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数字移动通信 第二十讲5G移动通信5G面临的问题及潜在技术 2 2 5G移动通信 内容提要15G发展背景25G关键能力35G典型的应用场景45G新技术55G展望 3 本次课的要求与重难点 要求与重点了解5G的性能需求和效率需求 了解5G面临的多样化应用场景所带来的挑战 了解毫米波通信 Massive MIMO 全双工 D2D通信 超密集网络等新技术的优势及问题 重点 多样化应用场景所带来的问题和解决思路 难点 5G新技术的基本概念 4 本次课需要解决的主要问题 5G的性能需求和效率需求有哪些 5G面临的多样化应用场景所带来的挑战有哪些 毫米波通信 Massive MIMO 全双工 D2D通信 超密集网络等新技术的优势及问题有哪些 5 5 5G移动通信 内容提要15G发展背景25G关键能力35G典型的应用场景45G新技术55G展望 6 5G发展背景 未来的通信体验 超高清 3D影像 浸入式视频 7 5G发展背景 未来的通信体验 增强现实 云桌面 在线游戏 8 5G发展背景 5G还将渗透到物联网领域 实现真正的 万物互联 9 5G发展背景 未来全球移动通信网络的设备总量将达到千亿规模 预计到2020年 全球移动终端 不含物联网设备 数量将超过100亿 其中中国将超过100亿 10 5G发展背景 面向2020年及未来 移动数据流量将出现爆炸式增长 预计到2020年全球移动数据流量将增长200倍 预计到2030年全球移动数据流量将增长2万倍 11 5G发展背景 面向未来 移动数据流量爆炸性增长 数以亿计的设备接入网络 各类新业务和应用场景不断涌现 可以说 5G通信时代已经到来 摆在我们通信研究人员面前的是一份沉甸甸的责任 在5G来临之前 开发出新的通信技术以满足如此迫切的业务需求 12 5G发展背景 5G将使信息突破时空限制 为用户带来身临其境的信息盛宴 5G将拉近万物的距离 便捷地实现人与万物的智能互联 5G将为用户提供光纤般的接入速率 零时延的使用体验 13 5G发展背景 2012年11月欧盟启动了5G研究项目METIS 同年10月5G创新中心在英国成立 2013年2月中国成立了IMT 2020推进组 同年6月韩国成立了5G技术论坛 2015年3月3GPP启动了未来新业务需求研究 5G工作计划讨论 2015年6月 ITU发布了5G愿景 确立了5G关键能力指标和主要应用场景 等等 5G研究 14 5G的关键能力 单位面积数据吞吐量显著提升 相比于4G 5G的系统容量要提高1000倍支持海量设备连接 在一些场景下每平方公里通过5G移动网络连接的器件数目达到100万 相对4G增长100倍更低的延时和更高的可靠性 相对4G 时延缩短5 10倍 并提供真正的永远在线体验能耗 使网络综合的能耗效率提高1000倍 达到1000倍容量提升的同时保持能耗与现有网络相当 5G移动通信更加关注用户的需求 并为用户带来新体验 15 5G关键能力 1Gbps的用户体验速率 数十Gbps的峰值速率 毫秒级的端到端时延 支持500km h的随机移动性 每平方公里10万部的设备连接 数十Tbps的流量密度 5G性能指标 16 5G关键能力 频谱利用 能耗和成本是移动通信网络可持续发展的三个关键因素 频谱效率需提高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效率指标 17 5G关键能力 5G和4G的关键能力指标比较 18 5G典型应用场景 面向移动互联网 两个传统技术场景连续广域覆盖热点高容量面向物联网业务 5G拓展的两个场景低功耗大连接低延时高可靠 5G将面临多样化应用场景带来的挑战 19 5G典型应用场景 该场景的主要挑战在于如何随时随地为用户提供每秒百兆比特的用户体验速率 连续广域覆盖 20 5G典型应用场景 每秒千兆比特的用户体验速率 每秒万兆比特的峰值速率是该场景面临的主要挑战 热点高容量 21 5G典型应用场景 低功耗大连接场景主要面向智慧城市 环境监测 智能农业 森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景 低功耗大连接 22 5G典型应用场景 低延时高可靠场景主要面向车联网 工业控制等垂直行业的特殊应用需求 低延时高可靠 23 5G新技术 毫米波通信技术MassiveMIMO技术全双工技术D2D通信超密集网络新型多址技术技术和SDN 24 5G新技术 支持5G关键性能指标的相应关键技术 25 MassiveMIMO技术 MassiveMIMO 在现有MIMO技术基础上通过大规模增加发送端天线数目 以形成数十个独立的空间数据流 进而达到数倍提升多用户系统的频谱效率 26 大规模天线阵列技术的优势提高频谱效率提高功率效率大幅度降低干扰简化收发信机结构大规模天线阵列技术需要克服的难题导频污染严重信道模型缺乏复杂度和性能兼备的算法信道估计开销大 MassiveMIMO技术 27 毫米波通信技术 现有的无线通信常用频段已经拥挤不堪 并且很难在传输速率量级上实现突破 为满足Gbps的高速无线传输 向更高的频段进军是可能的解决方式 在毫米波频段 26 5 300GHz 上 具有更多的频谱空间 能够满足移动带宽对容量和速率的需求 28 毫米波通信技术 毫米波通信的优势极宽的带宽极窄的波束安全保密性毫米波通信需要克服的难题传播损耗大绕射能力差雨衰效应严重 29 传统半双通信技术不能在同一频率上实现信号的同时收发 造成无线频谱资源的极大浪费 全双工通信技术同频同时双工技术是通过天线 射频以及数字部分的干扰隔离和消除 实现在同一时隙和频率上同时发送信号和接收信号 该技术理论上可以提高空口频谱效率1倍 同时能够带来频谱的更灵活分配和使用 这就是其发展的最强驱动力 同时同频全双工技术 30 同时同频全双工技术 同时同频全双工传输发送和接收的基本原理 31 同时同频全双工技术 全双工技术的优势信道容量加倍降低反馈时延提高网络的安全性提高频谱使用灵活度全双工技术需要克服的难题自干扰问题严重用户间的相互干扰增加功率消耗和设备复杂度增大 32 D2D通信技术 随着移动互联网和社交网络的日益发展 信息流向呈现热点区域的局域化特点 业务的本地特性更加明显 设备到设备 Device to Device D2D 通信呼之欲出D2D通信是指当两个移动终端距离很近时的直接进行通信的一种通信方式 33 D2D通信技术 D2D技术带来的增益地理位置增益 即地理位置的相近性带来良好直传信道质量 可能会使通信具有极高的数据速率 低的延迟以及低的功率消耗等优良性能 用增益 即蜂窝系统的无线资源可能同时被蜂窝链路和D2D链路使用 提升系统的频率复用效率 跳增益 相比于传统的蜂窝设备之间需要上行链路和下行链路的蜂窝通信方式 D2D通信方式仅需要一跳传输即可完成 D2D技术需要克服的难题邻居发现模式选择资源分配干扰抑制 34 超密集网络技术 随着智能手机和移动电脑等移动设备的广泛使用 无线数据流量持续快速增长 仅靠无线物理层技术难以解决数据量急剧增长和频谱资源紧缺的双重难题 UDN通过部署更加 密集化 的无线接入点等基础设施 以获得更高频率复用效率 在局部热点地区实现成百倍系统容量的提升 35 密集蜂窝网络的优势密集蜂窝网络适于解决室内容量的需求问题 小蜂窝可以分担一部分宏蜂窝的负载 降低了移动设备与基站的能耗 部署小蜂窝的成本花费远远低于宏蜂窝 需要克服的难题宏蜂窝与小蜂窝之间的频谱资源分配小蜂窝的随机部署对于核心网络的灵活接入问题分布式小蜂窝的同步 载波选择和功率控制 超密集网络技术 36 从1G到4G中所采用的多址技术看 主流多址方式是正交多址 然而 随着用户数的激增 仅用传统正交方式的多址方式将难以满足这些需求 从多用户信息论角度看 非正交多址技术不仅能进一步增强频谱效率 也是逼近多用户信道容量界的有效手段 因此 近年来 人们提出了各种各样的新型多址技术 如基于非正交特征图样的图样分割多址 PDMA 基于功率叠加的非正交多址 NOMA 等 新型多址技术 37 软件定义网络 SDN SDN是一种全新的网络架构 其核心理念是转发与控制分离 集中控制 开放可编程 它可通过OpenFlow接口协议将网络设备控制面与数据面分离开来 进而实现网络流量