節(jié)目前需求最大的業(yè)務(wù)是視頻流，但到2020年可能會(huì)有新的業(yè)務(wù)形態(tài)出現(xiàn)(如互動(dòng)業(yè)務(wù))終端數(shù)量和數(shù)據(jù)速率也將持續(xù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2020年通信終端將達(dá)到數(shù)十億-數(shù)百億臺(tái)(D2D、M2M)必須發(fā)展新的通信技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信新的需求第9頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路目前全球已有多個(gè)區(qū)域論壇和專項(xiàng)提出了5G標(biāo)準(zhǔn)的大致輪廓，并開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究：歐盟第七框架計(jì)劃(FP7)專項(xiàng)METIS國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-R2020工作組

英國(guó)的5GNOW論壇英國(guó)的5G創(chuàng)新中心5GIC中英科學(xué)橋計(jì)劃中的B4G無(wú)線移動(dòng)通信專項(xiàng)中國(guó)的IMT-2020(5G)第10頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路日本電波產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)的2020andBeyondAdHoc論壇韓國(guó)的5G論壇歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織設(shè)立的下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)論壇(NGMN)無(wú)線世界研究論壇(WWRF)3GPP組織雖然在LTERel-12版本中已涉及到諸如MassiveMIMO等5G候選技術(shù)研究，但針對(duì)5G標(biāo)準(zhǔn)化工作尚無(wú)時(shí)間表，擬計(jì)劃成立5GPP工作組開展工作在企業(yè)界，愛立信、諾基亞、三星、華為、大唐電信、阿爾卡特朗訊、中國(guó)移動(dòng)、DoCoMo等先后發(fā)布了5G白皮書和研究報(bào)告第11頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路2014年2月，國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線通信部門(ITU-R)的WP5D移動(dòng)通信系統(tǒng)工作組在越南召開了第18次會(huì)議，中國(guó)、歐洲、韓國(guó)、日本等國(guó)家和地區(qū)提出了各自的5G構(gòu)想ITU-R將在今年的世界無(wú)線電通信大會(huì)WRC-15上確定5G藍(lán)圖，在2018年的世界無(wú)線電通信大會(huì)WRC-18上決定5G頻率，在2015-2018年前后正式確立5G移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和核心技術(shù)第12頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路2015年5月29日，中國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組在北京召開了第三屆IMT-2020(5G)峰會(huì)，發(fā)布中國(guó)《5G無(wú)線技術(shù)架構(gòu)》和《5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)》白皮書，包含的5G關(guān)鍵技術(shù)有Filtered-OFDM（可變子載波OFDM）、稀疏碼多址（SCMA）、極化編碼（PolarCode）、MassiveMIMO、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(

NetworkFunctionVirtualization)、網(wǎng)絡(luò)分片、控制功能重構(gòu)等第13頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路未來(lái)的無(wú)線通信需要實(shí)現(xiàn)三大突破：構(gòu)建協(xié)同異構(gòu)融合的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)第14頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路發(fā)展面向不同需求的多種接入手段2G、3G、4G、WiFi接入蜂窩、短距離、室內(nèi)、室外接入超短波、微波、毫米波、可見光集中式和分布式接入授權(quán)、免申請(qǐng)頻譜接入……第15頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路建立以業(yè)務(wù)為驅(qū)動(dòng)的信息傳輸模式：不同業(yè)務(wù)采用不同傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信源與信道的跨層匹配、認(rèn)知和自適應(yīng)，增強(qiáng)傳輸能力第16頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、5G之路盡管目前5G尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，需求指標(biāo)尚不明確，基礎(chǔ)理論也不完善，關(guān)鍵技術(shù)有待攻克，但公認(rèn)5G的核心技術(shù)至少應(yīng)包括：高密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

(ultra-densificationHetNets)

大規(guī)模MIMO(massivemultiple-inputmultiple-output)同時(shí)同頻全雙工通信

(all-duplexcommunication)毫米波、可見光傳輸

(mmWavetransmission,VLT)此外，還包括傳輸波形設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)虛擬化、頻譜效率和能量效率提升技術(shù)等第17頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、5G需求研究和部署5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，首先需要明確5G的需求是什么？5G的工程需求主要包括數(shù)據(jù)速率、頻譜效率、能量效率、傳輸時(shí)延、可靠性等數(shù)據(jù)速率總數(shù)據(jù)速率或區(qū)域容量：至少是4G的1000倍邊緣速率或5%速率：至少是4G的100倍，即用戶體驗(yàn)速率為0.1-1Gbps，足以滿足高清視頻流的傳輸服務(wù)要求峰值速率：網(wǎng)絡(luò)能提供的最大數(shù)據(jù)速率為數(shù)十Gbps第18頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、5G需求傳輸時(shí)延4G系統(tǒng)的往返時(shí)延是15ms(子幀時(shí)長(zhǎng)1ms，含數(shù)據(jù)、資源分配和接入控制等開銷)，該時(shí)延能滿足目前大多數(shù)業(yè)務(wù)的傳輸要求，但5G系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)包括互動(dòng)游戲、新的觸屏業(yè)務(wù)、虛擬現(xiàn)實(shí)(Google眼鏡、穿戴式計(jì)算機(jī))、D2D等，要求往返時(shí)延是1ms。為此，需要減小子幀時(shí)長(zhǎng)，并改進(jìn)相關(guān)協(xié)議和核心網(wǎng)架構(gòu)資源效率頻譜效率：提高5-15倍能量效率：提高100倍成本價(jià)格：下降100倍第19頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、5G需求其他支持能力支持不同類型大量終端設(shè)備的并發(fā)接入支持1百萬(wàn)/km2的連接數(shù)密度數(shù)十Tbps/km2的流量密度500km/hr以上的移動(dòng)性第20頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、5G需求性能指標(biāo)取值用戶體驗(yàn)速率0.1-1Gbps連接數(shù)密度時(shí)延數(shù)ms移動(dòng)性>500km/h峰值移動(dòng)速率數(shù)十Gbps流量密度效率指標(biāo)改善倍數(shù)頻譜效率5-15倍能量效率>100倍成本效率>100倍第21頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、5G關(guān)鍵蜂窩網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘浚簻p小單小區(qū)覆蓋區(qū)域，提高頻譜復(fù)用度(宏蜂窩、小蜂窩、微蜂窩、中繼站、飛蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分層重疊部署)充分利用空間資源，增加物理傳輸信道規(guī)模(如大規(guī)模MIMO技術(shù)、空間調(diào)制技術(shù)、協(xié)同MIMO技術(shù)、分布式天線系統(tǒng)、干擾管理機(jī)制等)利用各種途徑尋求可用頻譜資源(如認(rèn)知無(wú)線電、毫米波通信、可見光通信等)進(jìn)一步提高頻譜效率(如高階調(diào)制、自適應(yīng)調(diào)制編碼)第22頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、5G關(guān)鍵高密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)密集部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，利用更高的頻譜復(fù)用度來(lái)提高頻譜效率和系統(tǒng)容量減小蜂窩尺寸能提高網(wǎng)絡(luò)容量，如在1G系統(tǒng)中，單蜂窩覆蓋區(qū)域達(dá)到數(shù)百平方公里，隨著用戶數(shù)的增加，系統(tǒng)容量需求越來(lái)越大，已逐漸將單蜂窩覆蓋區(qū)域縮小為幾平方公里廣泛部署的皮蜂窩(picocell)蜂窩半徑小于100米；飛蜂窩(femtocell)蜂窩半徑只有20多米；分布式天線系統(tǒng)(DAS)類似于皮蜂窩，不同天線組覆蓋不同區(qū)域，但集中執(zhí)行基帶處理，共用ID第23頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、5G關(guān)鍵縮小蜂窩尺寸的好處：提高頻率復(fù)用度減少用戶接入沖突隨著通信距離縮短，路徑損耗降低，功耗降低，能效提高、電磁污染減小極端情況下，一個(gè)基站只為一個(gè)終端提供接入服務(wù)，資源管理和回程連接非常簡(jiǎn)單缺點(diǎn)是建網(wǎng)成本增大；蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)雜；移動(dòng)切換頻繁；異構(gòu)多網(wǎng)混疊，干擾協(xié)調(diào)壓力大等第24頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、5G關(guān)鍵高密度部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)包括：如何設(shè)計(jì)高密度異構(gòu)多網(wǎng)體系架構(gòu)和共存協(xié)調(diào)機(jī)制，在獲得頻譜效率、能量效率、系統(tǒng)容量提升的同時(shí)，避免網(wǎng)間干擾？如何設(shè)計(jì)新型的無(wú)線接入技術(shù)，優(yōu)化邊緣數(shù)據(jù)速率？如何支持用戶高速業(yè)務(wù)和高移動(dòng)性需求？如何降低組網(wǎng)、運(yùn)維和回程(backhaul)鏈路成本？第25頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天中國(guó)提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)統(tǒng)計(jì)表明：無(wú)線用戶在室內(nèi)的時(shí)間約占80%，在室外的時(shí)間僅占20%，而目前的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)是在小區(qū)中心部署一個(gè)室外基站，與移動(dòng)用戶進(jìn)行通信，無(wú)論該用戶是位于室內(nèi)，還是室外。室內(nèi)用戶與室外基站通信，電波必須穿透建筑物外墻，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的穿透損耗，從而降低無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率、頻譜效率和能量效率中國(guó)提出的5G蜂窩架構(gòu)的基本思想：將室內(nèi)和室外分離，以避免建筑物墻體造成的穿透損耗采用分布式天線系統(tǒng)(DAS)，圍繞小區(qū)在不同空間位置分布部署數(shù)十至數(shù)百根天線單元，這些天線單元通過光纖接至基站設(shè)備，提供強(qiáng)大的天線增益(分布部署、集中處理)第26頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天中國(guó)提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)室外用戶僅配置少量天線單元，通過彼此協(xié)作，形成虛擬大規(guī)模MIMO鏈路(cooperativecommunication)室外基站配置大規(guī)模MIMO(massiveMIMO)系統(tǒng)，并在每座建筑物的外墻也安裝大規(guī)模天線陣列，用于與室外基站或分布式天線系統(tǒng)通信，這些大規(guī)模天線陣列通過電纜與室內(nèi)無(wú)線接入點(diǎn)(WAP)連接第27頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天中國(guó)提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于該架構(gòu)，室內(nèi)用戶僅需利用室內(nèi)部署的WAP實(shí)施通信，而WAP與建筑物外墻上安裝的大規(guī)模陣列天線連接，通過與室外基站通信，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)用戶互聯(lián)互通室內(nèi)通信采用短程通信技術(shù)提供高的數(shù)據(jù)速率，如WiFi、Femtocell、超寬帶(UWB)、毫米波和可見光通信(VLC)等毫米波通信和可見光通信由于頻率高，穿透能力差，空氣、雨霧、氣壓等自然環(huán)境因素均會(huì)對(duì)其形成吸收和散射，無(wú)法用于室外遠(yuǎn)距離通信，但其具有的高帶寬卻可對(duì)室內(nèi)用戶提供短距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?8頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天中國(guó)提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)該蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是異構(gòu)的：宏蜂窩、微蜂窩、小蜂窩、中繼站等為滿足高速運(yùn)動(dòng)車輛(如高鐵、動(dòng)車)內(nèi)用戶的通信需求，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中引入新的網(wǎng)元——移動(dòng)飛蜂窩(MFemtocell)移動(dòng)飛蜂窩融合了移動(dòng)中繼和飛蜂窩的特點(diǎn)，部署在車廂箱體內(nèi)部，為車內(nèi)用戶提供通信服務(wù)，而大規(guī)模天線部署在廂體外部與室外基站實(shí)施通信，大規(guī)模天線系統(tǒng)再通過電纜與車廂內(nèi)的飛蜂窩接入點(diǎn)連接，移動(dòng)飛蜂窩可看成是室外基站的一個(gè)用戶單元，而移動(dòng)飛蜂窩的接入點(diǎn)又可看成是車廂箱內(nèi)用戶的歸屬基站特點(diǎn)：短期內(nèi)基礎(chǔ)實(shí)施建設(shè)成本高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，卻能有效改善蜂窩平均吞吐量、頻譜效率、能量效率和數(shù)據(jù)速率第29頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天日本提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)幻影蜂窩(PhantomCell)：將宏蜂窩和小蜂窩重疊部署，利用低頻段提供寬覆蓋范圍和控制信令交互，并支持移動(dòng)性，而利用高頻段為小蜂窩提供數(shù)據(jù)通信，即利用SHF頻段(3-30GHz)和EHF頻段(30GHz以上)構(gòu)建小蜂窩，配置在地鐵及公交車等移動(dòng)體上形成“移動(dòng)蜂窩小區(qū)”或部署在無(wú)線熱點(diǎn)地區(qū)，根據(jù)用戶的移動(dòng)性和各蜂窩小區(qū)的需求分配無(wú)線資源第30頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天日本提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)幻影蜂窩用到大量新技術(shù)：非正交多址(NOMA)接入技術(shù)：將一個(gè)時(shí)頻資源塊分配給多個(gè)用戶，可使無(wú)線接入宏蜂窩的總吞吐量提高50%(在宏蜂窩中采用)在SHF的低段(6GHz以下)部署的小蜂窩采用區(qū)域重疊和協(xié)作傳輸多點(diǎn)傳輸(CoMP)抑制相互干擾，而在SHF的高段(6-30GHz)和EHF頻段部署的小蜂窩采用大規(guī)模MIMO技術(shù)，為多個(gè)數(shù)據(jù)流分別形成定向波束CoMP是LTE-A系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，其基本思想是利用不同小區(qū)的多個(gè)基站協(xié)同發(fā)送一個(gè)終端用戶數(shù)據(jù)或聯(lián)合接收一個(gè)終端用戶數(shù)據(jù)，在提升小區(qū)邊緣用戶頻譜效率的同時(shí)，降低協(xié)作小區(qū)間干擾第31頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天METIS提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)METIS尚未提出完整的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但圍繞需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)做了大量研究。5G以提升用戶體驗(yàn)為目標(biāo)，應(yīng)加強(qiáng)多種技術(shù)整合，如將宏蜂窩、微蜂窩、熱點(diǎn)小基站以及WiFi等多種網(wǎng)絡(luò)融合，為不同場(chǎng)景的用戶提供最佳服務(wù)。除了通過提高無(wú)線傳輸能力承載更高數(shù)據(jù)速率外，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)是分布式、扁平化的，以消除網(wǎng)絡(luò)流量瓶頸和傳輸時(shí)延，并符合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征METIS:Mobileandwirelesscommunica-tionsEnablersfortheTwenty-twentyIn-formationSociety是由歐盟第七框架資助的一個(gè)研究計(jì)劃聯(lián)盟，致力于研究5G移動(dòng)通信的相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第32頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天未來(lái)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和趨勢(shì)基于云組網(wǎng)技術(shù)：將數(shù)據(jù)中心置于云平臺(tái)上，能在任意地點(diǎn)和各種終端方便獲取，涉及兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)：網(wǎng)絡(luò)功能從傳統(tǒng)的與硬件設(shè)備綁定改變?yōu)榛谠朴?jì)算的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，既可在核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，也可在接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，如構(gòu)建云接入網(wǎng)(cloud-RAN)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)：將控制面和數(shù)據(jù)面分離，其關(guān)鍵包括：1)如何為控制面和數(shù)據(jù)面實(shí)體之間提供一種開放接口；2)外部應(yīng)用如何調(diào)用和控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)體利用這兩項(xiàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)革命性改變第33頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天未來(lái)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和趨勢(shì)融入“人”的網(wǎng)絡(luò)（Everything-in-the-loop）用戶行為與需求成為網(wǎng)絡(luò)的一部分，并影響和改變網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和信息傳遞“群落化”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)用戶行為與需求，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)個(gè)類似生物學(xué)上的群落，形成邏輯群落，邏輯群落中具有頻繁的信息交互“聯(lián)邦”自治式網(wǎng)絡(luò)固定的物理位置(如寫字樓、商場(chǎng))或相對(duì)位置(如車聯(lián)網(wǎng))形成物理群落，物理群落具有一定的自主管控能力第34頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)MIMO：在收發(fā)兩端均配置多個(gè)天線單元，通過增加天線數(shù)量，獲得更大的信道自由度(除時(shí)域和頻域外，增加大量空域自由度)。

MIMO技術(shù)是上世紀(jì)90年代末的研究成果，2006年率先用于WiFi，隨后也用于3G系統(tǒng)(WiMAX)如果陣元間距滿足要求，通過交叉極化和角度配置，能保證信道矩陣統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，利用空間維度能實(shí)現(xiàn)復(fù)用和分集，支持高速數(shù)據(jù)傳輸MIMO系統(tǒng)能有效改善傳輸可靠性、頻譜效率和能量效率第35頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)在IEEE802.11n中，天線配置最多為4發(fā)4收IEEE802.11ac和LTE-A中，天線配置最多為8發(fā)8收在實(shí)際應(yīng)用中，由于移動(dòng)終端體積、重量、功耗等限制，一般配置1-2根天線在單用戶MIMO(SU-MIMO)系統(tǒng)中，天線數(shù)受限于終端，而在多用戶MIMO(MU-MIMO)系統(tǒng)中，可將多個(gè)用戶終端天線組合，克服天線數(shù)受限的瓶頸；在協(xié)作多點(diǎn)(CoMP)系統(tǒng)中，也可通過多個(gè)基站協(xié)作構(gòu)建MIMO系統(tǒng)第36頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO(massiveMIMO,large-scaleMIMO)：收發(fā)兩端配置多根天線，特別是在基站側(cè)配置大量天線單元，獲得空間自由度(DoF)，既能實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)空間復(fù)用(intra-cellspatialmultiplexing)，也能實(shí)現(xiàn)小區(qū)間干擾抑制(inter-cellinterferencemitigation)，提高頻譜效率和能量效率第37頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO技術(shù)優(yōu)勢(shì)：提高系統(tǒng)容量、頻譜效率和能量效率：大量基站天線能提供豐富的空間自由度，支持空分多址，基站能利用相同的時(shí)頻資源為數(shù)十個(gè)移動(dòng)終端提供接入服務(wù)；利用波束形成技術(shù)使發(fā)送信號(hào)具有良好的指向性，空間干擾??；利用天線增益降低發(fā)射功率、提高系統(tǒng)能效、減小電磁污染降低硬件成本，提高系統(tǒng)魯棒性：大規(guī)模MIMO總發(fā)射功率固定，單根天線的發(fā)射功率很小，選用低成本功放即可滿足要求；由于基站天線數(shù)量大，部分陣元故障不會(huì)對(duì)通信性能造成嚴(yán)重影響第38頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性：波束形成(下行預(yù)編碼)獲得的電波空間指向性能抑制多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)造成的衰落，降低數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)率簡(jiǎn)化多址接入?yún)f(xié)議：基于大規(guī)模MIMO+OFDMA，子載波信道增益基本相同，可省略資源調(diào)度，減少控制開銷；支持NOMA，基站利用相同的時(shí)頻資源為特定用戶發(fā)送分離信號(hào)第39頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)設(shè)計(jì)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)：基站部署大量天線單元，如何降低下行鏈路信道狀態(tài)信息估計(jì)開銷(TDD,信道互易性；FDD,反饋機(jī)制)？大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道響應(yīng)矩陣各元素不一定是獨(dú)立同分布的，即存在相關(guān)性和互耦效應(yīng)(MC)，會(huì)降低信道容量，且相關(guān)信道傳輸不支持最大比合并(MRC)和最大比發(fā)送(MRT)，如何解決？在多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，小區(qū)間導(dǎo)頻復(fù)用會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)頻污染，如何解決？(設(shè)計(jì)高效、合理的導(dǎo)頻分配機(jī)制)如何構(gòu)建信道模型？(非平穩(wěn)、三維、衰落)如何設(shè)計(jì)陣列結(jié)構(gòu)？(共形天線設(shè)計(jì))二維波束形成算法：水平面方位角和垂直面俯仰角形成三維定向波束第40頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天空間調(diào)制(SM)設(shè)計(jì)MIMO系統(tǒng)的難點(diǎn)：一是信道間干擾(相關(guān)、互耦)問題；二是天線間同步問題；三是大量無(wú)線鏈路造成的體積、成本和功耗問題空間調(diào)制(spatialmodulation)：一種新的MIMO技術(shù)，利用天線陣列的每根天線空間位置發(fā)送部分已編碼數(shù)據(jù)，即發(fā)送信號(hào)包括信號(hào)星座圖和天線位置星座圖，通過空間復(fù)用，提高數(shù)據(jù)速率。SM既具有較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，又不降低系統(tǒng)性能SM利用簡(jiǎn)單的調(diào)制和編碼機(jī)制就能實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度的收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)和高效的頻譜效率第41頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天空間調(diào)制(SM)空間調(diào)制原理：將信息比特映射到兩個(gè)信息載體單元中，一個(gè)信息載體單元是在數(shù)字星座圖中選取的數(shù)字調(diào)制符號(hào)，另一個(gè)信息載體單元是由發(fā)送天線組成的空間星座圖中選擇的發(fā)送天線序號(hào)任何時(shí)隙只有一根發(fā)射天線處于激活狀態(tài)：無(wú)信道間干擾、無(wú)需天線間同步，只需一個(gè)射頻鏈路通過建立天線位置與傳輸比特之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用陣元位置承載信息第42頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天空間調(diào)制(SM)將發(fā)送信號(hào)流按照比特分組，Nt為發(fā)射天線數(shù)，M為信號(hào)星座圖中的點(diǎn)數(shù)(與調(diào)制方式有關(guān))每組比特由SM映射器分為兩部分：和，分別用來(lái)選擇發(fā)射天線空間位置和數(shù)字星座圖中的符號(hào)，在被選天線執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)隙其他天線處于靜默狀態(tài)第43頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天同時(shí)同頻全雙工通信在傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，由于存在干擾，在相同頻段同時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)送是不可能的，即電臺(tái)在相同信道上只能工作于半雙工模式，要么發(fā)送，要么接收，不能同時(shí)收發(fā)為何同時(shí)同頻全雙工通信困難？主要原因是當(dāng)電臺(tái)發(fā)送信號(hào)時(shí)，其自身接收單元能收到部分信號(hào)功率，由于收發(fā)單元之間距離很近，這部分自干擾功率會(huì)比期望接收信號(hào)功率強(qiáng)得多(高100dB以上)，為了避免自干擾，電臺(tái)只能在同一信道上工作于半雙工狀態(tài)，無(wú)法同時(shí)收發(fā)第44頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天同時(shí)同頻全雙工通信利用自干擾抵消技術(shù)，Stanford大學(xué)和Rice大學(xué)設(shè)計(jì)了一種帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)全雙工通信的好處：增加鏈路容量頻譜虛擬化任意分雙工新型中繼方案簡(jiǎn)化干擾協(xié)調(diào)第45頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天毫米波和可見光通信關(guān)于毫米波通信：毫米波頻段位于30-300GHz范圍，20-30GHz頻段的傳播特性相對(duì)較好毫米波頻段一直未用于移動(dòng)通信的主要原因是：該頻段傳播特性差，路徑損失嚴(yán)重，受環(huán)境、氣候、溫度、濕度、氣壓等影響大，繞射能力和穿透能力差，加之嚴(yán)重的相位噪聲和昂貴的器件成本，該頻段僅用于超短距離無(wú)線傳輸，如在60GHz頻段構(gòu)建高速WiFi——WiGiG，在28,38,71-76和80-86GHz頻段構(gòu)建超短距離固定無(wú)線通信系統(tǒng)等但隨著半導(dǎo)體技術(shù)和工藝的發(fā)展和成熟，器件成本和功耗大幅降低，充分利用毫米波頻段的主要障礙僅剩下傳播特性問題，通過探尋有效的傳輸技術(shù)也能逐漸克服第46頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天毫米波和可見光通信路徑損失：大尺寸傳播模型(Friis公式)傳輸距離不變，頻率升高10倍(如從3GHz升高至30GHz)，路徑損失增大20dB此外，受氣壓、雨霧等影響，毫米波頻段還會(huì)有15dB/km的額外損失。缺點(diǎn)是傳輸距離進(jìn)一步縮短，優(yōu)點(diǎn)是在高密度異構(gòu)組網(wǎng)時(shí)，可降低對(duì)隔離度的要求第47頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天毫米波和可見光通信遮擋阻塞：毫米波的反射和繞射能力差，傳輸環(huán)境中存在阻礙物遮擋時(shí)會(huì)形成阻塞，必須基于LOS傳輸

實(shí)測(cè)結(jié)果表明：在LOS傳輸條件下，收發(fā)間距離增加10倍，路徑損失增加20dB，而在NLOS傳輸條件下，收發(fā)間距離增加10倍，路徑損失高達(dá)40dB，且還有15-40dB的附加阻塞損失

斯坦福大學(xué)提出的毫米波路徑損失模型第48頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天毫米波和可見光通信可見光通信：用LED作為信號(hào)發(fā)射器，用本征光電二極管(PD)或雪崩光電二極管(APD)作為信號(hào)接收器可見光通信既可用作照明，也可同時(shí)用于提供寬帶無(wú)線通信連接信息由光功率承載，OFDM光調(diào)制在發(fā)端基于強(qiáng)度調(diào)制(IM)，在收端采用直接檢測(cè)(DD)試驗(yàn)表明：?jiǎn)沃籐ED就能提供3.5Gbps的數(shù)據(jù)速率。由于可見光波長(zhǎng)較傳輸距離小得多，所以可見光通信幾乎不受快衰落影響在可見光通信中，現(xiàn)有的多址接入技術(shù)、干擾協(xié)調(diào)技術(shù)等是否可直接移植，尚需驗(yàn)證第49頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星