數字移動通信第二十講5G移動通信

5G面臨的問題及潛在技術25G移動通信內容提要15G發展背景2

5G關鍵能力3

5G典型的應用場景 4

5G新技術5

5G展望第20講5G移動通信系統

本次課的要求與重難點要求與重點了解5G的性能需求和效率需求。了解5G面臨的多樣化應用場景所帶來的挑戰。了解毫米波通信、Massive-MIMO、全雙工、D2D通信、超密集網絡等新技術的優勢及問題。重點：多樣化應用場景所帶來的問題和解決思路。難點：5G新技術的基本概念第20講5G移動通信系統本次課需要解決的主要問題5G的性能需求和效率需求有哪些？5G面臨的多樣化應用場景所帶來的挑戰有哪些？毫米波通信、Massive-MIMO、全雙工、D2D通信、超密集網絡等新技術的優勢及問題有哪些？第20講5G移動通信系統55G移動通信內容提要15G發展背景2

5G關鍵能力3

5G典型的應用場景 4

5G新技術5

5G展望第20講5G移動通信系統5G發展背景未來的通信體驗：超高清、3D影像，浸入式視頻……第20講5G移動通信系統5G發展背景未來的通信體驗：增強現實、云桌面、在線游戲……第20講5G移動通信系統5G發展背景5G還將滲透到物聯網領域，實現真正的“萬物互聯”。第20講5G移動通信系統5G發展背景未來全球移動通信網絡的設備總量將達到千億規模；預計到2020年，全球移動終端（不含物聯網設備）數量將超過100億，其中中國將超過100億。第20講5G移動通信系統5G發展背景面向2020年及未來，移動數據流量將出現爆炸式增長；預計到2020年全球移動數據流量將增長200倍；預計到2030年全球移動數據流量將增長2萬倍。第20講5G移動通信系統5G發展背景面向未來，移動數據流量爆炸性增長，數以億計的設備接入網絡，各類新業務和應用場景不斷涌現；可以說，5G通信時代已經到來；擺在我們通信研究人員面前的是一份沉甸甸的責任：在5G來臨之前，開發出新的通信技術以滿足如此迫切的業務需求。第20講5G移動通信系統5G發展背景5G將使信息突破時空限制，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴；5G將拉近萬物的距離，便捷地實現人與萬物的智能互聯；5G將為用戶提供光纖般的接入速率，零時延的使用體驗。第20講5G移動通信系統5G發展背景2012年11月歐盟啟動了5G研究項目METIS，同年10月5G創新中心在英國成立；2013年2月中國成立了IMT-2020推進組，同年6月韓國成立了5G技術論壇；

2015年3月3GPP啟動了未來新業務需求研究、5G工作計劃討論；2015年6月，ITU發布了5G愿景，確立了5G關鍵能力指標和主要應用場景；等等…5G研究第20講5G移動通信系統5G的關鍵能力單位面積數據吞吐量顯著提升：相比于4G，5G的系統容量要提高1000倍支持海量設備連接：在一些場景下每平方公里通過5G移動網絡連接的器件數目達到100萬，相對4G增長100倍更低的延時和更高的可靠性：相對4G，時延縮短5-10倍，并提供真正的永遠在線體驗能耗：使網絡綜合的能耗效率提高1000倍，達到1000倍容量提升的同時保持能耗與現有網絡相當5G移動通信更加關注用戶的需求，并為用戶帶來新體驗：第20講5G移動通信系統5G關鍵能力1Gbps的用戶體驗速率，數十Gbps的峰值速率；毫秒級的端到端時延，支持500km/h的隨機移動性；每平方公里10萬部的設備連接，數十Tbps的流量密度。5G性能指標第20講5G移動通信系統5G關鍵能力頻譜利用、能耗和成本是移動通信網絡可持續發展的三個關鍵因素；頻譜效率需提高10倍以上；能源效率和成本效率均要求有百倍以上的提升。5G效率指標第20講5G移動通信系統5G關鍵能力5G和4G的關鍵能力指標比較第20講5G移動通信系統5G典型應用場景面向移動互聯網，兩個傳統技術場景連續廣域覆蓋熱點高容量面向物聯網業務，5G拓展的兩個場景低功耗大連接低延時高可靠5G將面臨多樣化應用場景帶來的挑戰第20講5G移動通信系統5G典型應用場景該場景的主要挑戰在于如何隨時隨地為用戶提供每秒百兆比特的用戶體驗速率。連續廣域覆蓋第20講5G移動通信系統5G典型應用場景每秒千兆比特的用戶體驗速率、每秒萬兆比特的峰值速率是該場景面臨的主要挑戰。熱點高容量第20講5G移動通信系統5G典型應用場景低功耗大連接場景主要面向智慧城市、環境監測、智能農業、森林防火等以傳感和數據采集為目標的應用場景。低功耗大連接第20講5G移動通信系統5G典型應用場景低延時高可靠場景主要面向車聯網、工業控制等垂直行業的特殊應用需求。低延時高可靠第20講5G移動通信系統5G新技術毫米波通信技術MassiveMIMO技術全雙工技術D2D通信超密集網絡新型多址技術技術和SDN第20講5G移動通信系統5G新技術支持5G關鍵性能指標的相應關鍵技術第20講5G移動通信系統MassiveMIMO技術MassiveMIMO，在現有MIMO技術基礎上通過大規模增加發送端天線數目，以形成數十個獨立的空間數據流，進而達到數倍提升多用戶系統的頻譜效率。第20講5G移動通信系統大規模天線陣列技術的優勢提高頻譜效率提高功率效率大幅度降低干擾簡化收發信機結構大規模天線陣列技術需要克服的難題導頻污染嚴重信道模型缺乏復雜度和性能兼備的算法信道估計開銷大MassiveMIMO技術第20講5G移動通信系統毫米波通信技術現有的無線通信常用頻段已經擁擠不堪，并且很難在傳輸速率量級上實現突破。為滿足Gbps的高速無線傳輸，向更高的頻段進軍是可能的解決方式。在毫米波頻段（26.5-300GHz）上，具有更多的頻譜空間，能夠滿足移動帶寬對容量和速率的需求。第20講5G移動通信系統毫米波通信技術毫米波通信的優勢極寬的帶寬極窄的波束安全保密性毫米波通信需要克服的難題傳播損耗大繞射能力差雨衰效應嚴重第20講5G移動通信系統傳統半雙通信技術不能在同一頻率上實現信號的同時收發，造成無線頻譜資源的極大浪費；全雙工通信技術同頻同時雙工技術是通過天線、射頻以及數字部分的干擾隔離和消除，實現在同一時隙和頻率上同時發送信號和接收信號。該技術理論上可以提高空口頻譜效率1倍，同時能夠帶來頻譜的更靈活分配和使用，這就是其發展的最強驅動力。同時同頻全雙工技術第20講5G移動通信系統同時同頻全雙工技術同時同頻全雙工傳輸發送和接收的基本原理第20講5G移動通信系統同時同頻全雙工技術全雙工技術的優勢信道容量加倍降低反饋時延提高網絡的安全性提高頻譜使用靈活度全雙工技術需要克服的難題自干擾問題嚴重用戶間的相互干擾增加功率消耗和設備復雜度增大第20講5G移動通信系統D2D通信技術隨著移動互聯網和社交網絡的日益發展，信息流向呈現熱點區域的局域化特點，業務的本地特性更加明顯，設備到設備（Device-to-Device，D2D）通信呼之欲出D2D通信是指當兩個移動終端距離很近時的直接進行通信的一種通信方式。第20講5G移動通信系統D2D通信技術D2D技術帶來的增益地理位置增益，即地理位置的相近性帶來良好直傳信道質量，可能會使通信具有極高的數據速率、低的延遲以及低的功率消耗等優良性能；用增益，即蜂窩系統的無線資源可能同時被蜂窩鏈路和D2D鏈路使用，提升系統的頻率復用效率；跳增益，相比于傳統的蜂窩設備之間需要上行鏈路和下行鏈路的蜂窩通信方式，D2D通信方式僅需要一跳傳輸即可完成。D2D技術需要克服的難題鄰居發現模式選擇資源分配干擾抑制第20講5G移動通信系統超密集網絡技術隨著智能手機和移動電腦等移動設備的廣泛使用，無線數據流量持續快速增長，僅靠無線物理層技術難以解決數據量急劇增長和頻譜資源緊缺的雙重難題。UDN通過部署更加“密集化”的無線接入點等基礎設施，以獲得更高頻率復用效率，在局部熱點地區實現成百倍系統容量的提升。第20講5G移動通信系統密集蜂窩網絡的優勢密集蜂窩網絡適于解決室內容量的需求問題。小蜂窩可以分擔一部分宏蜂窩的負載，降低了移動設備與基站的能耗。部署小蜂窩的成本花費遠遠低于宏蜂窩。需要克服的難題宏蜂窩與小蜂窩之間的頻譜資源分配小蜂窩的隨機部署對于核心網絡的靈活接入問題分布式小蜂窩的同步、載波選擇和功率控制超密集網絡技術第20講5G移動通信系統從1G到4G中所采用的多址技術看，主流多址方式是正交多址。然而，隨著用戶數的激增，僅用傳統正交方式的多址方式將難以滿足這些需求。從多用戶信息論角度看，非正交多址技術不僅能進一步增強頻譜效率，也是逼近多用戶信道容量界的有效手段。因此，近年來，人們提出了各種各樣的新型多址技術，如基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址（PDMA）、基于功率疊加的非正交多址（NOMA）等。新型多址技術第20講5G移動通信系統軟件定義網絡（SDN）SDN是一種全新的網絡架構，其核心理念是轉發與控制分離、集中控制、開放可編程，它可通過OpenFlow接口協議將網