《移動通信概論》課件-移動通信課件-第10章

移動通信概論信息科學與技術學院授課人：xxx5G移動通信內容提要15G發(fā)展背景2

5G關鍵能力3

5G典型的應用場景 4

5G新技術5

5G的標準化進程5G發(fā)展背景未來的通信體驗：超高清、3D影像，浸入式視頻……5G發(fā)展背景未來的通信體驗：增強現(xiàn)實、云桌面、在線游戲……5G發(fā)展背景5G還將滲透到物聯(lián)網領域，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。5G發(fā)展背景未來全球移動通信網絡的設備總量將達到千億規(guī)模；到2020年，全球移動終端（不含物聯(lián)網設備）數(shù)量超過100億，其中中國超過20億。5G發(fā)展背景面向2020年及未來，移動數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)爆炸式增長；預計到2030年全球移動數(shù)據(jù)流量將增長2萬倍。5G發(fā)展背景面向未來，移動數(shù)據(jù)流量爆炸性增長，數(shù)以億計的設備接入網絡，各類新業(yè)務和應用場景不斷涌現(xiàn)；可以說，5G通信時代已經到來；在5G來臨之前，開發(fā)出新的通信技術以滿足如此迫切的業(yè)務需求。5G發(fā)展背景5G將使信息突破時空限制，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，零時延的使用體驗。5G的關鍵能力單位面積數(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倍支持海量設備連接：在一些場景下每平方公里通過5G移動網絡連接的器件數(shù)目達到100萬，相對4G增長100倍更低的延時和更高的可靠性：相對4G，時延縮短5-10倍，并提供真正的永遠在線體驗能耗：使網絡綜合的能耗效率提高1000倍，達到1000倍容量提升的同時保持能耗與現(xiàn)有網絡相當5G移動通信更加關注用戶的需求，并為用戶帶來新體驗：5G的關鍵能力花瓣代表了5G的六大性能指標；綠葉代表了5G的三個效率指標。5G之花5G關鍵能力1Gbps的用戶體驗速率，數(shù)十Gbps的峰值速率；毫秒級的端到端時延，支持500km/h的隨機移動性；每平方公里10萬部的設備連接，數(shù)十Tbps的流量密度。5G性能指標5G關鍵能力頻譜利用、能耗和成本是移動通信網絡可持續(xù)發(fā)展的三個關鍵因素；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。5G效率指標5G關鍵能力5G和4G的關鍵能力指標比較5G典型應用場景面向移動互聯(lián)網，兩個傳統(tǒng)技術場景連續(xù)廣域覆蓋熱點高容量面向物聯(lián)網業(yè)務，5G拓展的兩個場景低功耗大連接低延時高可靠5G將面臨多樣化應用場景帶來的挑戰(zhàn)5G典型應用場景該場景的主要挑戰(zhàn)在于如何隨時隨地為用戶提供每秒百兆比特的用戶體驗速率。連續(xù)廣域覆蓋5G典型應用場景每秒千兆比特的用戶體驗速率、每秒萬兆比特的峰值速率是該場景面臨的主要挑戰(zhàn)。熱點高容量5G典型應用場景低功耗大連接場景主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、智能農業(yè)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標的應用場景。低功耗大連接5G典型應用場景低延時高可靠場景主要面向車聯(lián)網、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應用需求。低延時高可靠5G典型應用場景5G將通過連接海量的移動終端設備，打破以人為中心的傳統(tǒng)通信方式，構架一個泛在連接網絡。5G這三大場景的實質是從傳統(tǒng)場景向未來新型應用場景的擴張，使得通信從“人與人”走向了“人與物”和“物與物”。概括圖示5G網絡架構5G網絡架構控制面協(xié)議棧用戶面協(xié)議棧5G新技術毫米波通信技術MassiveMIMO技術全雙工技術D2D通信超密集網絡新型多址技術技術軟件定義網絡（SDN）新型安全技術5G新技術支持5G關鍵性能指標的相應關鍵技術MassiveMIMO技術MassiveMIMO，在現(xiàn)有MIMO技術基礎上通過大規(guī)模增加發(fā)送端天線數(shù)目，以形成數(shù)十個獨立的空間數(shù)據(jù)流，使得多個用戶可以在同一時頻資源上與基站同時進行通信，從而大幅度提高頻譜效率，如下圖所示。大規(guī)模天線陣列技術的優(yōu)勢提高頻譜效率提高功率效率大幅度降低干擾簡化收發(fā)信機結構大規(guī)模天線陣列技術需要克服的難題導頻污染嚴重信道模型缺乏復雜度和性能兼?zhèn)涞乃惴ㄐ诺拦烙嬮_銷大MassiveMIMO技術毫米波通信技術現(xiàn)有的無線通信常用頻段已經擁擠不堪，并且很難在傳輸速率量級上實現(xiàn)突破。為滿足Gbps的高速無線傳輸，向更高的頻段進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，能夠滿足移動帶寬對容量和速率的需求。毫米波通信技術毫米波通信的優(yōu)勢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傳播損耗大繞射能力差雨衰效應嚴重毫米波通信技術毫米波段的大氣衰減情況傳統(tǒng)半雙通信技術不能在同一頻率上實現(xiàn)信號的同時收發(fā)，造成無線頻譜資源的極大浪費。全雙工通信技術同頻同時雙工技術是通過天線、射頻以及數(shù)字部分的干擾隔離和消除，實現(xiàn)在同一時隙和頻率上同時發(fā)送信號和接收信號。

理論上可以提高空口頻譜效率1倍，同時能夠帶來頻譜的更靈活分配和使用。同時同頻全雙工技術同時同頻全雙工技術同時同頻全雙工傳輸發(fā)送和接收的基本原理同時同頻全雙工技術同時同頻全雙工傳輸發(fā)送和接收的基本原理同時同頻全雙工技術全雙工技術的優(yōu)勢信道容量加倍降低反饋時延提高網絡的安全性提高頻譜使用靈活度全雙工技術需要克服的難題自干擾問題嚴重用戶間的相互干擾增加功率消耗和設備復雜度增大全雙工技術比較D2D通信技術隨著移動互聯(lián)網和社交網絡的日益發(fā)展，信息流向呈現(xiàn)熱點區(qū)域的局域化特點，業(yè)務的本地特性更加明顯，設備到設備（Device-to-Device，D2D）通信呼之欲出D2D通信是指當兩個移動終端距離很近時的直接進行通信的一種通信方式。D2D通信技術D2D技術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量，可能會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；復用用增益，即蜂窩系統(tǒng)的無線資源可能同時被蜂窩鏈路和D2D鏈路使用，提升系統(tǒng)的頻率復用效率；跳增益，相比于傳統(tǒng)的蜂窩設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。增益圖示圖示D2D通信技術相鄰小區(qū)間的D2D通信增益圖示圖示D2D通信技術這樣，直觀上，我們可以獲得下面這些好處：鄰近位置增益增益圖示D2D通信技術這樣，直觀上，我們可以獲得下面這些好處：鄰近位置增益復用增益增益圖示D2D通信技術這樣，直觀上，我們可以獲得下面這些好處：鄰近位置增益、復用增益、跳增益1213增益圖示D2D通信技術D2D通信技術D2D技術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D2D通信技術D2D通信的潛在應用場景：圖1.5D2D通信潛在應用場景示意圖[5]超密集網絡技術隨著智能手機和移動電腦等移動設備的廣泛使用，無線數(shù)據(jù)流量持續(xù)快速增長，僅靠無線物理層技術難以解決數(shù)據(jù)量急劇增長和頻譜資源緊缺的雙重難題。UDN通過部署更加“密集化”的無線接入點等基礎設施，以獲得更高頻率復用效率，在局部熱點地區(qū)實現(xiàn)成百倍系統(tǒng)容量的提升。密集蜂窩網絡的優(yōu)勢密集蜂窩網絡適于解決室內容量的需求問題。小蜂窩可以分擔一部分宏蜂窩的負載，降低了移動設備與基站的能耗。部署小蜂窩的成本花費遠遠低于宏蜂窩。超密集網絡技術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部署對于核心網絡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絡技術從1G到4G中所采用的多址技術看，主流多址方式是正交多址。5G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。非正交多址技術不僅能進一步增強頻譜效率，也是逼近多用戶信道容量界的有效手段。出現(xiàn)了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PNMA原理示意圖新型多址技術原理：在發(fā)送端采用功率復用，對不同的用戶分配不同的功率；在接收端采用逐級刪除干擾策略，實現(xiàn)多個用戶信號的分離。軟件定義網絡（SDN）SDN是一種全新的網絡架構，其核心理念是轉發(fā)與控制分離、集中控制、開放可編程，它可通過OpenFlow接口協(xié)議將網絡設備控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，進而實現(xiàn)網絡流量的靈活控制，并通過開放和可編程接口實現(xiàn)“軟件定義”。SDN簡化了網絡架構，為移動通信網絡發(fā)展帶來了新的思路。新型安全技術-物理層安全技術5G的多樣化安全性需求—物理層安全的應用契機這些多樣化的安全性需求將會給5G時代的安全機制帶來革命性的變化。物理層安全技術具有無需密鑰分發(fā)和管理、不依賴于計算復雜度、獨立于上層應用等優(yōu)勢，可望在5G及后5G中應用。海量設備連接場景下設計物理層安全傳輸方法應以低復雜度為前提。為保證低復雜度，機會發(fā)送策略和自動重傳策略是經常被采用的傳輸策略。5G場景下開放式、動態(tài)化的復雜網絡結構，增加了節(jié)點數(shù)量不確定性和節(jié)點位置隨機性，應用場景的復雜性極大地增加了物聯(lián)網下竊聽場景的建模難度。物聯(lián)網是5G的