宽带无线通信第3讲 - 专题1

罗志年副教授zhinianluo@BroadbandWirelessCommunications宽带无线通信专题一第五代移动通信系统（5G）阅读IMT-2020（5G）推进组[1]5GVisionandRequirements[2]WhitePaperon5GConcept[3]5GWirelessTechnologyArchitectureWhitePaper[4]5GNetworkTechnologyArchitectureWhitePaper[5]DAstely,EDahlman,GFodoretal.LTErelease12andbeyond[AcceptedFromOpenCall].IEEECommunicationsMagazine,vol.51,pp.154-160,2013.[6]PHKuo.Newphysicallayerfeaturesof3GPPLTErelease-13[IndustryPerspectives].IEEEWirelessCommunications,vol.22,pp.4-5,2015.[7]JLee,Y.Kim,Y.Kwak,etal.LTE-advancedin3GPPRel-13/14:anevolutiontoward5G,"IEEECommunicationsMagazine,vol.54,pp.36-42,2016.100MHz带宽、1Gbps的峰值吞吐量，8X8天线配置5G时间工作计划（timeplan）Rel8,9LTERel1011

12LTE-Advancedworkitem工作项目Enhancement增强Studyitem研究项目3GPP3rdGenerationPartnershipProject3GPP成立于1998年12月，多个电信标准组织伙伴签署了《第三代伙伴计划协议》。3GPP最初的工作范围是为第三代移动通信系统制定全球适用技术规范和技术报告。第三代移动通信系统基于的是发展的GSM核心网络和它们所支持的无线接入技术，主要是UMTS。随后3GPP的工作范围得到了改进，增加了对UTRA长期演进系统的研究和标准制定。目前欧洲ETSI、美国TIA、日本TTC、ARIB、韩国TTA以及我国CCSA作为3GPP的6个组织伙伴（OP）。目前独立成员有300多家，此外，3GPP还有TD-SCDMA产业联盟（TDIA）、TD-SCDMA论坛、CDMA发展组织（CDG）等13个市场伙伴（MRP）。3GPP的组织结构中，最上面是项目协调组（PCG），由ETSI、TIA、TTC、ARIB、TTA和CCSA6个OP组成，对技术规范组（TSG）进行管理和协调。3GPP共分为4个TSG（之前为5个TSG，后CN和T合并为CT），分别为TSGGERAN（GSM/EDGE无线接入网）、TSGRAN（无线接入网）、TSGSA（业务与系统）、TSGCT（核心网与终端）。每一个TSG下面又分为多个工作组。如负责LTE标准化的TSGRAN分为RANWG1（无线物理层）、RANWG2（无线层2和层3）、RANWG3（无线网络架构和接口）、RANWG4（射频性能）和RANWG5（终端一致性测试）5个工作组。3GPP3rdGenerationPartnershipProject3GPP制定的标准规范以Release作为版本进行管理，平均一到两年就会完成一个版本的制定，从建立之初的R99，之后到R4，目前已经发展到R13。3GPP对工作的管理和开展以项目的形式，最常见的形式是StudyItem和WorkItem。3GPP对标准文本采用分系列的方式进行管理，如常见的WCDMA和TD-SCDMA接入网部分标准在25系列中，核心网部分标准在22、23和24等系列中，LTE标准在36系列中等。3GPP3rdGenerationPartnershipProject中国通信标准化协会(ChinaCommunicationsStandardsAssociation，CCSA)于2002年12月18日在北京正式成立。该协会是国内企、事业单位自愿联合组织起来，经业务主管部门批准，国家社团登记管理机关登记，开展通信技术领域标准化活动的非营利性法人社会团体。CCSA由会员大会、理事会、技术专家咨询委员会、技术管理委员会、若干技术工作委员会和秘书处组成。其中主要开展技术工作的技术工作委员会（简称TC）理事长：邬贺铨副理事长：闻库、杨泽民、曹淑敏

名誉理事长：朱高峰、宋直元

高级顾问：周宝信中国通信标准化国际电信联盟是联合国的一个重要专门机构，是联合国机构中历史最长的一个国际组织。简称国际电联、电联或ITU。国际电联是主管信息通信技术事务的联合国机构，负责分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源，制定全球电信标准，向发展中国家提供电信援助，促进全球电信发展。作为世界范围内联系各国政府和私营部门的纽带，国际电联通过其麾下的无线电通信、标准化和发展电信展览活动，而且是信息社会世界高峰会议的主办机构。国际电联总部设于瑞士日内瓦，其成员包括193个成员国和700多个部门成员及部门准成员和学术成员。每年的5月17日是世界电信日(WorldTelecommunicationDay)。2014年10月23日，赵厚麟当选国际电信联盟新一任秘书长，成为国际电信联盟150年历史上首位中国籍秘书长，已于2015年1月1日正式上任，任期四年。国际电信联盟InternationalTelecommunicationUnionITU是联合国的15个专门机构之一，但在法律上不是联合国附属机构，它的决议和活动不需联合国批准，但每年要向联合国提出工作报告。ITU的组织结构主要分为电信标准化部门（ITU-T）、无线电通信部门（ITU-R）和电信发展部门（ITU-D）。ITU每年召开1次理事会，每4年召开1次全权代表大会、世界电信标准大会和世界电信发展大会，每2年召开1次世界无线电通信大会。国际电信联盟InternationalTelecommunicationUnion标准程序在国际标准化组织中，提出标准建议稿的立项方式和立项定位大体分为以下五种情况：1．提案被采纳，作某一重要标准的修订的一部分，或几段；2．提案被采纳，作某一重要标准的更正；3．提案被采纳，作某一重要标准的修订的一部分，与其它几个部分共同组成一个重要国际标准；4．提案被采纳，作某一重要标准的补充；5．提案被采纳，作某一个独立的重要标准，如X.85、X.86。国际标准的影响非常大，一般一项国际标准从提出文稿到批准为标准至少需要两年，往后的3-5年需要对它进行不断的维护和完善。被批准为国际标准需要得到189个国家和600多个工业组织及众多厂商的认可。所以国际标准制订是涉及到重大创新、知识产权、市场、开发的综合能力的体现。国际电信联盟InternationalTelecommunicationUnion纵观全球，欧洲各国、中国、美国、日本和韩国等都已经把5G上升为国家战略。欧盟在2013年成立METIS项目（MobileandWirelessCommunicationsEnablersforthe2020InformationSociety），后又成立5G-PPP项目。中国2013年2月成立IMT-2020（5G）推进组，发布《5G愿景与需求白皮书》、《5G概念》、《5G无线技术构架》、《无线网络技术构架》白皮书，其中主要观点在全球取得高度共识。美国尚未提出国家层面的5G研发计划或政策，但在5G上的研究依然处于世界前列全球5G研发进展IMT-2020(5G)promotion

associationwasjointlyestablishedbythreeministriesofChina(includingMIIT,NDRCandMOST)basedontheoriginalIMT-AdvancedpromotiongroupinFebruary2013.Themembersincludethemainoperators,vendors,universitiesandresearchinstitutesinChina.Thepromotion

associationisthemajorplatformtopromote5GtechnologyresearchinChinaandtofacilitateinternationalcommunicationandcooperation.IMT-2020(5G)推进组ExpertGroup:decideimportantissuesontheresearchandstrategyofPGRequirementWG:study5Gvisionandrequirementstowardsyear2020andbeyondWirelessTechnologyWG:study5Genablingwirelesstechnologiesand5GsystemframeworkNetworkTechnologyWG:study5GnetworkarchitectureandkeytechnologiesSpectrumWG:workonspectrumrelatedtopicsStandardsWGs:interactivewithinternationalstandardorganizationsincludingITU,3GPP,IEEE,etcIPRWG:dealwithIPRissuesandrelevantpolicy.IMT-2020(5G)推进组专题目的1、以5G系统为基本环境，学习未来无线通信新技术和无线网络新构架；2、通过IMT-2020推进组，了解移动通信系统新标准的发展一般历程；3、就一项最新的无线通信具体技术或新方向作为一个项目展开深入的学习、研究，完成项目的综述（20分）、项目具体仿真平台搭建（30分）、最终研究报告（30分）、讲座（20分，30分钟，其中ppt介绍15分钟，讨论15分钟）5GVisionandRequirements5G愿景与需求1、Vision愿景Informationafingeraway,everythingintouch信息随心至，万物触手及1、Vision5Gwillpenetrateintoeveryelementoffuturesocietyandcreateanall-dimensional,user-centeredinformationecosystem.5Gwillprovideuserswithfiber-likeaccessdatarateand“zero”latencyuserexperience.5Gwillbecapableofconnecting100billiondevices.5Gwillbeabletodeliveraconsistentexperienceacrossavarietyofscenariosincludingthecasesofultra-hightrafficvolumedensity（超高流量密度）,ultra-highconnectiondensity（超高链接密度）,andultra-highmobility.5Gwillalsobeabletoprovideintelligentoptimizationbasedonservicesandusersawareness,andwillimproveenergyandcostefficiency（能量效率和成本效率）

byoverahundredoftimes.2、5Gdrivers驱动力Mobileinternet（移动互联网）andtheInternetofThings(IoT)（物联网）arethetwomaindriversinthefuturedevelopmentofmobilecommunications,andtheywillprovideabroadprospectforthe5G.3、5GKeyPerformanceIndicators关键性能指标PerformanceindicatorsDefinitionUserexperienceddatarate(bps)TheminimumachievabledatarateforauserinrealnetworkenvironmentConnectiondensity(/Km2)ThetotalnumberofconnecteddevicesperunitareaEnd-to-endlatency(ms)ThedurationbetweenthetransmissionofadatapacketfromthesourcenodeandthesuccessfulreceptionatdestinationnodeTrafficvolumedensity(bps/Km2)ThetotaldatarateofallusersperunitareaMobility(Km/h)TherelativespeedbetweenreceiverandtransmitterundercertainperformancerequirementPeakdaterate(bps)Themaximumachievabledatarateperuser4、5GKeyEfficiencyIndicators关键效率指标EfficiencyindicatorsDefinitionSpectrumefficiency(bps/Hz/cellorbps/Hz/Km2)Thedatathroughputperunitofspectrumresourcepercell(orperunitarea)Energyefficiency(bit/J)ThenumberofbitsthatcanbetransmittedperjouleofenergyCostefficiency(bit/Y）Thenumberofbitsthatcanbetransmittedperunitcost5、5GKeyCapabilities关键能力5Gsystemsmustdramaticallyoutperformpreviousgenerationsystems.5Gshouldsupport:

1、Userexperienceddatarate:0.1~1Gbps

2、Connectiondensity:1millionconnectionspersquarekilometer

3、End-to-endlatency:millisecondlevel

4、Trafficvolumedensity:tensofGbpspersquarekilometer

5、Mobility:higherthan500Kmperhour

5Gshouldhave5to15timesimprovementonspectrumefficiencyandmorethan100timesimprovementonenergyandcostefficiency.6、TypicalScenarios典型场景Office:TensofTbps/km2trafficvolumedensityDenseResidence:GbpsuserexperienceddatarateStadium1millionconnections/Km2Open-airGathering1millionconnections/Km2SubwaysOver6persons/m2superhighdensityHighwayMillisecondlevelend-to-endlatencyHigh-speedTrainHigherthan500Km/hmobilityWide-areaCoverage100Mbpsuserexperienceddatarate5GConcept5G概念1、Maintechnicalscenariosof5GFourtypicaltechnicalscenariosof5Garederivedfromthemainapplicationscenarios,servicerequirements,andkeychallengesofmobileinternetandIoT.seamlesswide-areacoveragescenariohigh-capacityhot-spotscenariolow-powermassive-connectionsscenariolowlatencyhigh-reliabilityscenario1、Maintechnicalscenariosof5GSeamlesswide-areacoverageandhigh-capacityhot-spotaremainscenariosformobileinternettowards2020andbeyond.Itshouldbenotedthattheyarealsothemainscenariosof4G.However,higherperformancerequirementsshouldbemetin5Gera.Seamlesswide-areacoverageisthebasicscenarioofmobilecommunications.Inthisscenario,themainobjectiveistoprovideseamlessservicetoendusers.Themainchallengeistoprovidemorethan100Mbpsuserexperiencedatarateanytimeandanywhere,evenforusersmovingathighspeedorinunsatisfactorywirelessenvironmentssuchascelledge.High-capacityhot-spotscenariomainlytargetslocalhot-spotareaswhereultra-highdataratesshouldbeprovidedtousersandultrahighvolumetrafficneedtobehandled.Themainchallengeistoprovide1Gbpsuserexperienceddatarate,tensofGbpspeakdatarate,andtensofTbps/km2trafficvolumedensity.1、Maintechnicalscenariosof5GLow-powermassive-connectionsscenariomainlyfocusesonsensoringanddatacollectingusecases,suchassmartcity,environmentalmonitoring,intelligentagriculture,andforestfireprevention.Thecharacteristicsofthisscenarioincludesmalldatapackets,lowpowerconsumption,andlowcost.Ingeneral,thosekindsofdevicesarenumerouswithawidegeographicdistribution.Tosupporttheseapplications,5Gneedstosupportatleast1millionconnectionspersquaredkilometerand100billionconnectionsintotal,inanefficientwaythatallowstheterminalstohaveultra-lowpowerconsumptionandultra-lowcost.Low-latencyhigh-reliabilityscenariomainlyfocusesonverticalindustriessuchasInternetofVehicles(IOV)andindustrialcontrol.Thems-levelend-to-endlatencyor/andnearly100%reliabilityneedtobeguaranteedinthisscenario.1、Maintechnicalscenariosof5GScenariosKeyChallengesSeamlesswide-areacoverage•100MbpsuserexperienceddatarateHigh-capacityhot-spot•Userexperienceddatarate:1Gbps•Peakdatarate:TensofGbps•Trafficvolumedensity:TensofTbps/km2Low-powermassive-connections•Connectiondensity:106/km2•Lowpowerconsumption&lowcostLow-latencyhigh-reliability•Airinterfacelatency:1ms•End-to-endlatency:mslevel•Reliability:nearly100%2、5GKeyTechnologies关键技术Thetechnicalinnovationof5Gwillcomefrombothwirelessandnetworktechnologies.Inthefieldofwirelesstechnologies