移动通信原理与技术第9章-5G移动通信展望课件.ppt
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- 移动 通信 原理 技术 展望 课件
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1、第第9章章5G移动通信展望移动通信展望5G概况概况9.15G网络体系架构网络体系架构9.25G关键技术关键技术9.35G应用场景及发展趋势应用场景及发展趋势9.4 随着随着4G4G进入规模商用阶段,第五代移动通信进入规模商用阶段,第五代移动通信(5G)(5G)已成为全球研发热点。已成为全球研发热点。5G5G又称为又称为“IMT-2020”IMT-2020”(International Mobile International Mobile Telecommunication for 2020 and BeyondTelecommunication for 2020 and Beyond,面向,
2、面向20202020年及未来的全球移动通信),预计将会在年及未来的全球移动通信),预计将会在20202020年年正式得到商用。正式得到商用。与与4G4G、3G3G、2G2G不同,不同,5G5G不再是一个单一的无线接不再是一个单一的无线接入技术,也不是几个全新的无线接入技术,而是多种入技术,也不是几个全新的无线接入技术,而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术集成后的解决新型无线接入技术和现有无线接入技术集成后的解决方案总称。方案总称。9.19.1 5G5G概况概况 15G的研发背景的研发背景 移动互联网(移动互联网(Mobile InternetMobile Internet)物联网(物联网
3、(IoTIoT:Internet of ThingsInternet of Things)作为未来移动通信发展的两大主要驱动力,为第作为未来移动通信发展的两大主要驱动力,为第五代移动通信提供了广阔的应用前景。五代移动通信提供了广阔的应用前景。图9.1 5G官方logo 面向面向20202020年及未来,数据流量的千倍增长,千亿年及未来,数据流量的千倍增长,千亿设备连接和多样化的业务需求都将对设备连接和多样化的业务需求都将对5G5G系统设计提出系统设计提出严峻挑战。与严峻挑战。与4G4G相比,相比,5G5G将支持更加多样化的场景,将支持更加多样化的场景,融合多种无线接入方式,并充分利用低频和高频
4、等频融合多种无线接入方式,并充分利用低频和高频等频谱资源。谱资源。同时,同时,5G5G还将满足网络灵活部署和高效运营维护还将满足网络灵活部署和高效运营维护的需求,大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率,的需求,大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率,全面提升服务创新能力,拓展移动通信产业空间,实全面提升服务创新能力,拓展移动通信产业空间,实现移动通信网络的可持续发展。现移动通信网络的可持续发展。25G的发展现状的发展现状 5G5G移动通信发展是全球移动通信领域新一轮技术移动通信发展是全球移动通信领域新一轮技术竞争的开始。及早布局、构造开放式研发环境,力争竞争的开始。及早布局、构造开放式研发环境,力
5、争在未来在未来5G5G技术与商业竞争中获得领先优势,已成为各技术与商业竞争中获得领先优势,已成为各国信息技术与产业未来发展最为重要的任务之一。国信息技术与产业未来发展最为重要的任务之一。世界各国和各主流世界各国和各主流/权威标准化组织都制定了相应权威标准化组织都制定了相应的研发推进计划,就的研发推进计划,就5G5G的发展愿景、应用需求、候选的发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标及使能技术频段、关键技术指标及使能技术进行广泛地研讨,并进行广泛地研讨,并初见成果。初见成果。当前,制定全球统一的当前,制定全球统一的5G5G标准已成为业界共同的标准已成为业界共同的呼声,国际电信联盟(呼声,国际电
6、信联盟(ITUITU)已启动了面向)已启动了面向5G5G标准的标准的研究工作,并明确了研究工作,并明确了IMT-2020IMT-2020工作计划:工作计划:20152015年中将年中将完成完成IMT-2020IMT-2020国际标准前期研究,国际标准前期研究,20162016年将开展年将开展5G5G技技术性能需求和评估方法研究,术性能需求和评估方法研究,20172017年底启动年底启动5G5G候选方候选方案征集,案征集,20202020年底完成标准制定。年底完成标准制定。图9.2 5G时间工作计划35G的特点的特点 5G5G技术发展呈现出新的特点,在推进技术变革的技术发展呈现出新的特点,在推进
7、技术变革的同时,同时,5G5G研究将更加注重用户体验,网络平均吞吐速研究将更加注重用户体验,网络平均吞吐速率、传输时延以及对虚拟现实、率、传输时延以及对虚拟现实、3D3D、交互式游戏等新、交互式游戏等新兴移动业务的支撑能力等将成为衡量兴移动业务的支撑能力等将成为衡量5G5G系统性能的关系统性能的关键指标。键指标。包括包括5G5G在内的未来无线移动网络业务能力的提升在内的未来无线移动网络业务能力的提升将在将在3 3个维度上同时进行:个维度上同时进行:通过引入新的无线传输技术将资源利用率在通过引入新的无线传输技术将资源利用率在4G4G的基的基础上提高础上提高1010倍以上;倍以上;通过引入新的体系
8、结构(如超密集小区结构等)和通过引入新的体系结构(如超密集小区结构等)和更加深度的智能化能力将整个系统的吞吐率提高更加深度的智能化能力将整个系统的吞吐率提高2525倍倍左右;左右;进一步挖掘新的频率资源(如高频段、毫米波与可进一步挖掘新的频率资源(如高频段、毫米波与可见光等),使未来无线移动通信的频率资源扩展见光等),使未来无线移动通信的频率资源扩展4 4倍左倍左右。右。综合来看,综合来看,5G5G技术特点:技术特点:速度快速度快:5G5G峰值网络的速率是峰值网络的速率是10Gbps10Gbps。低延时低延时:5G5G网络端到端时延要求是网络端到端时延要求是1ms1ms。高连接高连接:5G5G
9、网络可以承载网络可以承载10001000亿个网络连接,包括亿个网络连接,包括人与人、物与物、人与物的相连。人与人、物与物、人与物的相连。低能耗低能耗:5G5G能让整个移动网络的每比特能耗降低能让整个移动网络的每比特能耗降低10001000倍。倍。9.29.2 5G5G网络体系架构网络体系架构15G网络设计原则网络设计原则 2新型设施基础平台新型设施基础平台35G网络逻辑构架网络逻辑构架 未来的未来的5G5G网络将是基于网络将是基于SDNSDN、NFVNFV和云计算技术和云计算技术的更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。新型的更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。新型5G5G网络架构包括接入云、
10、控制云和转发云三个域。网络架构包括接入云、控制云和转发云三个域。控制云主要负责全局控制策略的生成,接入云控制云主要负责全局控制策略的生成,接入云和转发云主要负责策略执行。和转发云主要负责策略执行。接入云接入云:支持多种无线制式的接入,实现更灵活支持多种无线制式的接入,实现更灵活的组网部署和更高效的无线资源管理。的组网部署和更高效的无线资源管理。控制云控制云:实现局部和全局的会话控制、移动性管:实现局部和全局的会话控制、移动性管理和服务质量保证,并构建面向业务的网络能力开理和服务质量保证,并构建面向业务的网络能力开放接口,从而满足业务的差异化需求并提升业务的放接口,从而满足业务的差异化需求并提升
11、业务的部署效率。部署效率。转发云转发云:基于通用的硬件平台,在控制云高效的:基于通用的硬件平台,在控制云高效的网络控制和资源调度下,实现海量业务数据流的高网络控制和资源调度下,实现海量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。可靠、低时延、均负载的高效传输。9.39.3 5G5G关键技术关键技术 传统的移动通信升级换代都是以多址接入技术为传统的移动通信升级换代都是以多址接入技术为主线,主线,5G技术创新主要来源于技术创新主要来源于超高效能的无线传输超高效能的无线传输技术技术和和高密度无线网络技术高密度无线网络技术两方面。两方面。图9.4 5G关键技术9.3.1 9.3.1 无线传输技术无线
12、传输技术1大规模大规模MIMO技术技术 多天线技术作为提高系统频谱效率和传输可靠性多天线技术作为提高系统频谱效率和传输可靠性的有效手段,已经应用于多种无线通信系统,面对的有效手段,已经应用于多种无线通信系统,面对5G5G在传输速率和系统容量等方面的性能挑战,天线数目在传输速率和系统容量等方面的性能挑战,天线数目的进一步增加仍将是的进一步增加仍将是MIMOMIMO技术继续演进的重要方向。技术继续演进的重要方向。采用大数量的天线,为大幅度提高系统的容量提供了采用大数量的天线,为大幅度提高系统的容量提供了一个有效的途径。一个有效的途径。大规模大规模MIMOMIMO带来的好处主要体现在以下几个方面:带
13、来的好处主要体现在以下几个方面:大规模大规模MIMOMIMO的空间分辨率与现有的空间分辨率与现有MIMOMIMO相比显相比显著增强,能深度挖掘空间维度资源,使得网络中的多著增强,能深度挖掘空间维度资源,使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMOMIMO提供的提供的空间自由度与基站同时进行通信,从而在不需要增加空间自由度与基站同时进行通信,从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率;基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率;大规模大规模MIMOMIMO可将波束集中在很窄的范围内,可将波束集中在很窄的范围内,从而大幅度降低干扰;从而
14、大幅度降低干扰;可大幅降低发射功率,从而提高功率效率;可大幅降低发射功率,从而提高功率效率;当天线数量足够大时,最简单的线性预编码当天线数量足够大时,最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优,并且噪声和不相关干扰都可和线性检测器趋于最优,并且噪声和不相关干扰都可忽略不计。忽略不计。大规模天线阵列应用于大规模天线阵列应用于5G5G,需解决信道测量与,需解决信道测量与反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现等关键问题。为了充分挖掘大规模等关键问题。为了充分挖掘大规模MIMOMIMO的潜在技术的潜在技术优势,需要深入研究符合实际应用场景的信道模型,优势,
15、需要深入研究符合实际应用场景的信道模型,分析其对信道容量的影响,并在实际信道模型、适分析其对信道容量的影响,并在实际信道模型、适度的导频开销、可接受的实现复杂度下,分析其可度的导频开销、可接受的实现复杂度下,分析其可达的频谱效率、功率效率,并研究最优的无线传输达的频谱效率、功率效率,并研究最优的无线传输方法、信道信息获取方法、多用户共享空间无线资方法、信道信息获取方法、多用户共享空间无线资源的联合资源调配方法。可以预计,大规模源的联合资源调配方法。可以预计,大规模MIMOMIMO技技术将成为术将成为5G5G区别于现有系统的核心技术之一。区别于现有系统的核心技术之一。作为多载波技术的典型代表,作
16、为多载波技术的典型代表,OFDMOFDM技术在技术在4G4G中中得到了广泛应用。在未来的得到了广泛应用。在未来的5G5G中,中,OFDMOFDM仍然是基本仍然是基本波形的重要选择。但是,面对波形的重要选择。但是,面对5G5G更加多样化的业务更加多样化的业务类型、更高的频谱效率和更多的连接数等需求,类型、更高的频谱效率和更多的连接数等需求,OFDMOFDM将面临挑战,新型多载波技术可以作为有效的将面临挑战,新型多载波技术可以作为有效的补充,更好地满足补充,更好地满足5G5G的总体需求。的总体需求。2新型多载波技术新型多载波技术 OFDM OFDM可以有效地对抗信道的多径衰落,支持灵可以有效地对抗
17、信道的多径衰落,支持灵活的频率选择性调度,这些特性使它能够高效支持活的频率选择性调度,这些特性使它能够高效支持移动宽带业务。但是,移动宽带业务。但是,OFDMOFDM也存在一些缺点,例如:也存在一些缺点,例如:较高的带外泄露、对时频同步偏差比较敏感以及要较高的带外泄露、对时频同步偏差比较敏感以及要求全频带统一的波形参数等。求全频带统一的波形参数等。为了更好地支撑为了更好地支撑5G5G的各种应用场景,新型多载的各种应用场景,新型多载波技术的研究需要关注多种需求:波技术的研究需要关注多种需求:新型多载波需要能更好的支持新业务。新型多载波需要能更好的支持新业务。由于新技术和新业务的不断涌现,新的多载
18、波技由于新技术和新业务的不断涌现,新的多载波技术需要具有良好的可扩展性,以便通过增加参数配术需要具有良好的可扩展性,以便通过增加参数配置或简单修改就可以支撑未来可能出现的新业务。置或简单修改就可以支撑未来可能出现的新业务。新型多载波技术还需要和其他技术实现良好兼容。新型多载波技术还需要和其他技术实现良好兼容。围绕着这些需求,业界已提出了多种新型多载波围绕着这些需求,业界已提出了多种新型多载波技术:技术:F-OFDMF-OFDM(Filtered OFDMFiltered OFDM,基于子带滤波的,基于子带滤波的OFDMOFDM)UFMCUFMC(Universal Filtered Multi
19、carrierUniversal Filtered Multicarrier,通用,通用滤波多载波)滤波多载波)FBMCFBMC(Filter Bank MulticarrierFilter Bank Multicarrier,滤波器组多载,滤波器组多载波)波)这些技术的共同特征是都使用了滤波机制,通过这些技术的共同特征是都使用了滤波机制,通过滤波减小子带或子载波的频谱泄露,从而放松对时频滤波减小子带或子载波的频谱泄露,从而放松对时频同步的要求,避免了同步的要求,避免了OFDMOFDM的主要缺点。的主要缺点。FBMC FBMC是基于子载波的滤波,在基于滤波器组的是基于子载波的滤波,在基于滤波器
20、组的多载波技术中,发送端通过合成滤波器组来实现多多载波技术中,发送端通过合成滤波器组来实现多载波调制,接收端通过分析滤波器组来实现多载波载波调制,接收端通过分析滤波器组来实现多载波解调。合成滤波器组和分析滤波器组由一组并行的解调。合成滤波器组和分析滤波器组由一组并行的成员滤波器构成,其中各个成员滤波器都是由原型成员滤波器构成,其中各个成员滤波器都是由原型滤波器经载波调制而得到的调制滤波器。滤波器经载波调制而得到的调制滤波器。3全双工技术全双工技术 全双工通信技术指同时、同频全双工通信技术指同时、同频地地进行双向通信的进行双向通信的技术。由于在无线通信系统中,网络侧和终端侧存技术。由于在无线通信
21、系统中,网络侧和终端侧存在固有的发射信号对接收信号的自干扰,现有的无在固有的发射信号对接收信号的自干扰,现有的无线通信系统中,由于技术条件的限制,不能实现同线通信系统中,由于技术条件的限制,不能实现同时同频的双向通信,双向链路都是通过时间或频率时同频的双向通信,双向链路都是通过时间或频率进行区分的,对应于进行区分的,对应于TDDTDD和和FDDFDD方式。由于不能进行方式。由于不能进行同时、同频双向通信,理论上浪费了一半的无线资同时、同频双向通信,理论上浪费了一半的无线资源(频率和时间)。源(频率和时间)。由于全双工技术理论上可提高频谱利用率一倍的由于全双工技术理论上可提高频谱利用率一倍的巨大
22、潜力,可实现更加灵活的频谱使用,同时由于器巨大潜力,可实现更加灵活的频谱使用,同时由于器件技术和信号处理技术的发展,同频同时的全双工技件技术和信号处理技术的发展,同频同时的全双工技术逐渐成为研究热点,是术逐渐成为研究热点,是5G5G系统充分挖掘无线频谱资系统充分挖掘无线频谱资源的一个重要方向。但全双工技术同时也面临一些具源的一个重要方向。但全双工技术同时也面临一些具有挑战性的难题。有挑战性的难题。由于接收和发送信号之间的功率差异非常大,导由于接收和发送信号之间的功率差异非常大,导致严重的自干扰,因此实现全双工技术应用的首要问致严重的自干扰,因此实现全双工技术应用的首要问题是自干扰的抵消。近年来
23、,研究人员发展了各类干题是自干扰的抵消。近年来,研究人员发展了各类干扰抵消技术,包括模拟端干扰抵消、对已知的干扰信扰抵消技术,包括模拟端干扰抵消、对已知的干扰信号的数字端干扰抵消及它们的混合方式、利用附加的号的数字端干扰抵消及它们的混合方式、利用附加的放置在特定位置的天线进行干扰抵消的技术等。通过放置在特定位置的天线进行干扰抵消的技术等。通过这些技术的联合应用,在特定的场景下,能消除大部这些技术的联合应用,在特定的场景下,能消除大部分的自干扰。但这些实验系统都基本是单基站、小终分的自干扰。但这些实验系统都基本是单基站、小终端数量的,没有对大量基站和大量终端的情况进行实端数量的,没有对大量基站和
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