第五代移動通信課件

1、網(wǎng)絡體系架構及其關鍵技術信息工程學院電子與通信工程 陸蔚相關專業(yè)名詞縮寫解釋相關專業(yè)名詞縮寫解釋移動通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程移動通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程5G5G網(wǎng)絡的主要走向網(wǎng)絡的主要走向5G5G網(wǎng)絡的構架網(wǎng)絡的構架5G網(wǎng)絡的關鍵技術網(wǎng)絡的關鍵技術結語結語文獻引用文獻引用AMPS: Advanced Mobile Phone System高級移動電話系統(tǒng)DAMPS: Digital AMPS數(shù)字化高級移動電話系統(tǒng)TACS: Total Access Communications System全向通信系統(tǒng)NMT: Nordic Mobile Telephony北歐移動電話FDMA：frequency div

2、ision multiple access頻分多址TDMA: time division multiple access時分多址CDMA: Code Division Multiple Access碼分多址GSM: Global System for Mobile Communication全球移動通信系統(tǒng)PHS: Personal Handy-phone System個人手持式電話系統(tǒng)PACS: Personal Access Communication System個人接入通信系統(tǒng)WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access寬帶碼分多址TD-S

3、CDMA: Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access時分同步碼分多址CDMA2000: Code Division Multiple Access 20003G移動通訊標準OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交頻分復用技術LTE: Long Term Evolution長期演進技術LTE-Advanced: LTE技術的演進Wimax: Worldwide Interoperability for Microwave Access全球微波互聯(lián)接入Wireless

4、MAN: WiMax的802.16系列標準D2D: DevicetoDevice CommunicationMIMO: Multiple-Input Multiple-Output多入多出技術NOMA: Nonorthogonal Multiple Access非正交多址接入Femtocell: 家庭基站，又稱“飛蜂窩”，“毫微微小區(qū)”BBU: Base Band Unit基帶處理單元模擬調(diào)制接入方式：FDMA典型系統(tǒng)：AMPSTACSNMT20世紀70年代中期至80年代中期數(shù)字調(diào)制接入方式：TDMA、CDMA典型系統(tǒng)：GSMPHSPACSDAMPS20世紀80年代中期至20世紀末系統(tǒng)標準：W

5、CDMATD-SCDMACDMA20002008年運營接入方式：OFDMA標準：LTE、LTE-Advanced、Wimax、Wireless MAN2013年運營2013年運營ITU關于5G的八大關鍵性能指標（1）峰值速率數(shù)十Gbit/s；（2）用戶體驗速率0.11 Gbit/s；（3）頻譜效率相比IMT-Advanced提升3倍以上；（4）移動性支持500km/h；（5）時延1m/s；（6）終端連接數(shù)106/km2（7）網(wǎng)絡能量效率較IMT-Advanced提升100倍以上；（8）數(shù)據(jù)容量10Mbits/m2。未來5G網(wǎng)絡的總體趨勢1（1）無線接入技術的演進無線接入技術的演進。從頻分/時分

6、和寬帶碼分多址變化為正交頻分多址接入（OFDMA），演進到5G時，可能采用非正交多址接入（NOMA）。這個方向主要是改善資源的利用率。（2）蜂窩覆蓋范圍逐漸減小蜂窩覆蓋范圍逐漸減小。蜂窩覆蓋范圍的縮小是未來網(wǎng)絡發(fā)展的一個趨勢。小蜂窩的隨機部署特性，不可避免地會小蜂窩的密集分布甚至超密集分布。由此推斷，5G必然是一個超密集網(wǎng)絡。（3）異構性異構性2?；旌蠀f(xié)同使用不同覆蓋范圍的蜂窩和不同技術特征的接入點。（4）智能化智能化。在保障用戶體驗的前提下，能夠為異構網(wǎng)絡的部署提供節(jié)省能源3和成本的解決方案。（自組織網(wǎng)絡、軟件定義化網(wǎng)絡、軟件定義無線電、云接入）非正交多址接入技術NOMANOMA在OFDM的

7、基礎上引入新的維度功率域。NOMA中，子信道傳輸依然采用OFDM技術，而同一個信道將是多用戶共享，而不是只分配給一個單一用戶。同一個子信道按照相關的算法分配給不同的用戶進行功率復用，而分配給每個用戶的功率根據(jù)算法計算分配。在接收機端，SIC接收機根據(jù)每個用戶不同的信號功率進行逐個判別逐級消除干擾，實現(xiàn)信號的正確解調(diào)。NOMA系統(tǒng)中，當用戶復用數(shù)為2時，接收端SIC解碼過程如圖所示，由于UE1的信道條件相較于UE2的信道條件好，因此先對UE2的信號進行解碼即可恢復出UE2的信號；在恢復UE1的信號時，需要先恢復UE2信號，然后從接收信號中消除UE2信號，最后再檢測UE1。UE1，UE2的吞吐量如

8、下：從公式可以看出，功率分配能夠極大影響系統(tǒng)吞吐量，并決定所使用的調(diào)制編碼方案?；就ㄟ^調(diào)整功率分配比P1/P2，可以靈活地控制每個用戶的吞吐量。整個小區(qū)的吞吐量、邊緣用戶的吞吐量以及用戶公平性都與功率分配方案有著密切關系。NOMA技術三個主要特點（1）接收端主要采用串行干擾刪除技術（2）發(fā)送端采用功率域復用技術（3）不依賴用戶反饋信道狀態(tài)信息異構性 在超密集無線異構網(wǎng)絡中，多種無線接入技術共存，大/小基站多層覆蓋，既有負責基礎覆蓋的在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡中所使用的宏基站，也有承擔熱點覆蓋的低功率小基站，如micro、pico、delay、femto等。智能化 參考文獻顯示運營商正面臨著入不敷出的嚴峻

9、局面，在2G、3G時代主要依靠增加覆蓋區(qū)域和提高數(shù)據(jù)速率等盈利方式難以為繼，節(jié)能已成為今后盈利的主要方式。 IMT-2020發(fā)布的5G愿景與需求白皮書明確期望，5G相比于4G通信系統(tǒng)在頻譜效率方面須提高5-15倍，在能量效率方面須實現(xiàn)100倍以上的提升。 因此，要在保障用戶體驗的前提下，能夠為異構網(wǎng)絡的部署提供節(jié)省能源3和成本的解決方案。（自組織網(wǎng)絡、軟件定義化網(wǎng)絡、軟件定義無線電、云接入）一個典型的UMTS基站消耗800-1500W，單射頻輸出功率僅有20-40W。5G網(wǎng)絡架構5G網(wǎng)絡架構網(wǎng)絡部署場景核心網(wǎng)接入網(wǎng)網(wǎng)絡場景部署室外借助分布式天線（DAS）和大規(guī)模MIMO配備基站，二者通過光纖連

10、接起來室內(nèi)與安裝在室外建筑的大型天線陣列的室內(nèi)AP進行通信移動事物（如終端）部署Mobile Femtocell,可以動態(tài)地改變其到運營商核心網(wǎng)絡的連接。同時，部署虛擬蜂窩作為宏蜂窩的補充，提高了室外覆蓋率。利用多種適用于短距離通信的技術實現(xiàn)高速率傳輸，比如60GHz毫米波通信，可以解決頻譜稀缺問題1、從室外大規(guī)模天線與基站。主要使用Massive MIMO技術，Massive MIMO通過接收端的多天線同時首發(fā)，使數(shù)據(jù)在發(fā)端和收端的多天線之間同時傳輸多數(shù)據(jù)流。2、從用戶到室內(nèi)無線接入點的通信。把室內(nèi)用戶與無線接入點之間的通信變成近距離通信，因此，許多近距離通信技術可以利用。如：可見光通信、毫

11、米波通信，WI-FI，無線Gigabit（WI Gig）技術等。接入網(wǎng)異構多接入技術的融合基站資源的虛擬化內(nèi)容邊緣緩存和投遞傳輸路徑優(yōu)化，數(shù)據(jù)平面扁平化用一個單一無線控制器SRC進行操作，對SRC有3點要求：增強現(xiàn)有接口；SRC向后兼容；SRC不會影響傳統(tǒng)的空中接口在集中式基站部署上，基帶處理單元BBU的基帶處理逐漸由SDR實現(xiàn)，在原有C-RAN4上演進到基于實時云架構的虛擬化基站，實現(xiàn)頻譜資源的動態(tài)調(diào)度。通過基帶池中BBU與配置的遠端射頻單元協(xié)作工作，可以實現(xiàn)統(tǒng)一平臺上的多種網(wǎng)絡功能。將內(nèi)容存儲和分發(fā)能力下沉到接入網(wǎng)，基于對用戶的感知5，按需推送內(nèi)容，提升用戶業(yè)務體驗。核心網(wǎng)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離物

12、理硬件與邏輯分離對業(yè)務的感知，支持動態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸策略數(shù)據(jù)平面扁平化在控制平面中，集中式網(wǎng)絡控制器負責把網(wǎng)絡分離后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面上的流量分配給網(wǎng)絡元件，實現(xiàn)拓撲感知、路由決策和協(xié)議等功能。利用IT虛擬化技術，將核心網(wǎng)設備遷移到高性能服務器，將核心網(wǎng)網(wǎng)元功能從專用硬件移植到通用虛擬機平臺。5G關鍵技術超密集異構網(wǎng)絡部署D2D通信大規(guī)模MIMO綠色通信超密集異構網(wǎng)絡部署超密集異構網(wǎng)絡部署密集組網(wǎng)下的LTE-B異構部署場景為應對未來持續(xù)增長的數(shù)據(jù)業(yè)務需求，密集異構網(wǎng)絡部署將會成為當前無線通信發(fā)展所面臨挑戰(zhàn)的一種解決方案6。幾種Small cell的介紹：（1）Femtocell：是所有異構Small

13、cell里覆蓋范圍最小，發(fā)射功率最低，支持用戶數(shù)最少的網(wǎng)絡節(jié)點，它通過Internet和標準的IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到運營商的核心網(wǎng)。它有提高服務質(zhì)量降低運營商成本等特點。（2）Picocell：比Femtocell有著更大的發(fā)射功率和更廣的覆蓋范圍。對于所有用戶終端的接入都是開放性的。常用于辦公樓、教學樓、大型商場、商業(yè)區(qū)等區(qū)域及大型室內(nèi)場所。（3）Microcell：是基于開放性接入控制的網(wǎng)絡類型，一般具有更大的覆蓋范圍或更大的發(fā)射功率。主要被用于城鄉(xiāng)環(huán)境中，通常被用于擴展覆蓋范圍而不是卸載Marco cell流量。D2D（device to device）通信）通信蜂窩網(wǎng)絡中的D2D通信Dev

14、ice-to-Device，簡稱D2D，是計算機專業(yè)術語，指設備到設備。Device-to-Device通信是一種在系統(tǒng)的控制下，允許終端之間通過復用小區(qū)資源直接進行通信的新型技術通信過程通信過程：用戶向基站提出D2D 通信的請求，基站接收到請求后將用戶的通信方式切換到D2D 連接模式混合波段D2D通信示意圖基站發(fā)現(xiàn)在其小區(qū)內(nèi)，存在用戶D2D設備A希望進行通信，隨即在小區(qū)內(nèi)進行廣播D2D鏈路設置信息給所有用戶，希望找到D2D接收機。D2D接收機設備B把信息反饋于基站，基站開始準備波束對準過程?；就ㄟ^波束對準協(xié)議波束對準協(xié)議后，判斷通信鏈路為視距傳輸，將會通知D2D用戶對在毫米波波段進行通信，

15、如果通信鏈路有障礙或者距離太長不適宜毫米波通信，D2D對會被告知采用毫米波波段進行通信。大規(guī)模大規(guī)模MIMOMIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量網(wǎng)絡吞吐量趨勢近二十年，5G無線通信需求主要通過空中接口和頻譜資源獲得，分別提供20X左右和25X左右容量提升需求，再后來的二十年，系統(tǒng)容量的提升將分別通過網(wǎng)絡設備和頻譜資源獲得，分別提供40X-50X和5X-10X容量的提升。MIMO天線系統(tǒng)的傳輸模型假設系統(tǒng)為N發(fā)M收的MIMO系統(tǒng)，發(fā)射端裝有N根天

16、線，接收端裝配M根天線。則xi（i=1,2N）表示第i個發(fā)射天線的發(fā)射信號，rj（j=1,2M）表示第j個接收天線的接收信號。Hij表示第i根天線與第j根接收天線間的信道衰落系數(shù)。并且假設接收端噪聲信號nj是零均值復高斯變量，不同噪聲信號間互相獨立，且發(fā)射信號之間也互相獨立。每根接收天線收到的噪聲信號功率相同，信道是服從獨立同分布的瑞利衰落信道。大規(guī)模MIMO特點（1）在節(jié)點方面是可擴展技術）在節(jié)點方面是可擴展技術4G在許多方面不可擴展，因為方位定向天線的空間有限，并且傳播時角度擴散是不可避免的，也就是說天線數(shù)量與設備數(shù)量必須相匹配。然而，通過上行導頻采用時分雙工進行信道估計，大規(guī)模MIMO中

17、基站天線數(shù)量沒有限制。（2）能促使新的部署和架構產(chǎn)生）能促使新的部署和架構產(chǎn)生盡管人們可以設想直接用低增益諧振天線陣列代替宏基站，但是其他部署也是有可能的，如在農(nóng)村地區(qū)的水箱表面或摩天大樓的外墻部署共形天線陣列。面臨的挑戰(zhàn)（1）信道估計是關鍵，是局限性的主要來源）信道估計是關鍵，是局限性的主要來源用戶運動使相干間隔有限，在此期間必須獲得利用信道的條件，因此分配給設備的正交導頻序列的數(shù)量有限。（2）導頻序列的復用會造成導頻污染和相干干擾，并隨）導頻序列的復用會造成導頻污染和相干干擾，并隨著天線數(shù)目的增加而加重著天線數(shù)目的增加而加重從實現(xiàn)的角度來看，大規(guī)模MIMO可以通過每個低成本、低功耗天線模塊

18、的半資質(zhì)功能實現(xiàn)，但仍需相當大的努力，以證明該解決方案的成本效益。綠色通信綠色通信智能化的引入，能夠在保障用戶體驗的前提下為異構網(wǎng)絡的部署提供節(jié)能的解決方案。統(tǒng)計結果表明，信息和通信技術產(chǎn)業(yè)占全球能源消耗的10%，而在無線網(wǎng)絡中，基站的能源消耗占網(wǎng)絡全部能耗的50%以上，因此綠色通信必定是5G的研究方向12，也是重中之重。實現(xiàn)的方法：（1）降低單個基站的能耗；（2）從網(wǎng)絡調(diào)度入手，使網(wǎng)絡可以根據(jù)根據(jù)服務區(qū)內(nèi)用戶業(yè)務量的變化，動態(tài)地進行資源調(diào)度及功率控制；（3）優(yōu)化網(wǎng)絡部署及網(wǎng)絡拓撲結構；介紹了移動通信的發(fā)展歷程，介紹了5G的網(wǎng)絡架構，并基于此架構探討了四大研究方向，此研究方向被國內(nèi)外大多數(shù)權威

19、性組織認為是未來5G的關鍵技術。5G的研究和發(fā)展對提高我國在信息領域的國際地位，帶動相關產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展具有重要的意義。1 DEMESTICHAS P, GEORGAKOPOULOS A, KARVOUNAS D, et al. 5G on the Horizon:Key Challenges for the Radio-Access Network J. IEEE vehicular technology Magazine,2013, 8(3): 47-53.2 Third(3rd) Generation Partnership Project (3GPP) EB/OL.(2013-05-02

20、) 2014-02-21..3 OLSSON M, CAVDAR C, FRENGER P, et al. 5GrEEn: Towards Green 5G mobile networks C.4 C-RAN: The Road Towards Green RAN, white paper, v.2.5 S. Beijing, China: China Mobile Research Inst, 2011.5 林濤，唐暉， 侯自強. 內(nèi)容感知網(wǎng)絡架構J. 中興通訊技術, 2011,17(2):7-9.6 HOYDIS J, KOBAYASHI M, DEBB

21、AH M. Green smallcell networksJ. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2011, 6(1): 37-43.7 3GPP, TS 36.922, Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA). TDD Home eNodeB(HeNB) Radio Frequency (RF) requirements analysis v9. 1. 0. 2010-06S. s. l. :3GPP, 2010.8 3GPP, R4-093644, HeNB Interference Ma

22、nagement for LTE Re-9 via Power Control. Nokia Siemens NetworksS. Finland: Nokia, 2009.9 3GPP, R1-104537, HeNB Power Setting Scheme with Penetration Loss Consideration. NEC Group S. s.l.: 3GPP, 2010.10 欽培. LTE異構網(wǎng)絡下行小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術研究D. 成都: 電子科技大學, 2013.11 TIAN Yafei, LU Songtao, YANG Chenyang. Macro-Pico Amplitude-Space Sharing with Optimized