5G時(shí)代無(wú)線需求與技術(shù)發(fā)展探討

5G時(shí)代無(wú)線需求與技術(shù)發(fā)展探討第一頁(yè)，共38頁(yè)。移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展中的顛覆性技術(shù)移動(dòng)通信系統(tǒng)每一次更新?lián)Q代都有顛覆性技術(shù)引領(lǐng)1G2G3G4G5G大區(qū)制到蜂窩，F(xiàn)DMA接入模擬到數(shù)字，TDMA接入單一話音到多媒體，CDMA接入OFDM-MIMO，空域資源利用？：頻譜，接入，組網(wǎng)容量話音業(yè)務(wù)和容量多媒體業(yè)務(wù)和容量高速高質(zhì)多媒體業(yè)務(wù)和容量容量，能耗，業(yè)務(wù)移動(dòng)通信系統(tǒng)每一次更新?lián)Q代都解決了當(dāng)時(shí)的最主要需求第二頁(yè)，共38頁(yè)。1G：模擬蜂窩+FDMAPowerFrequencyTimeFDMA高功率（200－250w）的發(fā)射天線幾百甚至上千平方公里的范圍的覆蓋每個(gè)大區(qū)的可用信道數(shù)很少

蜂窩系統(tǒng)是一種革命性的變革提高了頻譜利用率和系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量FDMA：每個(gè)用戶占用一個(gè)頻率特點(diǎn)：以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)，以頻帶劃分小區(qū)頻率受限，需要嚴(yán)格的頻率規(guī)劃以頻道區(qū)分用戶地址大區(qū)制蜂窩最主要需求：系統(tǒng)容量第三頁(yè)，共38頁(yè)。2G：數(shù)字技術(shù)+TDMAFrequencyPowerTimeFDMA/TDMA數(shù)字化技術(shù)，如數(shù)字語(yǔ)音編碼技術(shù)，是2G移動(dòng)通信的主要突破

意義：

提高通話質(zhì)量（數(shù)字化＋信道編碼糾錯(cuò)） 提高頻譜利用率（低碼率編碼） 提高系統(tǒng)容量（低碼率，語(yǔ)音激活技術(shù)）TDMA:每個(gè)用戶占用一個(gè)時(shí)隙，提高系統(tǒng)容量特點(diǎn)：以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)，小區(qū)內(nèi)以時(shí)隙區(qū)分用戶每個(gè)時(shí)隙傳輸一路數(shù)字信號(hào)，軟件對(duì)時(shí)隙動(dòng)態(tài)配置最主要需求：高質(zhì)量話音，系統(tǒng)容量第四頁(yè)，共38頁(yè)。3G：Turbo碼+CDMATurbo碼90年代以前，主流的前向糾錯(cuò)技術(shù)是線性分組碼和卷積碼，其性能與Shannon在1948年提出的理論可達(dá)限之間存在較大距離。1993年，C.Berrou等人提出了Turbo碼，徹底顛覆了所有人們認(rèn)為成功的糾錯(cuò)碼所要具備的因素。在復(fù)雜度可控的譯碼器的協(xié)助下,達(dá)到了近Shannon限的性能。Turbo碼在3G的應(yīng)用，使得3G能夠支持多媒體業(yè)務(wù)，打破了2G只支持話音和短消息業(yè)務(wù)的局限。FrequencyCDMAPowerTimeCDMA：每個(gè)用戶使用一個(gè)碼型，頻率/時(shí)間共享特點(diǎn)每個(gè)碼傳輸一路數(shù)字信號(hào)每個(gè)用戶共享時(shí)間和頻率軟容量、軟切換，系統(tǒng)容量大最主要需求：多媒體業(yè)務(wù)，系統(tǒng)容量第五頁(yè)，共38頁(yè)。4G：OFDM-MIMO+空分多址SDMA最主要需求：高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)，更大系統(tǒng)容量MIMO：多根發(fā)射天線與多根接收天線打破利用時(shí)、頻、碼三維資源傳輸數(shù)據(jù)的局限，有效開發(fā)了新的空域資源。基于MIMO的SDMA進(jìn)一步提高頻譜效率。OFDM：多個(gè)低速數(shù)據(jù)流同時(shí)調(diào)制在相互正交的子載波上傳送，適用于無(wú)線寬帶信道下的高速傳輸。與CDMA相比，OFDM傳送數(shù)據(jù)的速度更快，并且能夠更好地對(duì)抗無(wú)線傳輸環(huán)境中的多徑效應(yīng)。第六頁(yè)，共38頁(yè)。容量需求和頻譜短缺矛盾突出容量需求：根據(jù)預(yù)測(cè)，隨著智能終端普及和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量未來(lái)每年會(huì)以近一倍的速度增長(zhǎng)，未來(lái)10年數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將增長(zhǎng)1000倍。頻譜短缺：FCC預(yù)測(cè)，2014年移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)將導(dǎo)致巨大的頻譜赤字，達(dá)300MHz。Source:FCC2010頻譜短缺和容量需求的矛盾需要技術(shù)和策略的突破第七頁(yè)，共38頁(yè)。5G：顛覆性技術(shù)在哪里？需要技術(shù)和策略突破5G：解決三個(gè)主要問(wèn)題？容量不足能耗高提升用戶體驗(yàn)頻譜利用無(wú)線接入無(wú)線傳輸無(wú)線組網(wǎng)業(yè)務(wù)與終端產(chǎn)生顛覆性技術(shù)的五個(gè)方向第八頁(yè)，共38頁(yè)。問(wèn)題1：容量不足移動(dòng)通信的發(fā)展史表明，容量不足一直是無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展中的主要問(wèn)題5G面臨更大容量需求和頻譜赤字：根據(jù)預(yù)測(cè)，至2020年無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量增長(zhǎng)達(dá)1000倍如何滿足1000倍的容量增長(zhǎng)需求？（1）更多頻譜→~3×(或10×,4×）（2）更高頻譜效率→~6×(或10×,12×)無(wú)線接入無(wú)線傳輸（3）更多基站（更小小區(qū)）→~50×(或10×,10×)第九頁(yè)，共38頁(yè)。更多頻譜→~10×新頻段技術(shù)更高頻譜效率→~10×無(wú)線傳輸和接入更多基站（更小小區(qū)）→~10×無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)革新新技術(shù)新頻譜新體制蜂窩WLAN廣播衛(wèi)星新頻段優(yōu)良頻率資源匱缺網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立，建設(shè)成本巨大通信效率提升遭遇“收益遞減法則”再過(guò)10年怎么辦！？需要技術(shù)和體制的革新解決思路第十頁(yè)，共38頁(yè)。更多頻譜→~10×新頻段技術(shù)異構(gòu)協(xié)同→~>10×無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)革新蜂窩WLAN廣播衛(wèi)星新頻段互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)協(xié)同：建立高效、開放、可擴(kuò)展、可信、智能的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體制需要技術(shù)和體制的革新高效協(xié)作用戶新技術(shù)新頻譜新體制更高頻譜效率→~10×無(wú)線傳輸和接入解決思路第十一頁(yè)，共38頁(yè)。新技術(shù)新頻譜新體制新頻段通信技術(shù)新型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)高效無(wú)線通信技術(shù)更多頻譜→~300MHz×新頻段技術(shù)異構(gòu)協(xié)同→~>60×無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)革新更高頻譜效率→~6×無(wú)線傳輸和接入總體規(guī)劃第十二頁(yè)，共38頁(yè)。提高容量（1）——更多頻譜新頻譜開發(fā)：主要是較高頻段，適合更小小區(qū)6~15GHz空間隔離性好60GHz毫米波有較高的頻寬，但穿透性較差白頻譜可見光通信頻譜共享——智能頻譜利用重點(diǎn)建議：智能頻譜利用基礎(chǔ)：新頻譜電波特性的測(cè)量與建模第十三頁(yè)，共38頁(yè)。傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配策略與挑戰(zhàn)傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配策略行政指派或拍賣方式，靜態(tài)使用。面臨的挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)1：頻譜利用存在不均衡問(wèn)題挑戰(zhàn)2：存在時(shí)-頻-空多維頻譜空洞挑戰(zhàn)3：頻譜利用效率較低現(xiàn)有頻譜分配殆盡北郵頻譜測(cè)量結(jié)果顯示北京頻譜利用存在空洞英國(guó)廣播電視頻段頻譜利用存在不均衡問(wèn)題美國(guó)芝加哥地區(qū)30MHz-3GHz頻譜利用率較低，僅為5.2%第十四頁(yè)，共38頁(yè)。動(dòng)態(tài)頻譜分配策略？打破傳統(tǒng)靜態(tài)頻譜分配方法的局限，結(jié)合時(shí)-頻-空多維頻譜的動(dòng)態(tài)分配，促進(jìn)頻譜資源利用能夠智能化，以使其使用更高效靈活，從而提高頻譜利用效率。頻譜緊缺頻譜浪費(fèi)頻譜緊缺與頻譜浪費(fèi)是一對(duì)矛盾，如何提升頻譜利用效率？頻譜利用不均衡，存在頻譜空洞，頻譜利用效率低解決方法動(dòng)態(tài)頻譜第十五頁(yè)，共38頁(yè)。頻譜分配從靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)方式將面臨多方面挑戰(zhàn)動(dòng)態(tài)頻譜分配策略面臨的挑戰(zhàn)政策監(jiān)管部門電信運(yùn)營(yíng)商設(shè)備制造商頻譜分配政策由固定分配與行政指派向動(dòng)態(tài)頻譜分配政策轉(zhuǎn)變，將面臨政策和法規(guī)制定的挑戰(zhàn)頻譜管理將更加智能與靈活，設(shè)備認(rèn)證管理及非法設(shè)備核查能力提升的挑戰(zhàn)如何智能、高效協(xié)調(diào)授權(quán)的靜態(tài)頻譜和動(dòng)態(tài)分配的頻譜使用如何對(duì)具備動(dòng)態(tài)頻譜功能的終端設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入過(guò)程的有效管理和控制如何升級(jí)現(xiàn)有核心網(wǎng)、接入網(wǎng)設(shè)備以支持認(rèn)知等新功能如何對(duì)終端和基站的射頻模塊進(jìn)行工作頻段的擴(kuò)展、如何設(shè)計(jì)高性能的濾波器第十六頁(yè)，共38頁(yè)。提高容量（2）——更高頻譜效率：多址接入多址技術(shù)是移動(dòng)通信系統(tǒng)升級(jí)換代的核心之一1G：頻分多址（FDMA）2G：時(shí)分多址（TDMA）3G：碼分多址（CDMA）4G：空分多址（OFDMA+SDMA）4G以O(shè)FDM-MIMO為核心的OFDMA和SDMA具有很強(qiáng)的生命力新型無(wú)線接入的嘗試：非正交？趨勢(shì)：?jiǎn)我毁Y源到多維資源聯(lián)合使用,提高資源利用率頻率時(shí)間功率FDMA頻率時(shí)間功率TDMACDMA時(shí)間頻率功率1G2G3G4G第十七頁(yè)，共38頁(yè)。大規(guī)模MIMO信道建模與分析信道信息獲?。ㄏ鄳?yīng)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)）協(xié)調(diào)多用戶聯(lián)合資源調(diào)配能耗問(wèn)題天線配置、基站選址導(dǎo)頻污染高效傳輸方法（如預(yù)編碼方案）3DMIMO電磁波的傳輸平面增加俯仰角，進(jìn)一步擴(kuò)展空間自由度無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的干擾管理和容量研究構(gòu)建多維干擾狀態(tài)模型分析干擾和網(wǎng)絡(luò)容量的關(guān)系智能動(dòng)態(tài)干擾管理機(jī)制大規(guī)模MIMO3DMIMO提高容量（2）—無(wú)線傳輸新技術(shù)第十八頁(yè)，共38頁(yè)。基于電磁波角動(dòng)量特性的新型無(wú)線傳輸技術(shù)無(wú)線傳輸?shù)拿浇槭请姶挪?，而新的電磁波物理特性的利用可能帶?lái)無(wú)線通信的時(shí)代變革電磁渦旋起源于1992年荷蘭物理學(xué)家L.Allen對(duì)光子攜帶軌道角動(dòng)量的發(fā)現(xiàn)。英國(guó)格拉斯哥大學(xué)天文物理系Gibson等人在2004年提出將軌道角動(dòng)量應(yīng)用于光通信，并證實(shí)了能夠充分利用不同的OAM狀態(tài)實(shí)現(xiàn)多信道獨(dú)立調(diào)制同頻傳輸2G3G4G后4G9.6K2M1G10G~T？。第十九頁(yè)，共38頁(yè)。電磁渦旋無(wú)線傳輸技術(shù)第二十頁(yè)，共38頁(yè)。電磁渦旋無(wú)線傳輸技術(shù)電磁渦旋波的產(chǎn)生電磁渦旋波可由調(diào)制后攜帶信息的普通波通過(guò)波束扭轉(zhuǎn)方法得到。將電磁渦旋波恢復(fù)為普通調(diào)制信號(hào)的過(guò)程可以理解為

“逆渦旋”第二十一頁(yè)，共38頁(yè)。國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展——驗(yàn)證演示系統(tǒng)瑞典物理研究所的BoThidé教授和意大利帕多瓦大學(xué)FabrizioTamburini教授等人在2010-2011年對(duì)電磁渦旋技術(shù)用于無(wú)線傳輸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)采用拋物面天線和八木天線發(fā)收，成功的在意大利威尼斯的河兩岸實(shí)現(xiàn)了442m的無(wú)線傳輸，驗(yàn)證了電磁渦旋無(wú)線傳輸技術(shù)的可行性。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖電磁渦旋無(wú)線傳輸技術(shù)第二十二頁(yè)，共38頁(yè)。電磁渦旋應(yīng)用于無(wú)線通信的挑戰(zhàn)傳播環(huán)境要求嚴(yán)格：當(dāng)無(wú)線傳播中出現(xiàn)大氣湍流、阻擋物等不利傳播條件時(shí)，會(huì)改變波束扭轉(zhuǎn)角度，對(duì)電磁渦旋造成影響。高效的電磁渦旋波產(chǎn)生與接收：如何設(shè)計(jì)發(fā)射和接收電磁渦旋波天線將會(huì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。發(fā)送和接收電磁渦旋波的方向性要求嚴(yán)格：電磁渦旋波狀態(tài)的高效檢測(cè)：如何對(duì)大量的電磁渦旋波狀態(tài)進(jìn)行有效分離和檢測(cè)，是應(yīng)用于無(wú)線通信所面臨的核心挑戰(zhàn)之一。電磁渦旋無(wú)線傳輸技術(shù)第二十三頁(yè)，共38頁(yè)。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，理論上信道容量提升1倍多天線對(duì)消方案時(shí)分雙工上下行鏈路同頻，分時(shí)頻分雙工上下行鏈路分頻，同時(shí)全雙工上下行鏈路同頻，同時(shí)目前國(guó)外已建立試驗(yàn)平臺(tái)，國(guó)內(nèi)開展研究較少全雙工通信技術(shù)第二十四頁(yè)，共38頁(yè)。信息密度均勻高度不均勻下的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提高容量（3）——更多基站（更小小區(qū)）第二十五頁(yè)，共38頁(yè)。信息密度：?jiǎn)挝幻娣e發(fā)送，接收或經(jīng)過(guò)的信息量，分別指導(dǎo)容量分布，資源分配和路由的研究網(wǎng)絡(luò)分布與用戶信息密度匹配，實(shí)現(xiàn)資源精準(zhǔn)匹配。定義無(wú)線組網(wǎng)信息密度”概念，即

在任何一個(gè)點(diǎn)為中心的鄰域覆蓋范圍內(nèi)，用戶可以通過(guò)該點(diǎn)透明地傳輸數(shù)據(jù)的速率”。未來(lái)的組網(wǎng)架構(gòu)要支持增長(zhǎng)如此巨大的業(yè)務(wù)量，其基本特征必然是異構(gòu)的多網(wǎng)接入，它將是

密度不均勻性”的組網(wǎng)架構(gòu)。信息密度概念“““第二十六頁(yè)，共38頁(yè)。信息密度非均勻新組網(wǎng)架構(gòu)面臨的主要問(wèn)題距離業(yè)務(wù)量容量覆蓋宏蜂窩微小區(qū)WLAN60GHz宏蜂窩微小區(qū)WLAN60GHz3G4G新頻譜微小區(qū)WLAN60GHz宏蜂窩信息密度非均勻下的異構(gòu)無(wú)線組網(wǎng)新技術(shù)問(wèn)題1:異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)如何協(xié)同工作問(wèn)題2:復(fù)雜環(huán)境下信道如何建模？問(wèn)題3:異構(gòu)非均勻業(yè)務(wù)需求環(huán)境下如何高效傳輸信息密度非均勻新組網(wǎng)架構(gòu)面臨的主要問(wèn)題第二十七頁(yè)，共38頁(yè)。特征提高容量的關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)元構(gòu)成實(shí)質(zhì)密度均勻的蜂窩小區(qū)小區(qū)變小/分裂/方向性天線/無(wú)線資源管理同構(gòu)，控制與業(yè)務(wù)平面一體業(yè)務(wù)單一密度準(zhǔn)均勻的協(xié)作式組網(wǎng)（群小區(qū)，CoMP）小區(qū)變小/多天線/小區(qū)邊緣協(xié)作/無(wú)線資源管理/協(xié)作天線管理同構(gòu)為主，控制與業(yè)務(wù)平面一體優(yōu)先提高小區(qū)邊緣速率來(lái)提高全網(wǎng)速率密度不均勻的多域異構(gòu)小區(qū)大小區(qū)、小小區(qū)并存/多單天線并存/小區(qū)邊緣協(xié)作與熱點(diǎn)并存/蜂窩通信與無(wú)線接入并存/多域資源管理異構(gòu)融合，將控制與業(yè)務(wù)平面分離保證小區(qū)邊緣速率，通過(guò)熱點(diǎn)覆蓋大幅度提高全網(wǎng)速率無(wú)線組網(wǎng)演進(jìn)三個(gè)重要階段第二十八頁(yè)，共38頁(yè)。后4G：顛覆性技術(shù)在哪里？需要技術(shù)和策略突破后4G：解決三個(gè)主要問(wèn)題？容量不足能耗高提升用戶體驗(yàn)頻譜利用無(wú)線接入無(wú)線傳輸無(wú)線組網(wǎng)業(yè)務(wù)與終端產(chǎn)生顛覆性技術(shù)的五個(gè)方向第二十九頁(yè)，共38頁(yè)。國(guó)際上面向5G的研究計(jì)劃已逐步啟動(dòng)：2020年無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量增長(zhǎng)達(dá)500～1000倍，產(chǎn)業(yè)需求巨大ITU-R已于2010年完成4G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定，5G系統(tǒng)的研究已提上日程；3GPP已于2012年底開始針對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的Release12版本研究，提前謀求5G布局歐盟將投資總計(jì)2700萬(wàn)歐元資助研究2020年及未來(lái)的下一代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)——METIS計(jì)劃美國(guó)國(guó)家寬帶計(jì)劃，到2020年超過(guò)1億的美國(guó)家庭可以獲得至少50Mbps/100Mbps的寬帶接入速度，預(yù)算將超72億美元因此，必須引領(lǐng)下一代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展，以滿足產(chǎn)業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)我國(guó)“十二五”規(guī)劃對(duì)發(fā)展新一代信息技術(shù)的戰(zhàn)略要求。科技部8635G立項(xiàng)第三十頁(yè)，共38頁(yè)。移動(dòng)通信的發(fā)展史表明，容量不足一直是無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展中的主要問(wèn)題5G面臨更大容量需求和頻譜赤字：根據(jù)預(yù)測(cè)，至2020年無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量增長(zhǎng)達(dá)500~1000倍核心問(wèn)題：無(wú)線帶寬瓶頸第三十一頁(yè)，共38頁(yè)。更多頻譜→~10×新頻段技術(shù)異構(gòu)協(xié)同→~>10×無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)革新蜂窩WLAN廣播衛(wèi)星新頻段互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)協(xié)同：建立高效、開放、可擴(kuò)展、可信、智能的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體制需要技術(shù)和體制的革新高效協(xié)作用戶新技術(shù)新頻譜新體制更高頻譜效率→~10×無(wú)線傳輸和接入解決思路第三十二頁(yè)，共38頁(yè)。指南綜述指南內(nèi)容面向2020年之后的第五代移動(dòng)通信（5G）應(yīng)用需求，研究5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系架構(gòu)、無(wú)線組網(wǎng)、無(wú)線傳輸、新型天線與射頻以及新頻譜開發(fā)與利用等關(guān)鍵技術(shù)，完成性能評(píng)估及原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，支持業(yè)務(wù)總速率達(dá)10Gbps，空中接口頻譜效率和功率效率較4G均有10倍的提升；針對(duì)移動(dòng)終端本地互聯(lián)與社交化內(nèi)容分發(fā)的融合趨勢(shì)，研究計(jì)算存儲(chǔ)資源整合、交互協(xié)議和控制等技術(shù)，有效統(tǒng)計(jì)復(fù)用容量提升不少于50倍。下設(shè)5個(gè)研究課題方向：第三十三頁(yè)，共38頁(yè)。新技術(shù)新頻譜新體制新頻段通信技術(shù)新型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)高效無(wú)線通信技術(shù)課題3.5G無(wú)線總體技術(shù)研發(fā)課題1.5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)課題2.5G無(wú)線傳輸關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)課題4.5G無(wú)線技術(shù)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)研發(fā)（