5G移動通信系統與技術 課程目標 2 了解5G標準進展了解5G核心指標了解5G關鍵無線技術了解5G網絡結構和網絡技術了解5G特色業務應用 5G愿景白皮書 5G概念白皮書 5G網絡技術架構 參考書目 5G移動通信系統與技術 5G系統標準發展概述 5G系統核心能力指標 5G系統關鍵無線技術 4 5G系統新型網絡架構 5 5G系統重要網絡技術 6 5G系統特色業務應用 課程介紹 4 1 移動通信技術演進規律2 4G 4 5G 5G標準主要技術特征3 移動通信技術愿景和路標 移動通信技術具有代際演進的規律 全球移動通信經過1G 2G和3G三個發展階段 正從3G向4G演進 當前各國正在積極推進5G技術研究 移動互聯網和物聯網為5G發展提供廣闊發展空間 預計2010年到2020年全球移動數據流量增長將超過200倍 我國將增長300倍以上 預計到2020年全球移動終端數量將超過100億 其中我國將超過20億 預計到2020年全球物聯網設備連接數為500億 其中我國將超過100億 調制技術 256QAM 256階正交振幅調制 相對4G的64QAM承載6bit 采用256QAM可承載8bit 同樣的時頻資源塊上能容納更多數據 提升了空口吞吐量 256QAM 64QAM 8載波以上載波聚合 4T4RMIMO 8T8R以上MIMO MassiveMIMO 物聯網技術 LTE MLTE M是為滿足運營商開拓物聯網需要提出新的一種蜂窩網絡技術 采用窄帶技術 帶寬從4G的180kHz降低到下行15kHz 上行5kHz 相對4G覆蓋提升200倍 功率譜密度提升36倍 最大64個TTIBundling提升5 5倍 單小區支持1 10萬連接數 LTE M的RB數提高36倍 3DBF通過水平 垂直兩維波束賦形提供最大32 4G只有水平維度的波束賦形 最大8流 MassiveCA 3DBF 水平方向波束 水平方向波束 垂直方向波束 多天線技術 MassiveMIMO 3DBF 8T8R以上MIMO MassiveCA 8載波以上 接入技術 SOMA 半正交頻分多址 將小區中心用戶和邊緣用戶分配在同一個時頻資源塊上 通過功率資源 兩用戶功率相差較大場景 對兩用戶進行區分 從而提高資源利用率 獲得更高吞吐量 未來觸手可及 4G 4 5G 5G 人與人互聯 物聯網 萬物互聯 高清視頻 簡單物聯網 車聯網 4k超高清視頻 物聯網 車聯網 全息視頻 虛擬現實 自動駕駛 物聯網 車聯網 智能家居 穿戴式設備 4 5G定義 4 5G標準R12將于今年底凍結 4 5G是4G演進 可提供XGbps大容量 10ms低時延和 300億連接數基于SOMA 256QAM MassiveMIMO等關鍵技術提供xGbps高容量 基于CloudEPC及ShorterTTI特性縮短時延到10ms 通過LTE M提供小帶寬滿足物聯網300億 接入用戶數 5G定義 標準處于研究階段 5G通過系列關鍵新技術可提供10Gbps超大容量 端到端1ms超低時延 1000億海量連接革命性技術 全雙工技術 MassiveMIMO多天線 128 128 高階頻段 30G 100GHz 提供高達10Gbps容量 采用0 1msTTI將時延降低到1ms 可變帶寬子載波支持連接數1000億以上 應對未來10年ICT行業巨大變化 實現萬物互聯 應用場景 定義 5G不僅僅是一次技術升級 它將為我們搭建一個廣闊的技術平臺 催生無數新應用 新產業 5G將成為全聯接世界和未來信息社會的重要基礎設施和關鍵使能者 4 5G是4G的全方位平滑演進 可以在現有4G上通過軟件升級或增加一定硬件來實現 4 5G定位于未來五年出現的新終端 新業務 新體驗 是5G的先行者 4 5G商用 5G商用 4 5G 5G的設計目標 提供更高容量 更多連接 更短時延 當前4 5G標準R12將于今年底凍結 R13標準正在制定 5G標準正處于研究階段 5G移動寬帶系統將成為面向2020年以后人類信息社會需求的無線移動通信系統 5G不再僅僅是更高速率 更大帶寬 更強能力的空中接口技術 而是面向業務應用和用戶體驗的智能網絡 它是一個多業務多技術融合的網絡 通過技術的演進和創新 滿足未來包含廣泛數據和連接的各種業務的快速發展需要 提升用戶體驗 課程總結 18 1 移動通信演進規律4G 4 5G 5GR12對應4 5G R15對應5G有 好 強 爽 悅2 移動通信標準主要技術特征4 5G 3DMIMO massiveMIMO 半正交多址 256調制技術 物聯網LTE M5G massiveMIMO 非正交多址 全雙工 靈活雙工 增強多載波等 5G移動通信系統與技術 1 5G系統標準發展概述 2 5G系統核心能力指標 3 5G系統關鍵無線技術 4 5G系統新型網絡架構 5 5G系統重要網絡技術 6 5G系統特色業務應用 課程介紹 20 1 5G八大關鍵能力指標2 5G頻率挑戰 技術挑戰 效率挑戰和運營挑戰 ITU定義的三大應用場景 中國5G之花 5G技術發展的愿景 信息隨心至 萬物觸手及 5G的頻率挑戰 5G的技術挑戰 25 26 5G系統相比4G系統在頻譜效率 能源效率和成本效率方面需要得到顯著提升 頻譜效率需提高5 15倍能源效率有百倍以上提升成本效率有百倍以上提升 跨層優化 資源調度高效利用有限資源跨層資源聯合調度 跨網優化 協作通信減少競爭 增加合作跨網資源聯合優化配置 CHORUS Collaborative HarmonizedOpenRadioUbiquitousSystem 提升用戶體驗 降低能量消耗 CHORUS 課程總結 28 1 5G八大關鍵能力流量密度 連接數密度 時延 移動性 頻譜效率 能效 用戶體驗速率 峰值速率2 5G三大關鍵應用場景海量機器通信 增強的移動寬帶 超高可靠和低時延通信3 5G挑戰頻率挑戰技術挑戰運營挑戰效率挑戰 1 5G系統標準發展概述 2 5G系統核心能力指標 3 5G系統關鍵無線技術 4 5G系統新型網絡架構 5 5G系統重要網絡技術 6 5G系統特色業務應用 課程介紹 30 1 5G面臨的挑戰和應對思路2 5G主要關鍵技術大規模天線技術非正交多址接入技術 技術原理當基站側天線數遠大于用戶天線數時 基站到各個用戶的信道將趨于正交 用戶間干擾將趨于消失 而巨大的陣列增益將能夠有效地提升每個用戶的信噪比 從而能夠在相同的時頻資源共同調度更多用戶 功能和優勢若基站配置400根天線 在20MHz帶寬的同頻復用TDD系統中 每小區用MU MIMO方式服務42個用戶時 即使小區間無協作 且接收 發送只采用簡單的MRC MRT時 每個小區的平均容量也可高達1800Mbps 應用場景城區宏覆蓋 高層建筑 室內外熱點 郊區 無線回傳鏈路 技術方案面向異構和密集組網的massiveMIMO網絡構架與組網方案MassiveMIMO物理層關鍵技術大規模有源陣列天線技術大規模天線與高頻段的結合 技術原理PDMA圖樣分割多址接入 PatternDivisionMultipleAcess 是一種基于多用戶通信系統整體優化的新型非正交多址接入技術 通過發送端和接收端的聯合設計 在發送端采用功率 空間 編碼等多種信號域的單獨或者聯合非正交特征圖樣區分用戶 在接收端采用SIC方式實現準最優多用戶檢測 主要功能和優勢對于大容量持續業務信道 使系統整體頻譜效率提升1 2倍 對于大容量隨機突發業務 縮短數據包傳輸時延并提升用戶接入體驗 技術方案發射端圖樣設計導頻設計與MIMO結合低復雜度檢測算法 應用場景宏蜂窩及宏微蜂窩異構網絡分布式多天線或密集小區低時延高可靠等極端場景 F OFDM波形技術 根據業務靈活配置 SCMA稀疏碼本多址 多維調制 擴頻 PDMA圖樣多址 功率域 空間域 碼域 MUSA多用戶多址 非線性SIC接收機 課程總結 43 1 5G面對挑戰解決思路新體制 新技術 新思路2 5G主要關鍵技術大規模天線技術非正交多址接入技術 PDMA NOMA MUSA SCMA F OFDM 課程介紹 44 1 5G主要關鍵技術雙工技術超密集組網物聯網設計高頻信號傳輸技術靈活頻譜共享技術新型傳輸波形技術先進編碼調制技術 靈活雙工技術 基本原理隨著在線視頻業務的增加 以及社交網絡的推廣 未來移動流量呈現出多變特性 上下行業務需求隨時間 地點而變化等 目前通信系統采用相對固定的頻譜資源分配將無法滿足不同小區變化的業務需求 靈活雙工能夠根據上下行業務變化情況動態分配上下行資源 有效提高系統資源利用率 應用場景低功率節點的小基站低功率的中繼節點 全雙工通信技術 在現有基礎上 理論上信道容量提升1倍 多天線對消方案 時分雙工上下行鏈路同頻 分時頻分雙工上下行鏈路分頻 同時全雙工上下行鏈路同頻 同時目前國外已建立試驗平臺 國內開展研究較少 技術原理增加單位面積內小基站的密度 通過在異構網絡中引入超大規模低功率節點實現熱點增強 消除盲點 改善網絡覆蓋 提高系統容量 功能和優勢滿足熱點地區500 1000倍的流量增長的需求 幾十Tbps k 1百萬連接 k 1Gbps用戶體驗速率 應用場景密集街區 密集住宅 辦公室 公寓 大型集會 體育場 購物中心 地鐵 技術方案5G高密度小區的網絡架構干擾管理移動性管理連接管理多層 多RAT融合組網節能SON 技術原理滿足移動互聯網和物聯網的應用場景的擴大所帶來的對時延和可靠性的特殊要求 主要功能和優勢端到端ms級用戶面時延真正永遠在線體驗 10ms控制面時延可靠性高達99 999 以上應用場景實時云計算 增強現實 在線游戲 遠程醫療等智能交通 智能電網 實時遠程控制等緊急通信 技術方案新的網絡架構新的空口設計高層信令過程設計接入過程和方法設計 智能交通 工業控制 緊急通信 短幀 靈活本地網絡架構 流程優化 端到端通信D2D 優勢 1 終端近距離通信 高速率低時延低功耗 2 短距離通信可頻譜資源復用 3 無線P2P功能 4 拓展網絡覆蓋范圍時頻資源 1 正交 基站控制 容量受限 2 復用 高效利用 引入干擾 協調 1 網絡完全控制 控制干擾 會產生大量信令開銷 無法體現D2D通信的靈活性 2 網絡輔助自主 自主D2D節省資源縮短時延 網絡輔助進行無線資源管理 頻譜拓展技術 認知無線電 提高已分配頻譜的利用效率 0 3GHz 6GHz 60GHz 2G 3G 4Gre farming WRC 15AI1 2candidatebandsbelow6GHz Potentialbandsabove6GHzfor2020 s 6GHz 頻譜分配原則優先保障移動通信的頻譜資源技術上可以實現連續500MHz帶寬可用能與其他系統共存 技術原理新的頻譜使用方法 讓多個系統共享使用特定頻譜 改變了以往固定頻譜分配的方式 主要功能和優勢可有效拓展IMT可用頻譜約1倍 應用場景機會式使用授權共享非授權共享技術方案網絡架構 基于數據庫共享 SON無線環境檢測 動態頻率分配 RRM 干擾管理和QoS保證經濟和商業模式 無線電規則等 傳統靜態頻譜分配策略行政指派或拍賣方式 靜態使用 面臨的挑戰挑戰1 頻譜利用存在不均衡問題挑戰2 存在時 頻 空多維頻譜空洞挑戰3 頻譜利用效率較低 現有頻譜分配殆盡 動態頻譜分配策略 打破傳統靜態頻譜分配方法的局限 結合時 頻 空多維頻譜的動態分配 促進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 頻譜緊缺與頻譜浪費是一對矛盾 如何提升頻譜利用效率 解決方法動態頻譜 OFDM傳輸波形技術OFDM是當前Wi Fi和LTE標準中的高速無線通信的主要傳信模式 OFDM是未來5G的關鍵傳輸波形技術 其性能仍有提升空間 新型傳輸波形技術 濾波器組多載波 Filterbankmulticarrier FBMC 編碼調制技術的演進 空間調制 SpatialModulationSM 4發射天線QPSK空間調制星座圖 以天線的物理位置來攜帶部分發送信息比特 將傳統二維映射擴至三維映射 提高頻譜效率 每時隙只有一根發射天線處于工作狀態 避免了信道間干擾與天線同步發射問題 且系統僅需一條射頻鏈路 有效地降低了成本 頻率正交幅度調制 FrequencyQuadrature amplitudeModulation FQAM 課程總結 65 1 5G主要關鍵技術雙工技術 靈活雙工 全雙工超密集組網 物聯網設計 高頻信號傳輸技術 認知無線電 毫米波 可見光通信靈活頻譜共享技術 多個系統共享特定頻譜新型傳輸波形技術 FBMC 濾波器組多載波 先進編碼調制技術 空間調制 FQAM調制 1 5G系統標準發展概述 2 5G系統核心能力指標 3 5G系統關鍵無線技術 4 5G系統新型網絡架構 5 5G系統重要網絡技術 6 5G系統特色業務應用 課程介紹 67 1 5G網絡架構構成2 5G網絡三大模塊主要功能3 5G網絡架構關鍵技術 未來5G網絡將向性能更優質 功能更靈活 運營更智能 網絡更友好的方向發展 接入網和核心網的邏輯功能界面清晰 但是部署方式卻更加靈活 甚至可以融合部署 5G網絡功能特性 C RAN云架構RRU替代物理基站光纖互聯中心式處理高性能多點協作接入實時信息處理低成本低建設成本低維護成本 C RAN無線接入網綠色演進白皮書 v2 5 2011 Cloud 網絡設備虛擬化 5G新型網絡架構關鍵技術 8 REPE 4GvBS Management APP RLC MAC PHY 5GvBS Management APP RLC MAC PHY Wi FivBS Management APP RLC MAC PHY 5GvBS Management APP RLC MAC PHY REPE 5G4GWi Fi 5G 5G 5G 網絡結構虛擬化云端的虛擬基站集群構成虛擬網絡 利用SDN技術動態優化網絡結構 75 59 VirtualBSPool 課程總結 76 1 5G網絡架構接入平面 控制平面 轉發平面2 5G網絡主要功能接入平面 多無線接入技術融合控制平面 控制集中化 簡單化轉發平面 用戶面下沉分布式網關3 5G網絡架構關鍵技術C RAN 接入云資源開放協議 REP 云端的虛擬基站集群構成虛擬網絡 利用SDN技術動態優化網絡結構 5G移動通信系統與技術 1 5G系統標準發展概述 2 5G系統核心能力指標 3 5G系統關鍵無線技術 4 5G系統新型網絡架構 5 5G系統重要網絡技術 6 5G系統特色業務應用 課程介紹 78 1 5G網絡架構關鍵技術無線mesh與動態自組網絡無線資源調度與共享定制化部署和服務統一的無線接入技術融合控制能力重構網絡能力開放按需組網網絡邊緣緩存與計算 動態自組織網絡技術是在5G蜂窩網絡授權和控制下 在本地可以將基站 終端以及各種新型的末端節點動態的組成網絡 彌補傳統蜂窩架構在組網靈活性方面的不足 另外還可以通過組建動態自組織網絡 實現設備間通信 提升網絡頻譜效率 動態自組織網絡應用場景包括 針對低時高可靠場景 降低端到端時延 提高傳輸可靠性 針對低功耗大連接場景 延續網絡覆蓋和接入能力 適應災難等應急場景 提高網絡的可靠性 無線資源 時域頻域空域碼域功率域等 調度與共享方式 分簇化集中控制無線網絡資源虛擬化頻譜共享 實現多小區聯合的無線資源動態分配與智能管理實現以用戶為中心的無線資源動態調配與智能管理 形成跨多小區的數據自適應分流和動態負載均衡可以靈活部署于不同網絡物理節點中對于分布式部署場景 實現多點協作 對于無線資源 無線接入網平臺資源和傳輸資源進行靈活共享與切片 構建適應不同應用場景需求的虛擬無線接入網絡不同的虛擬無線網絡之間保持嚴格的資源隔離 動態使用不同無線接入的頻譜資源接入點可以獨立或基于數據控制頻譜資源共享與靈活調度同系統或異系統間頻率共享 分簇化集中控制 無線網絡資源虛擬化 頻譜共享 軟件定義的協議棧基于軟件和硬件解耦 數據面和控制面解耦 重新定義可靈活適配的協議棧 將PHY層 MAC層 RLC層 PDCP層 RRC層 NAS層以及應用層分解 抽象出調制 編碼 復用 重傳 加密 壓縮 以及應用層內容聚合 ULR過濾等模塊 根據業務定制整合成不同的協議棧 需要設計良好的控制面 滿足無線協議棧處理的時延要求和空口性能 5G無線網絡融合多種制式 可控模塊參數將變得異常龐大 高效的流表查詢算法是實現定制化部署和服務的關鍵 技術來源 多種無線接入技術長期共存是各運營商面臨的普遍問題 如何協同使用各種無線技術 提升網絡整體運營效率和用戶體驗 是多RAT協同技術所需要解決的問題 技術來源控制功能重構是指控制面功能拆分成獨立處理邏輯的功能模塊 再根據不同的應用場景進行組合以形成不同的核心網控制面 從而提高網絡的靈活性 智能性 魯棒性 降低網絡成本 使網絡能夠快速演進滿足新業務的需求 能力開放的需求方 利用API接口篩選所需的網絡信息 調度管道資源 申請增值業務 構建專用的網絡切片 對資源層網絡信息的匯聚和分析進行網絡原來能力的封裝和按需組合編排生成相應的開放API接口 實現網絡能力開放架構與5G網絡的交互完成對底層網絡資源抽象定義 整合上層信息感知需求 設定網絡內部的監控設備位置 上報數據類型和事件門限等策略 將上層制定的能力調用邏輯映射為對網絡資源按需編排的控制信令 網絡能力開放的目的在于實現向第三方應用服務提供商提供所需的網絡能力 其基礎在于移動網絡中各個網元所能提供的網絡能力 包括用戶位置信息 網元負載信息 網絡狀態信息和運營商組網資源等 而運營商網絡需要將上述信息根據具體的需求適配 提供給第三方使用 多樣化的業務場景對5G網絡提出了多樣化的性能要求和功能要求 5G核心網應具備向業務場景適配的能力 針對每種5G業務應用提供恰到好處的網絡控制功能和性能保證 實現按需組網的目標 按需組網包含兩個方面 一方面根據業務場景的需要進行網絡切片 另一方面根據業務量進行網絡資源按需分配 新興的智能應用 如智能家居 增強現實 移動辦公 物聯網和移動游戲等 MECC在靠近移動用戶的位置上提供IT服務環境和云計算能力 并將業務存儲和存儲分發能力推送到靠近用戶側 如基站 使應用 服務和內容部署在高度分布的環境中 從而可以更好的支持5G網絡中低時延和高帶寬的業務要求 MECC還可以開放實時的無線網絡信息 為移動用戶