无线通信技术及5G关键技术介绍

西安电子科技大学简明微波大作业 无线通信技术史及无线通信技术史及 5G 关键技术简介关键技术简介 姓名 张健康姓名 张健康 学号 学号 姓名 王晨阳姓名 王晨阳 学号 学号 姓名 王李宁姓名 王李宁 学号 学号 西安电子科技大学简明微波大作业 摘 要 1 1 引言 1 2 无线通信技术概念 2 2 1 3G 即将成为过去 2 2 2 4G 是现在 2 2 3 5G 是未来 3 2 4 各国研究进展 4 3 5G 性能指标 6 4 5G 关键技术 6 4 1 新型多天线技术 6 4 2 高频段的使用 7 4 3 同时同频全双工 7 4 4 终端直通技术 D2D 7 4 5 密集网络 7 4 6 新型网络架构 8 5 结束语 8 中国 机遇与竞争并存 9 参考文献 9 摘摘 要要 第五代通信系统是面向 2020 年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统 西安电子科技大学简明微波大作业 它是一个多业务技术融合的网络 通过技术的演进和创新 满足未来广泛的数 据 连接的各种业务不断发展的需要 提升用户体验 本文首先介绍 5G 的概 念 然后阐述了 5G 的性能指标 重点对 5G 的关键技术进行论述 这些关键技 术包括新型多天线技术 微波段的使用 同时同频全双工 设备间直接通信技 术 自组织网络 关键词关键词 5G 无线通信 关键技术 移动通信技术 无线通信 关键技术 移动通信技术 1 引言 引言 4G 网络部署正在如火如荼地进行时 关于 5G 的研究也拉开了序幕 2012 年 由欧盟出资 2700 亿欧元支持的 5G 研究 项 目 METIS Mobile and Wireless Communications Enablers for the2020Information Society 1 正式启动 项目分 为八个组分别对场景需求 空口技术 多天线技术 网络架构 频谱分析 仿 真及测试平台等方面进行深入研究 英国政府联合多家企业 创立 5G 创新中 心 致力于未来用户需求 5G 网络关键性能指标 核心技术的研究与评估验证 韩国由韩国科技部 ICT 和未来计划部共同推动成立了韩国 5G Forum 专门 推动其国内 5G 进展 中国 工业和信息化部 发改委和科技部共同成立 IMT 2020 推进组 作为 5G 工作的平台 旨在推动国内自主研发的 5G 技术成为国际 标准 可见 对于 5G 的研究 许多国家或组织都在积极地进行中 未来 5G 技 术将使人们的通信生活发展到一个全新的阶段 2 无线通信技术概念 无线通信技术概念 GSM 是第一代的无线通信技术 为模拟技术 采用的是频分多址方 式 频谱的利用效率非常低下 GSM 诞生之初的目的为使用数字技 术取代模拟技术 提高语音通话的 质量 提高频谱利用效率 降低组 网成本 GSM 可以说是迄今为止最 为成功的无线通信技术 可以实现 全球漫游 GSM 主要解决的是语音 通话问题 而随着对移动数据的要 求提高 提出了第三代移动通信技 术 3G 西安电子科技大学简明微波大作业 2 1 3G 即将成为过去即将成为过去 3G 是第三代移动 通信技术 是指支持 高速数据传输的蜂窝 移动通讯技术 3G 服 务能够同时传送声音 及数据信息 速率一 般在几百 kbps 以上 3G 是指将无线通信与 国际互联网等多媒体 通信结合的新一代移 动通信系统 目前 3G 存在 3 种标准 CDMA2000 WCDMA TD SCDMA 中国国内支持国际电联确定三个无线接口标准 分别是中国电信的 CDMA2000 中国联通的 WCDMA 中国移动的 TD SCDMA GSM 设备采用的是 时分多址 而 CDMA 使用码分扩频技术 先进功率和话音激活至少可提供大于 3 倍 GSM 网络容量 业界将 CDMA 技术作为 3G 的主流技术 国际电联确定三 个无线接口标准 分别是美国 CDMA2000 欧洲 WCDMA 中国 TD SCDMA 第三代无线通信技术的最大的技术特征是采用了码分多址技术 CDMA 由 于全球各国看到了移动通信技术方面的巨大的利益 提出了互不相关的三个制 式的通信技术 导致了全球 3G 网络的事实上的割裂 全球的漫游的便利程度 远不如 GSM 3G 在发展过程中随着技术的发展提出了多个版本 数据业务速率 一直在提高 但是受制于 CDMA 技术 频谱利用效率会有极限 而且随着 4G 的到来 其发展最终停止了 2 2 4G 是现在是现在 4G 第四代移动电话行动通信标准 指的是第四代移动通信技术 外语缩写 4G 该技术包括 TD LTE 和 FDD LTE 两种制式 4G 是集 3G 与 WLAN 于一体 并 能够快速传输数据 高质量 音频 视频和图像等 4G 能够以 100Mbps 以上 的速度下载 比目前的家用宽带 ADSL 4 兆 快 25 倍 并能够满足几乎所有用 户对于无线服务的要求 此外 4G 可以在 DSL 和有线电视调制解调器没有覆盖 的地方部署 然后再扩 展到整个地区 很明显 4G 有着不可比拟的优越 性 4G 网络是一个基于数 据业务的网络 最大的 优点是数据速率方面的 提高 与 3G 最大的技术 上的区别是采用了 OFDM 西安电子科技大学简明微波大作业 编码 频谱利用效率已经有了极大的提高 而且 FDD 和 TDD 两种制式仅仅是在 空口上有区别 实际上可以认为一种技术 4G 网络并不象 2G 3G 网络一样支持 语音通路 采用 VoLTE 技术之后可以支持语音业务 实际上这是一种 IP 电话 语音业务的数据量相对于数据业务来说是非常小的 部署 VoLTE 之后 4G 网络 的语音业务容量可以说是接近无限的 类似于模拟到数字转换的 GSM 协议 4G 协议有希望取得一样的成功 4G 网络的最大的缺点是全球频段众多 现在 3GPP 划分的 4G 频段共有 44 个 频率从 700MHz 到 3 6GHz 导致在设计终端 的时候非常复杂 如现在的国内的全网通手机需要支持 GSM CDMA WCDMA TDSCDMA EVDO TDD LTE FDD LTE 频段多达 17 个 即使 支持如此之多的频段 全球漫游上还是需要使用 GSM 网络进行 2 3 5G 是未来是未来 5G 5th generation 是第五代移动通信技术的简称 5G 弥补了 4G 技术的 不足 在吞吐率 时延 连接数量 能耗等方面进一步提升系统性能 它采取 数字全 IP 技术 支持和分组交换 它既不是单一的技术演进 也不是几个全新 的无线接入技术 而是整合了新型无线接入技术和现有无线接入技术 WLAN 4G 3G 2G 等 通过集成多种技术来满足不同的需求 是一个真 正意义上的融合网络 并且 由于融合 5G 可以延续使用 4G 3G 的基础设施 资源 并实现与 4G 3G 2G 的共存 随着用户需求的驱动 对包括传输技术和网络技术在内的 5G 关键技术提 出了极大的挑战 5G 将通过更高的频谱效率 更多的频谱资源以及更密集的小 区部署等 共同满足移动业务流量增长的需求 在网络容量方面 5G 通信技术 将比 4G 实现单位面积移动数据流量增长 1000 倍 在传输速率方面 典型用户 数据速率将提升 10 到 100 倍 峰值传输速率可达 10Gbps 4G 为 100Mbps 同时 端到端时延缩短 5 10 倍 频谱效率提升 5 10 倍 网络综合能效提升 1000 倍 5G 通信下手机的无线下载速度最快可达每秒 3 6Gbps 千兆 数据传输速 度单位 1Gbps 1024Mbps 较 LTE 泛称准 4G 的 75Mbps 兆 快数百倍 使用该技术下载一部超高清电影文件最多仅需 1 秒时间 容量较大的 3D 电影 和游戏等亦能实现秒传 5G 技术的提出总体来说还是要提高数据通信的速率 同时降低单位数据业 务的成本 从目前公布的主要技术 如 密集网络部署 多天线阵列技术 用 户速率 发射功率 能耗效率等关键技术和 5G 本身并无关系 在 4G 范围之内 都可以解决 5G 要做的事情还是要解决频谱利用效率的问题 而且 4G 受到的 移动网络开放性带来的问题在 5G 时代还是同时存在的 密集的网络部署成本 很高 而且只解决了点的问题 无法解决面的问题 点的问题还有更为廉价的 解决办法就是 WIFI WIFI 由于成本的关系 不需要复杂的基站和网络中心等基 础设施建设 发展速度大大的快于移动通信技术 802 11ad 标准已经可以达到 5Gbps 的通信速度 而且 WIFI 诞生之初就是点的解决方案 不存在面的问题 而且由于成本低廉 多部署几个点不是问题 西安电子科技大学简明微波大作业 2 4 各国研究进展各国研究进展 目目前前全全球球都都已已开开展展 5G 的的研研究究工工作作 中国中国 2013 年 10 月 我国启动了国家 863 计划 第五代移动通信系统研究开发 项目 今年投入 1 6 亿元人民币 在 2020 年之前 系统地研究 5G 移动通信体 系架构 无线组网 无线传输 新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键 技术 完成性能评估及原型系统设计 进行技术试验与测试 华为打破 5G 空口数据传输纪录 实测速率超过 100GBPS 华为 2014 年 2 月 22 日宣布 在高频段无线 5G 空口环境下实现了高达 115Gbps 的峰值传输速率 目前为止 华为已经在全球 9 个地域建立 5G 的创新研究中 心 中兴发布 5G 白皮书 展示下一代移动远景 中兴通讯于 2014 年 2 月发布了 5G 白皮书 其中描述了超大数据流量网络给消 费者和企业实现了在广泛的日常生活和工作中可以即时按需接入实时应用和获 取信息 将数字世界和物理世界合二为一 欧洲欧洲 欧盟拨款 5000 万欧元加速 5G 技术发展 2020 年推出成熟标准 欧盟委员会副主席 Neelie Kroes 在移动世界大会 MWC 2013 上宣布 欧盟将拨 款 5000 万欧元 约合 6540 万美元 加速 5G 移动技术的发展 计划到 2020 年推出成熟的标准 5G 公私合作联盟成立 华为致力于共建全球 5G 生态圈 欧盟及产业界各方共同推动 5GPPP Association 5G 公私合作联盟 于 2014 年世界移动通信上正式宣告成立 5GPPP 是欧盟重点投入的 5G 旗舰研究项目群 总投资近 7 亿欧元用于基础性研究 华为作为 5GPPP Association 成员 5GPPP 欧洲技术平台委员会董事会成员 英国 5G 创新中心 5GIC 创始成员之一 中国 5G 研究国家项目的发起者之一 积极参与项目的制定 规划和执行 欧盟与爱立信等 5G PPP 联盟成员启动全新 5G 合作项目 欧盟委员会携手 5G 公私合作 5G PPP 联盟于 2014 年 2 月推出全新 5G 基 础设施公私合作项目 将深入研究未来十年 5G 通信基础设施的解决方案 架 构 技术以及标准等 5G PPP 联盟由爱立信 阿尔卡特朗讯 诺基亚通信 Orange 及卫星运营商 SES 创立 汇聚了电信业 IT 业以及科研院所等多方参与 者 西安电子科技大学简明微波大作业 1 2 亿美元 英德将合作研究 5G 通信 英国首相卡梅伦 2014 年 3 月 9 日在汉诺威表示 英国与德国将加强在第五代移 动通信技术 5G 和物联网研究上的合作 并共同推进欧洲电信市场一体化 爱立信与两家合作伙伴在瑞典建立 5G 传输实验室 2014 年 3 月 爱立信与瑞典皇家理工学院 瑞典 ICT 研究机构 Acero 携手 共 同成立了 5G 传输实验室 三方将采取创新的合作方法 共同推动网络传输基 础设施的进一步发展 这也是实现未来 5G 网络和网络社会的关键一步 爱立信携手纽约大学无线中心共同加快 5G 移动技术的研发 爱立信于 2014 年 4 月宣布成为纽约大学无线中心 NYU WIRELESS 联合赞助商 双方将携手合作研究开发 5G 技术 美国美国 英特尔推动毫米波无线频段 5G 研究 2014 年 3 月 在成功主导将 60GHz 导入区域网络 LAN 后 英特尔正推动一 项研究 以定义在下一代蜂窝系统中采用毫米波无线频段的提案 据介绍 英 特尔正与欧洲两大联盟以及三星 Samsung 等厂商合作 共同开发 5G 毫米波 频谱计划 该公司还在中国与韩国等地追踪有关 5G 的最新发展 应应对对 5G 通通信信标标准准 安安捷捷伦伦布布局局高高频频及及天天线线阵阵列列测测试试技技术术 在国际电信联盟 ITU 和欧盟 5GPPP 全力促成下 5G 无线通信标准已初具雏 形 将采用高达 10 80GHz 频段 250MHz 带宽 支持六十四根以上天线阵列 技术 由于测试测量技术与新技术的诞生息息相关 当前测试测量厂商都在加 紧布局高频及天线陈列测试技术 以应对 5G 通信标准的研发 以促进 5G 通信 于 2020 年正式投入商用 韩国韩国 三星称研发 5G 通信技术 下载速率可达 10GBPS 2013 年 5 月 三星宣布已经成功开发了第 5 代移动通信 5G 的核心技术 这一 技术预计将于 2020 年开始部署 测试人员用 64 个天线组 以 28GHz 频段进行 最快达 1 056Gbps 的速度进行无线传输 最远传输距离可达 2 公里 其速度几 乎是 4G 的百倍以上 日本日本 日本电信商示范 5G 网络计划 比 4G 快 100 倍 2013 年 10 月 日本移动通信运营商 NTT DoCoMo 在日本高新技术博览会上正 式对外公布了其 5G 网络计划的相关细节 西安电子科技大学简明微波大作业 3 5G 性能指标性能指标 对于 5G 需要满足一些什么样的指标 工信部电信研究院选择了体育场 办公 室 密集住宅区等场景 结合车联网 视频点播等应用进行实例分析 对每一 种场景下的不同应用进行分析 发现无线技术成为应用发展的制约因素 要在 不同的场景下使用户获得良好的应用体验 需要满足以下指标 4 1 5G 的传输速率在 4G 的基础上提高 10 100 倍 体验 速率能够达到 0 1 1Gbps 峰值速率能够达到 10Gbps 2 时延降低到 4G 的 1 10 或 1 5 达到毫秒 级水平 3 设备密集度能够达到 600 万个 平方公里 4 流量密度能够在 20Tbps 平方公里以上 5 移动性达到 500km h 实现高铁环境下的良好用户体 验 为了满足上述性能指标的要求 使用户获得良好的业务体验 除了以上的这些 指标外 能耗效率 频谱效率及峰值速率等指标也是重要的 5G 技术指标 需 要在 5G 系统设计时综合考虑 4 5G 关键技术关键技术 LTE A 的技术标准主要由 3GPP 国际标准化组织制定 业界初步认为在 3GPP R14 阶段 2016 年 将启动 5G 技术的标准研究工作 5G 无线关键技术的主要方向 包括 3 4 1 新型多天线技术新型多天线技术 随着无线通信的高速发展 对数据流量的需求越来越大 而可用频谱资源是有 限的 因此 提高频谱利用效率显得尤为重要 多天线技术是一种提高网络可 靠性和频谱效率的有效手段 目前正被应用于无线通信领域的各个方面 如 3G LTE LTE A 等 天线数量的增加 可以保证传输的可靠性以及频谱效率 新型大规模天线技术可以实现比现有的 MIMO 技术更 加高的空间分辨率 使得多个用户可以利用同一时频资源进行通信 从而在不 增加基站密度的情况下大幅度提高频率效率 新型多天线技术可以降低发送功 率 可以将波束集中在很窄的范围内 可以降低干扰 总之 新型多天线技术 无论在频谱效率 网络可靠性还是能耗方面都具有不可比拟的优势 因此在 5G 时代会普遍使用 限于多天线技术所占用空间大 系统复杂度提升 对设备的 西安电子科技大学简明微波大作业 外观设计 系统部署能力都带来了极大挑战 因此未来这方面也是研究热点 5 6 4 2 高频段的使用高频段的使用 对于移动通信系统而言 在 3GHz 以下的频段可以很好地支持移动性 有良好 的覆盖范围 但目前在这一区间的频谱资源十分紧张 而在 3GHz 以上的频谱 资源非常丰富 如果能够有效利用这一区间的频谱资源 将会极大地缓解频谱 资源紧张的问题 因此 高频段的使用将会成为未来发展的趋势 高频段具有 许多优点 比如 可用带宽非常充足 设备和天线小型化 天线增益较高 不 过高频段也存在着一些不足之处 例如 穿透和绕射能力弱 传输距离短 传 播特性不佳等 同时高频器件和系统设计成熟度 成本等因素也需要得到解决 7 4 3 同时同频全双工同时同频全双工 传统的无线通信技术由于其局限性 并不能实现同时同 频的双向通信 这造成了极大的资源浪费 而全双工同时同 频技术可以实现上行链路和下行链路同时利用相同的频率 资源进行双向通信 理论上可以令资源利用率提升一倍 不 过全双工同时同频技术也面临一个技术难题 就是在发送和 接收信号的过程中 由于功率差距非常大 会导致非常严重 的自干扰 因此首要解决的问题就是干扰消除 另外 还存 在着邻小区同频干扰问题 全双工同时同频在多天线的环境 下应用难度会更大 需要深入研究 7 4 4 终端直通技术 终端直通技术 D2D 传统的蜂窝通信系统的组网方式 是以基站为中心实现小区覆盖 而基站及中 继站无法移动 其网络结构在灵活度上有一定的限制 随着无线多媒体业务不 断增多 传统的以基站为中心的业务提供方式 已无法满足海量用户在不同环 境下的业务需求 D2D 技术能够无需借助于基站的帮助实现通信终端之间直接通信 拓展网络连 接和接入方式 由于短距离直接通信 信道质量高 能够实现较高的数据速率 较低的时延和较低的功耗 通过广泛分布的终端 能够改善覆盖 实现频谱资 源的高效利用 支持更灵活的网络架构和连接方法 提升链路灵活性和网络可 靠性 目前 D2D 采用广播 组播和单播技术方案 未来将发展其增强技术 包括基于 D2D 的中继技术 多天线技术和联合编码技术等 8 西安电子科技大学简明微波大作业 4 5 密集网络密集网络 在未来的 5G 通信中 无线通信网络正朝着网络多元化 宽带化 综合化 智 能化的方向演进 随着各种智能终端的普及 数据流量将发生井喷式的增长 未来数据业务将主要分布在室内和热点地区 这使得超密集网络成为了实现未 来 5G 的 1000 倍流量需求的主要手段之一 超密集网络将能够改善网络覆盖 大幅度提升系统容量 并且对业务进行分流 具有更灵活的网络部署和更高效 的频率复用 未来 面向高频段大带宽 将采用更加密集的网络方案 部署高 达 100 个以上小小区 扇区 与此同时 愈发密集的网络部署 也使得网络拓扑更加复杂 小区间干扰已经 成为制约系统容量增长的主要因素 极大地降低了网络能效 干扰消除 小区 快速发现 密集小区间协作 基于终端能力提升的移动性增强方案等 都是目 前密集网络方面的研究热点 4 6 新型网络架构新型网络架构 目前 LTE 接入网采用网络扁平化架构 减小了系统时延 降低了建网成本和 维护成本 未来 5G 可能采用 C RAN 接入网架构 C RAN 是基于集中化处理 Centralized Processing 协作式无线电 Collaborative Radio 和实时云计算构架 Real time Cloud Infrastructure 的绿色无线接入网构架 Clean system C RAN 的 基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络 直接在远端天线和集中化的 中心节点间传送无线信号 以构建覆盖上百个基站服务区域 甚至上百平方公 里的无线接入系统 C RAN 架构适于采用协同技术 能够减小干扰 降低功耗 提升频谱效率 同时便于实现动态使用的智能化组网 集中处理有利于降低成 本 便于维护 减少运营支出 目前 研究的内容包括 C RAN 的架构和功能 如集中控制 基带池 RRU 接口定义 基于 C RAN 的更紧密协作 如基站簇 虚 拟小区等 西安电子科技大学简明微波大作业 5 结束语 结束语 5G 是基于第四代移动通信的演进 其未来的发展方向必定以 人的体验 为中心 在终端 无线 业务 网络等领域进行融合以及创新 同时 5G 在用 户感知 获取 参与和控制信息的能力上带来革命性的影响 5G 网未来将会结 合蜂窝网和局域网的优点 形成 一个更加智能 友好的环境 在另一方面 5G 也是以物为 基础的通信 如车联网 物联网 智慧城市 新型智能终端 这些 应用对网络要求和以人为基础的 通信要求有很大区别 如 M2M 在消息交换的应用中对速率要求不高 时延也 不敏感 而不同的物联网场景对网络性能要求也尽不相同 这就要求 5G 时代 网络更加具有 智慧 随着时间的推进 5G 技术将会在 2020 年以后实现商用 将能满足未来移动互联网业务的飞速发展的需求 为用户带来全新体验 随着 研究的不断深入 5G 的各项关键技术将逐步明确 并且在未来的几年会进入标 准化的研究与制定阶段 中国中国 机遇与竞争并存机遇与竞争并存 按照移动通信标准 10 年一代的发展规律 5G 已经成为全球移动通信领域 新一轮技术竞争焦点 欧盟于 2012 年底启动了全面面向 5G 的研究计划 日本 韩国 英国也相继立项支持 5G 的研究与开发工作 并成立了专门的推进组织 西安电子科技大学简明微波大作业 2013 年初 我国由科技部 工信部等部门牵头成立了相关