5G通信關(guān)鍵技術(shù)

1、5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)小談移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)小談楊亞飛楊亞飛 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院海南大學(xué)2015年10月13日 5G關(guān)鍵傳輸技術(shù)介紹關(guān)鍵傳輸技術(shù)介紹 打開(kāi)打開(kāi)5G通信技術(shù)的面紗通信技術(shù)的面紗提綱提綱 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ)5G通信發(fā)展的動(dòng)力通信發(fā)展的動(dòng)力 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展的兩大驅(qū)動(dòng)力移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展的兩大驅(qū)動(dòng)力5G通信簡(jiǎn)介通信簡(jiǎn)介 按照業(yè)內(nèi)初步按照業(yè)內(nèi)初步5G5G，第五代移動(dòng)通信技術(shù)，也是，第五代移動(dòng)通信技術(shù)，也是4G4G之后的延伸，之后的延伸，目前正在研究中。目前還沒(méi)有任何電信公司或標(biāo)準(zhǔn)訂定組織目前正在研究中。目前還沒(méi)有任何電信公司或標(biāo)準(zhǔn)訂定組織（像（像3GPP3GP

2、P、WiMAXWiMAX論壇及論壇及ITU-RITU-R）的公開(kāi)規(guī)格或官方文件有提）的公開(kāi)規(guī)格或官方文件有提到到5G5G。 按照業(yè)內(nèi)初步按照業(yè)內(nèi)初步估計(jì)，包括估計(jì)，包括5G5G在內(nèi)的未來(lái)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能在內(nèi)的未來(lái)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能力的提升將在力的提升將在3 3個(gè)維度上同時(shí)進(jìn)行個(gè)維度上同時(shí)進(jìn)行: : 1)1)通過(guò)引入新的無(wú)線傳輸技術(shù)將資源利用率在通過(guò)引入新的無(wú)線傳輸技術(shù)將資源利用率在4G4G的基礎(chǔ)上提的基礎(chǔ)上提高高1010倍以上倍以上; ; 2)2)通過(guò)引入新的體系結(jié)構(gòu)通過(guò)引入新的體系結(jié)構(gòu)( (如超密集小區(qū)結(jié)構(gòu)等如超密集小區(qū)結(jié)構(gòu)等) )和更加深度和更加深度的智能化能力將整個(gè)系統(tǒng)的吞吐率提高的智

3、能化能力將整個(gè)系統(tǒng)的吞吐率提高2525倍左右倍左右; ; 3)3)進(jìn)一步挖掘新的頻率資源進(jìn)一步挖掘新的頻率資源( (如高頻段、毫米波與可見(jiàn)光等如高頻段、毫米波與可見(jiàn)光等),),使未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信的頻率資源擴(kuò)展使未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信的頻率資源擴(kuò)展4 4倍左右倍左右. .GSMNSSTD-SCDMAWCDMACDMA-2000GPRS Core NetworkLTE-AWiMAXSAE5G4G3G2G5G發(fā)展需求發(fā)展需求 為了為了實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)5G5G發(fā)展目標(biāo)，需要什么發(fā)展目標(biāo)，需要什么關(guān)鍵關(guān)鍵技術(shù)？技術(shù)？5G通信性能的提升不是單靠一種技術(shù)，需要多種技術(shù)相互配合共同實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)總覽總覽高高

4、頻頻段段傳傳輸輸新新型型多多天天線線傳傳輸輸5G通信關(guān)鍵技術(shù)同同時(shí)時(shí)同同頻頻全全雙雙工工密密集集網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)覆覆蓋蓋技技術(shù)術(shù)D2D技術(shù)新新型型網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)架架構(gòu)構(gòu)關(guān)鍵傳輸技術(shù)（關(guān)鍵傳輸技術(shù)（1）高高頻段傳輸頻段傳輸 移動(dòng)通信傳統(tǒng)工作頻段主要集中在移動(dòng)通信傳統(tǒng)工作頻段主要集中在3GHz3GHz以下，這使得頻譜以下，這使得頻譜資源十分擁擠，而在高頻段資源十分擁擠，而在高頻段( (如毫米波、厘米波頻段如毫米波、厘米波頻段) )可用可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信，支持實(shí)現(xiàn)極高速短距離通信，支持5G5G容量和傳輸速率等

5、方面的容量和傳輸速率等方面的需求需求。 高頻段在移動(dòng)通信中的應(yīng)用是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，業(yè)界對(duì)此高頻段在移動(dòng)通信中的應(yīng)用是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，業(yè)界對(duì)此高度關(guān)注。足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高度關(guān)注。足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益是高頻段毫米波移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)，但也高的天線增益是高頻段毫米波移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)，但也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點(diǎn)。射頻器件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的問(wèn)題也有待進(jìn)一響等缺點(diǎn)。射頻器件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的問(wèn)題也有待進(jìn)一步研究和解決。步研究和解決。關(guān)鍵關(guān)鍵傳輸技術(shù)傳輸技術(shù)（1）高

6、頻段傳輸高頻段傳輸03GHz6GHz60GHz2G/3G/4G re-farmingWRC-15 AI 1.2 candidate bands below 6GHz Potential bands above 6GHz for 2020s Global interest bands for WRC-156GHz)頻譜分配原則優(yōu)先保障移動(dòng)通信的頻譜資源技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)500MHz帶寬可用能與其他系統(tǒng)共存增加帶寬是增加容量和傳輸速率最直接的方法6GHz以下頻譜資源稀缺6GHz以上頻譜資源豐富關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)（1）高頻段傳輸高頻段傳輸 可用頻帶寬，可提供幾十GHz帶寬 波束集中，提高能效

7、方向性好，受干擾影響小優(yōu)勢(shì) 路徑損耗大，不適合遠(yuǎn)程通信 受空氣和雨水等影響較大 繞射能力差，NLOS受限 如何實(shí)現(xiàn)隨機(jī)接入 硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高（例如高速A/D和D/A的設(shè)計(jì)有很大挑戰(zhàn)）挑戰(zhàn) 高頻段帶寬資源尚待開(kāi)發(fā) 60GHz頻段毫米波 (mmWave, 30300 GHz, 110 mm, 廣義毫米波包含2030 GHz)10400 GHz頻段大氣衰減衛(wèi)星軍事 毫米波毫米波通信通信開(kāi)發(fā)高頻段開(kāi)發(fā)高頻段p 毫米波可用于室內(nèi)短距離通信，也可為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)提供Backhaul鏈路關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)（1）高頻段傳輸高頻段傳輸 毫米波通信技術(shù)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)10Gbps的傳輸速率 據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)毫米波

8、通信速率可快于光纖速率（faster than fiber）J. Wells, Faster than fiber: The future of multi-G/s wireless, IEEE Microwave Magazine, vol. 10, pp. 104-112, 2009.40GHz以上頻段分配的商用帶寬達(dá)幾十GHz。商用帶寬分配，40GHz以下比較窄p 要實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，需要更高的載波頻譜10GHz以下頻段，僅能達(dá)到幾十Mbps10-40GHz頻段，僅能達(dá)到幾百M(fèi)bps60-80GHz頻段，可達(dá)1Gbps100GHz以上，可達(dá)10Gbps 毫米波毫米波通信通信開(kāi)發(fā)高頻段開(kāi)

9、發(fā)高頻段關(guān)鍵傳輸關(guān)鍵傳輸技術(shù)（技術(shù)（2）新型多天線傳輸新型多天線傳輸技術(shù)技術(shù)大規(guī)模天線：基站使用大規(guī)模天線陣列（幾十甚至上百根天線）支持SISO，22MIMO，44MIMO。下行峰值速率100Mb/s。支持22MIMO，下行峰值速率42Mb/s最多支持88MIMO，下行峰值速率1Gb/s只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/s MIMOMIMO技術(shù)的演進(jìn)技術(shù)的演進(jìn)關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)（2）新型多天線傳輸新型多天線傳輸技術(shù)技術(shù)何為大規(guī)模天線：大量天線為相對(duì)少的用戶提供同傳服務(wù)系統(tǒng)容量10倍100倍能量效率發(fā)射能量 大規(guī)模天線大規(guī)模天線有效提高譜效率 系統(tǒng)容量和能量效率大幅度提升 上行和下

10、行發(fā)射能量都將減少 用戶間信道正交，干擾和噪聲將被消除 信道的統(tǒng)計(jì)特性趨于穩(wěn)定優(yōu)勢(shì) 信道狀態(tài)信息獲取（導(dǎo)頻污染問(wèn)題） 信道測(cè)量與建模（不同場(chǎng)景信道） 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)計(jì)（降低復(fù)雜度） 天線單元及陣列設(shè)計(jì)（低能耗天線）挑戰(zhàn)p 大規(guī)模天線被公認(rèn)為5G關(guān)鍵技術(shù)之一關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)（2）新型多天線新型多天線傳輸傳輸技術(shù)技術(shù) 大規(guī)模天線應(yīng)用場(chǎng)景：中心大規(guī)模天線應(yīng)用場(chǎng)景：中心式天線系統(tǒng)式天線系統(tǒng) 適用于宏蜂窩小區(qū)，中心基站使用大規(guī)模天線 微小區(qū)為大部分用戶提供服務(wù)，而大規(guī)模天線基站為微小區(qū)范圍外的用戶提供服務(wù)，同時(shí)對(duì)微小區(qū)進(jìn)行控制和調(diào)度（demo: NTT docomo）關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)（

11、2）新型多天線傳輸新型多天線傳輸技術(shù)技術(shù) 大規(guī)模天線應(yīng)用場(chǎng)景：大規(guī)模天線應(yīng)用場(chǎng)景：分布式分布式天線系統(tǒng)天線系統(tǒng) 多根天線分布在區(qū)域內(nèi)聯(lián)合處理(C-RAN) 適用于高用戶密度或者室內(nèi)場(chǎng)景關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)（3）同時(shí)同頻全雙工同時(shí)同頻全雙工概念 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)：是指設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)占用相同的頻率資源同時(shí)進(jìn)行工作，使得通信雙方在上、下行可以在相同時(shí)間使用相同的頻率，突破了現(xiàn)有的頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）模式，是通信節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)雙向通信的關(guān)鍵之一。關(guān)鍵傳輸技術(shù)（關(guān)鍵傳輸技術(shù)（3）同時(shí)同頻全雙工同時(shí)同頻全雙工全雙工技術(shù)面臨的全雙工技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)挑戰(zhàn) 采用采用同時(shí)同頻全雙工無(wú)線系統(tǒng)，

12、同時(shí)同頻全雙工無(wú)線系統(tǒng)，所有同時(shí)同頻發(fā)射節(jié)點(diǎn)對(duì)于非目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)都是干擾源，同時(shí)同頻發(fā)所有同時(shí)同頻發(fā)射節(jié)點(diǎn)對(duì)于非目標(biāo)接收節(jié)點(diǎn)都是干擾源，同時(shí)同頻發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)會(huì)對(duì)本地接收機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)自干擾，因此射機(jī)的發(fā)射信號(hào)會(huì)對(duì)本地接收機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)自干擾，因此同時(shí)同頻全雙工同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)的應(yīng)用關(guān)鍵在于干擾的有效消除系統(tǒng)的應(yīng)用關(guān)鍵在于干擾的有效消除。關(guān)鍵傳輸技術(shù)（關(guān)鍵傳輸技術(shù)（3）同時(shí)同頻全雙工同時(shí)同頻全雙工干擾消除干擾消除技術(shù)技術(shù) 在在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)場(chǎng)景同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)的自干擾點(diǎn)對(duì)點(diǎn)場(chǎng)景同時(shí)同頻全雙工系統(tǒng)的自干擾消除研消除研究中究中，根據(jù)干擾消除方式和位置的不同，有三種自，根據(jù)干擾消除方式和位置的不同，有三種自干擾消除

13、技術(shù)：干擾消除技術(shù)：天線干擾消除天線干擾消除射頻干擾消除射頻干擾消除數(shù)字干擾消除數(shù)字干擾消除關(guān)鍵傳輸關(guān)鍵傳輸技術(shù)（技術(shù)（4）D2D技術(shù)技術(shù)傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式：以基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中以基站為中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋，而基站及中繼站無(wú)法移動(dòng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在靈活度上有繼站無(wú)法移動(dòng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在靈活度上有一定的限制。隨著無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)不斷增一定的限制。隨著無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)不斷增多，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)提供方式多，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)提供方式已無(wú)法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)已無(wú)法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求需求。如如圖所示：圖所示：關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)

14、鍵傳輸技術(shù)（4）D2D通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式：通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式： D2DD2D技術(shù)無(wú)需借助基站的幫助就能夠?qū)嵓夹g(shù)無(wú)需借助基站的幫助就能夠?qū)崿F(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展網(wǎng)現(xiàn)通信終端之間的直接通信，拓展網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。由于短距離直接絡(luò)連接和接入方式。由于短距離直接通信，信道質(zhì)量高，通信，信道質(zhì)量高，D2DD2D能夠?qū)崿F(xiàn)較高能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和較低的功的數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和較低的功耗耗; ;通過(guò)廣泛分布的終端，能夠改善覆通過(guò)廣泛分布的終端，能夠改善覆蓋，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用蓋，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用; ;支持更支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提升鏈靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提

15、升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。 目前目前，D2DD2D采用廣播、組播和單播技術(shù)采用廣播、組播和單播技術(shù)方案，未來(lái)將發(fā)展其增強(qiáng)技術(shù)，包括方案，未來(lái)將發(fā)展其增強(qiáng)技術(shù)，包括基于基于D2DD2D的中繼技術(shù)、多天線技術(shù)和聯(lián)的中繼技術(shù)、多天線技術(shù)和聯(lián)合編碼技術(shù)等。蜂窩網(wǎng)中的合編碼技術(shù)等。蜂窩網(wǎng)中的 D2D D2D 通信通信示意圖如下示意圖如下：關(guān)鍵傳輸技術(shù)（關(guān)鍵傳輸技術(shù)（5）密集網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)密集網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù) 密集組網(wǎng)密集組網(wǎng)（UDNUDN）、異構(gòu)結(jié)構(gòu)異構(gòu)結(jié)構(gòu)（HetNetsHetNets）、）、中心式云后臺(tái)中心式云后臺(tái)（CloudCloud）是）是5G5G網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)的共識(shí)。網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)的

16、共識(shí)。密集異構(gòu)中心式云后臺(tái)使無(wú)線通信回歸到“最后一公里”拉近用戶與天線的距離，提高速率增強(qiáng)服務(wù)覆蓋面積大量不同級(jí)小區(qū)重疊（Macro、Micro、Pico、Femto）不同制式的網(wǎng)絡(luò)重疊（Cellular、Wi-Fi、D2D、CR、M2M）Remote Radio Head（RRH）與基帶處理單元分離SDN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)協(xié)議接口基帶信號(hào)資源的集中化管理與調(diào)度關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)（5）密集網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)密集網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù) 應(yīng)用場(chǎng)景：應(yīng)用場(chǎng)景：DHS (Dense+Heterogeneous+DHS (Dense+Heterogeneous+SeperatedSeperated) ) C.-X. Wan

17、g, F. Haider, X. Gao, X.-H. You, Y. Yang, D. Yuan, H. Aggoune, H. Haas, S. Fletcher, and E. Hepsaydir, “Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. 2, Feb. 2014室內(nèi)室外分離室內(nèi)利用短距離傳輸技術(shù)，可顯著減少信號(hào)衰落，提升傳輸速率毫米波和可見(jiàn)光可被墻壁阻擋，顯著降低小區(qū)間干擾室內(nèi)設(shè)備不會(huì)對(duì)室外設(shè)備

18、造成干擾截至2014年12月11日，被引用32次(谷歌學(xué)術(shù))關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)（6）新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多接入技術(shù)多接入技術(shù)并存并存超密小區(qū)超密小區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合融合云計(jì)算云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)絡(luò)智能彈性資源彈性資源管理管理5G網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)趨勢(shì)趨勢(shì)成本有效性網(wǎng)絡(luò)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)思路變革Radio Network ControllerOS關(guān)鍵傳輸技術(shù)關(guān)鍵傳輸技術(shù)（6）新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Network ManagementOSNetworkDeviceDriver4G數(shù)據(jù)/控制平面分離控制中心化Network ManagementOSNetworkDeviceDriverNetwork ManagementOSNetworkDeviceDriverCloud5G虛擬化IaaS大數(shù)據(jù)2G/3