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第五代移动通信的进展及其关键技术 The fifth generation(5G) mobile Communication networks,重庆大学 通信工程学院 冯文江 2015年07月,5G之路 5G需求 5G关键,提 纲,一、5G之路,众所周知,在近30年的时间内,全球移动通信已从20世纪80年代的第一代发展到目前的第四代。我国的移动通信产业经历了全过程,从第一代的引进、第二代的跟进、第三代的参与、到第四代的自主研发,力图在第五代达到引领,得益于国家政策的大力支持和通信人的不懈努力 我国移动通信先后建设了9张网络:A、B、C、G、D、3G(3张)和目前正在大力建设的TD-LTE(4G),一、5G之路,1G(the first generation): A网和B网,模拟体制、FDMA,不同用户同时分配不同频点 由爱立信和摩托罗拉建设,形成了 A网和 B网,两张网用户不能互通,A网地区是北京、天津、上海以及除河北、山东以外的全国各地;B网地区是北京、天津、上海、河北、辽宁、江苏、浙江、四川、黑龙江、山东等地。1996年1月,A、B网联网,能在全国30个省(市、自治区)自动漫游,但从A网区到B网区,需要用户在手机上操作转网(1999年A网和B网同时关闭),一、5G之路,2G(the second generation):C网、G网和D网,数字体制、TDMA,不同用户同频分配不同时隙 C网:CDMA1X,接通率高、噪声小、发射功率小,能实现移动电话的各种智能业务,电信运营商重组前由中国联通拥有 G网:GSM, 20世纪90 年代中期开始建设,能提供许多新业务,具有漫游范围广的特点,称为“全球通”。G 网工作于900MHz频段,频带比较窄。随着移动用户的迅猛增长, G 网已达到容量饱和,为此又建设了“D”网,一、5G之路,D网:DCS1800,基本体制与GSM900系统一致,但工作于1800MHz频段,需要用全球通1800手机。如果使用双频手机,也能在G网漫游、自动切换。许多城市是 DCS1800系统和 GSM900系统同时覆盖一个地区,称为全球通双频系统,其容量能成倍增长 2.5G:2G到3G的衔接,典型代表有: GPRS(General Packet Radio System):提供分组数据交换,采用与G网相同的频段、带宽、调制模式和TDMA帧结构,数据传输速率可达115kbps,支持随时在线,按流量或时间计费,一、5G之路,EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution):将 GPRS 发挥到极限,可透过无线网络提供宽带多媒体服务,数据传输速率可达 384kbps,支持无线多媒体、电子邮件、网络娱乐、视频会议等 WAP(Wireless Application Protocol):移动通信与互联网结合的第一阶段性产物。用户可用手机上网,但要求网站以WML(无线标记语言)编写,相当于Internet上的HTML(超文件标记语言),一、5G之路,3G (the third generation): TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000和WiMAX,不同用户同时同频分配不同码字 可提供丰富的移动多媒体业务,传输速率在高速移动环境 144kb/s,步行慢速移动环境384kb/s,静止状态2Mb/s。其设计目标是提供比 2G更大的系统容量、更好的通信质量,能在全球范围内实现无缝漫游,为用户提供话音、数据及多媒体业务,并与2G系统兼容。3G的主流标准有:WCDMA(中国联通)、CDMA2000(中国电信)与TD-SCDMA(中国移动) ,我国2009年1月颁发3张3G牌照,一、5G之路,4G (the fourth generation): TD-LTE和FDD-LTE,不同用户分配不同子载波组 集3G与WLAN于一体并能传输高质量视频业务,视频质量与高清电视相当。4G系统能提供100Mbps的下行速率,上行速率也高达20Mbps,能满足几乎所有用户对无线服务的要求。我国2013年12月向3家运营商同时颁发了TD-LTE牌照,一、5G之路,随着4G的全球商用,针对第五代移动通信 (5G) 的研究已成为近几年通信业界共同关注的热点,业界致力于2020年全面开展5G商用 人们将时间节点瞄准2020年的主要原因是: 近几年,移动通信网承载的IP数据业务年均增幅超过100%,从2010 年的 3 艾字节 (1艾字节=1016字节) 增长到 2018 年将超过190艾字节,预计 2020 年将超过 500 艾字节 目前需求最大的业务是视频流,但到2020年可能会有新的业务形态出现(如互动业务) 终端数量和数据速率也将持续呈指数增长,预计2020年通信终端将达到数十亿 - 数百亿台(D2D、M2M) 必须发展新的通信技术来应对未来移动通信新的需求,一、5G之路,目前全球已有多个区域论坛和专项提出了5G标准的大致轮廓,并开展相关关键技术研究: 欧盟第七框架计划(FP7)专项 METIS 国际电信联盟ITU-R 2020工作组 英国的5GNOW论坛 英国的5G创新中心5GIC 中英科学桥计划中的B4G无线移动通信专项 中国的IMT-2020(5G),一、5G之路,日本电波产业协会的2020 and Beyond Ad Hoc论坛 韩国的5G论坛 欧洲电信标准化组织设立的下一代移动网络论坛(NGMN) 无线世界研究论坛(WWRF) 3GPP组织虽然在 LTE Rel-12 版本中已涉及到诸如Massive MIMO等5G候选技术研究,但针对5G标准化工作尚无时间表,拟计划成立5GPP工作组开展工作 在企业界,爱立信、诺基亚、三星、华为、大唐电信、阿尔卡特朗讯、中国移动、DoCoMo等先后发布了5G白皮书和研究报告,一、5G之路,2014年2月,国际电信联盟无线通信部门(ITU-R)的WP5D移动通信系统工作组在越南召开了第18次会议,中国、欧洲、韩国、日本等国家和地区提出了各自的5G构想 ITU-R将在今年的世界无线电通信大会WRC-15上确定5G蓝图,在2018年的世界无线电通信大会WRC-18上决定5G频率,在2015-2018年前后正式确立5G移动通信国际标准和核心技术,一、5G之路,2015年5月29日,中国 IMT-2020(5G) 推进组在北京召开了第三届IMT-2020(5G) 峰会,发布中国5G无线技术架构和5G网络技术架构白皮书 ,包含的5G关键技术有Filtered-OFDM(可变子载波OFDM)、稀疏码多址(SCMA)、极化编码(Polar Code)、Massive MIMO、网络功能虚拟化( Network Function Virtualization)、网络分片、控制功能重构等,一、5G之路,未来的无线通信需要实现三大突破: 构建协同异构融合的无线网络架构,一、5G之路,发展面向不同需求的多种接入手段 2G、3G、4G、WiFi接入 蜂窝、短距离、室内、室外接入 超短波、微波、毫米波、可见光 集中式和分布式接入 授权、免申请频谱接入 ,一、5G之路,建立以业务为驱动的信息传输模式:不同业务采用不同传输技术,实现信源与信道的跨层匹配、认知和自适应,增强传输能力,一、5G之路,尽管目前5G尚未形成标准,需求指标尚不明确,基础理论也不完善,关键技术有待攻克,但公认5G的核心技术至少应包括: 高密度异构网络 (ultra-densification HetNets) 大规模MIMO (massive multiple-input multiple-output) 同时同频全双工通信 (all-duplex communication) 毫米波、可见光传输 (mmWave transmission, VLT) 此外,还包括传输波形设计、网络架构虚拟化、频谱效率和能量效率提升技术等,二、5G需求,研究和部署5G移动通信网络,首先需要明确5G的需求是什么? 5G的工程需求主要包括数据速率、频谱效率、能量效率、传输时延、可靠性等 数据速率 总数据速率或区域容量:至少是4G的1000倍 边缘速率或5%速率:至少是4G的100倍,即用户体验速率为0.1-1Gbps,足以满足高清视频流的传输服务要求 峰值速率:网络能提供的最大数据速率为数十Gbps,二、5G需求,传输时延 4G系统的往返时延是15ms (子帧时长 1ms,含数据、资源分配和接入控制等开销),该时延能满足目前大多数业务的传输要求,但 5G 系统支持的业务包括互动游戏、新的触屏业务、虚拟现实(Google眼镜、穿戴式计算机)、D2D等,要求往返时延是 1ms。为此,需要减小子帧时长,并改进相关协议和核心网架构 资源效率 频谱效率:提高5-15倍 能量效率:提高100倍 成本价格:下降100倍,二、5G需求,其他支持能力 支持不同类型大量终端设备的并发接入 支持1百万/km2的连接数密度 数十Tbps/km2的流量密度 500km/hr以上的移动性,二、5G需求,三、5G关键,蜂窝网络总容量: 减小单小区覆盖区域,提高频谱复用度(宏蜂窝、小蜂窝、微蜂窝、中继站、飞蜂窝异构网络分层重叠部署) 充分利用空间资源,增加物理传输信道规模(如大规模MIMO技术、空间调制技术、协同MIMO技术、分布式天线系统、干扰管理机制等) 利用各种途径寻求可用频谱资源(如认知无线电、毫米波通信、可见光通信等) 进一步提高频谱效率(如高阶调制、自适应调制编码),三、5G关键,高密度异构网络 密集部署异构网络,利用更高的频谱复用度来提高频谱效率和系统容量 减小蜂窝尺寸能提高网络容量,如在 1G 系统中,单蜂窝覆盖区域达到数百平方公里,随着用户数的增加,系统容量需求越来越大,已逐渐将单蜂窝覆盖区域缩小为几平方公里 广泛部署的皮蜂窝 (picocell) 蜂窝半径小于100米;飞蜂窝 (femtocell) 蜂窝半径只有20 多米;分布式天线系统 (DAS)类似于皮蜂窝,不同天线组覆盖不同区域,但集中执行基带处理,共用ID,三、5G关键,缩小蜂窝尺寸的好处: 提高频率复用度 减少用户接入冲突 随着通信距离缩短,路径损耗降低,功耗降低,能效提高、电磁污染减小 极端情况下,一个基站只为一个终端提供接入服务,资源管理和回程连接非常简单 缺点是建网成本增大;蜂窝结构复杂;移动切换频繁;异构多网混叠,干扰协调压力大等,三、5G关键,高密度部署异构网络面临的技术挑战包括: 如何设计高密度异构多网体系架构和共存协调机制,在获得频谱效率、能量效率、系统容量提升的同时,避免网间干扰? 如何设计新型的无线接入技术,优化边缘数据速率? 如何支持用户高速业务和高移动性需求? 如何降低组网、运维和回程(backhaul)链路成本?,中国提出的蜂窝网络架构,统计表明:无线用户在室内的时间约占 80%,在室外的时间仅占 20%,而目前的蜂窝通信网络是在小区中心部署一个室外基站,与移动用户进行通信,无论该用户是位于室内,还是室外。室内用户与室外基站通信,电波必须穿透建筑物外墙,会产生严重的穿透损耗,从而降低无线传输的数据速率、频谱效率和能量效率 中国提出的 5G 蜂窝架构的基本思想:将室内和室外分离,以避免建筑物墙体造成的穿透损耗 采用分布式天线系统 (DAS) ,围绕小区在不同空间位置分布部署数十至数百根天线单元,这些天线单元通过光纤接至基站设备,提供强大的天线增益(分布部署、集中处理),中国提出的蜂窝网络架构,室外用户仅配置少量天线单元,通过彼此协作,形成虚拟大规模 MIMO 链路(cooperative communication) 室外基站配置大规模MIMO (massive MIMO) 系统,并在每座建筑物的外墙也安装大规模天线阵列,用于与室外基站或分布式天线系统通信,这些大规模天线阵列通过电缆与室内无线接入点(WAP)连接,中国提出的蜂窝网络架构,基于该架构,室内用户仅需利用室内部署的WAP实施通信,而WAP与建筑物外墙上安装的大规模阵列天线连
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