G关键技术优质PPT课件.ppt
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1、5G5G关键技术关键技术5G之路5G需求5G关键提 纲一、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,
2、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
3、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
4、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)、CDMA200
5、0(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
6、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
7、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
8、,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)、
9、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
10、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:
11、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
12、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需求性能指标取值用户体验速率0.1-1Gbps连接数密度时延数ms移动性500km/h峰值移动速率数十Gbps流量密度效率指标改善倍数频谱效率频谱效率5-15倍倍能量效率能量效率100倍倍成本效率成本效率100倍倍三、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
13、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
14、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
15、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
16、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接,通过与室外基站通信,实现全网用户互联互通室内通信采用短程通信技术提供高的数据速率,如WiFi、Femtocell、超宽带(UWB)、毫米波和可见光通信(VLC)等毫米波通信和可见光通信由于频率高,穿透能力差,空气、雨雾、气压等自然环境因素均会对其形成吸收
17、和散射,无法用于室外远距离通信,但其具有的高带宽却可对室内用户提供短距离高速数据传输中国提出的蜂窝网络架构该蜂窝网络架构是异构的:宏蜂窝、微蜂窝、小蜂窝、中继站等为满足高速运动车辆(如高铁、动车)内用户的通信需求,在网络架构中引入新的网元移动飞蜂窝(MFemtocell)移动飞蜂窝融合了移动中继和飞蜂窝的特点,部署在车厢箱体内部,为车内用户提供通信服务,而大规模天线部署在厢体外部与室外基站实施通信,大规模天线系统再通过电缆与车厢内的飞蜂窝接入点连接,移动飞蜂窝可看成是室外基站的一个用户单元,而移动飞蜂窝的接入点又可看成是车厢箱内用户的归属基站特点:短期内基础实施建设成本高,但从长远考虑,却能有
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