《移动通信概论》课件-移动通信课件-第10章

移动通信概论信息科学与技术学院授课人：xxx5G移动通信内容提要15G发展背景2

5G关键能力3

5G典型的应用场景 4

5G新技术5

5G的标准化进程5G发展背景未来的通信体验：超高清、3D影像，浸入式视频……5G发展背景未来的通信体验：增强现实、云桌面、在线游戏……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”。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；到2020年，全球移动终端（不含物联网设备）数量超过100亿，其中中国超过20亿。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2030年全球移动数据流量将增长2万倍。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；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。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。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：5G的关键能力花瓣代表了5G的六大性能指标；绿叶代表了5G的三个效率指标。5G之花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5G关键能力5G和4G的关键能力指标比较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5G典型应用场景5G将通过连接海量的移动终端设备，打破以人为中心的传统通信方式，构架一个泛在连接网络。5G这三大场景的实质是从传统场景向未来新型应用场景的扩张，使得通信从“人与人”走向了“人与物”和“物与物”。概括图示5G网络架构5G网络架构控制面协议栈用户面协议栈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软件定义网络（SDN）新型安全技术5G新技术支持5G关键性能指标的相应关键技术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，使得多个用户可以在同一时频资源上与基站同时进行通信，从而大幅度提高频谱效率，如下图所示。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。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毫米波通信技术毫米波段的大气衰减情况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。

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。同时同频全双工技术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全双工技术比较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。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；复用用增益，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。增益图示图示D2D通信技术相邻小区间的D2D通信增益图示图示D2D通信技术这样，直观上，我们可以获得下面这些好处：邻近位置增益增益图示D2D通信技术这样，直观上，我们可以获得下面这些好处：邻近位置增益复用增益增益图示D2D通信技术这样，直观上，我们可以获得下面这些好处：邻近位置增益、复用增益、跳增益1213增益图示D2D通信技术D2D通信技术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D2D通信技术D2D通信的潜在应用场景：图1.5D2D通信潜在应用场景示意图[5]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。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。超密集网络技术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。5G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。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。出现了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PNMA原理示意图新型多址技术原理：在发送端采用功率复用，对不同的用户分配不同的功率；在接收端采用逐级删除干扰策略，实现多个用户信号的分离。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，进而实现网络流量的灵活控制，并通过开放和可编程接口实现“软件定义”。SDN简化了网络架构，为移动通信网络发展带来了新的思路。新型安全技术-物理层安全技术5G的多样化安全性需求—物理层安全的应用契机这些多样化的安全性需求将会给5G时代的安全机制带来革命性的变化。物理层安全技术具有无需密钥分发和管理、不依赖于计算复杂度、独立于上层应用等优势，可望在5G及后5G中应用。海量设备连接场景下设计物理层安全传输方法应以低复杂度为前提。为保证低复杂度，机会发送策略和自动重传策略是经常被采用的传输策略。5G场景下开放式、动态化的复杂网络结构，增加了节点数量不确定性和节点位置随机性，应用场景的复杂性极大地增加了物联网下窃听场景的建模难度。物联网是5G的