5G时代的无线需求及技术发展探索

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,北京邮电大学,科委,4G,项目（,D08080100620802,）,*,Click to add title,Click to change format,Level 1,Level 2,Level 3,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,北京邮电大学,科委,4G,项目（,D08080100620802,）,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,5G,时代的无线需求及技术发展探讨,张平,2,移动通信系统发展中的颠覆性技术,移动通信系统每一次更新换代都有,颠覆性技术引领,1G,2G,3G,4G,5G,大区制到蜂窝，,FDMA,接入,模拟到数字，,TDMA,接入,单一话音到多媒体，,CDMA,接入,OFDM-MIMO,，空域资源利用,？：频谱，接入，组网,容量,话音业务和容量,多媒体业务和容量,高速高质多媒体业务和容量,容量，能耗，业务,移动通信系统每一次更新换代都,解决了当时的最主要需求,3,1G,：模拟蜂窝,+FDMA,Power,Frequency,Time,FDMA,高功率（,200,250w,）的发射天线,几百甚至上千平方公里的范围的覆盖,每个大区的可用信道数很少,蜂窝系统是一种革命性的变革,提高了频谱利用率和系统的服务质量,FDMA,：每个用户占用一个频率,特点：,以频率复用为基础，以频带划分小区,频率受限，需要严格的频率规划,以频道区分用户地址,大区制,蜂窝,最主要需求：系统容量,4,2G,：数字技术,+TDMA,Frequency,Power,Time,FDMA/TDMA,数字化技术,，如数字语音编码技术，是,2G,移动通信的主要突破,意义,：,提高通话质量（数字化信道编码纠错）,提高频谱利用率（低码率编码）,提高系统容量（低码率，语音激活技术）,TDMA,:,每个用户占用一个时隙，提高系统容量,特点：,以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户,每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置,最主要需求：高质量话音，系统容量,5,3G,：,Turbo,码,+CDMA,Turbo,码,90,年代以前，主流的前向纠错技术是,线性分组码和卷积码,，其性能与,Shannon,在,1948,年提出的理论可达限之间存在较大距离。,1993,年，,C.Berrou,等人提出了,Turbo,码，彻底颠覆了所有人们认为成功的纠错码所要具备的因素,。在复杂度可控的译码器的协助下,达到了近,Shannon,限的性能。,Turbo,码在,3G,的应用，使得,3G,能够支持多媒体业务,，打破了,2G,只支持话音和短消息业务的局限。,Frequency,CDMA,Power,Time,CDMA,：每个用户使用一个码型，频率,/,时间共享,特点,每个码传输一路数字信号,每个用户共享时间和频率,软容量、软切换，系统容量大,最主要需求：多媒体业务，系统容量,6,4G,：,OFDM-MIMO+,空分多址,SDMA,最主要需求：高质量多媒体业务，更大系统容量,6,MIMO,：,多根发射天线与多根接收天线,打破利用时、频、码三维资源传输数据的局限，有效开发了新的,空域资源,。,基于,MIMO,的,SDMA,进一步提高频谱效率。,OFDM,：,多,个低速数据流同时调制在相互正交,的子,载波上传送,，适用于无线宽带信道下的高速传输。,与,CDMA,相比，,OFDM,传送数据的速度更快,，并且能够更好地对抗无线传输环境中的多径效应。,7,容量需求和频谱短缺矛盾突出,容量需求：根据预测，随着智能终端普及和数据业务增长，移动通信业务量未来每年会以,近一倍,的速度增长，,未来,10,年数据业务将增长,1000,倍,。,频谱短缺：,FCC,预测，,2014,年移动数据业务的增长将导致巨大的,频谱赤字，达,300MHz,。,Source:FCC 2010,频谱短缺和容量需求的矛盾需要技术和策略的突破,8,5G,：颠覆性技术在哪里？,需要技术和策略突破,5G,：解决三个主要问题？,容量不足,能耗高,提升用户体验,频谱利用,无线接入,无线传输,无线组网,业务与终端,产生颠覆性技术的五个方向,9,问题,1,：容量不足,移动通信的发展史表明，,容量不足,一直是无线通信系统发展中的主要问题,5G,面临更大容量需求和频谱赤字,：,根据预测，至,2020,年无线网络容量增长达,1000,倍,如何满足,1000,倍的容量增长需求？,（,1,）,更多频谱,3,（或,10 ,4,）,（,2,）,更高频谱效率,6(,或,10,12),无线接入,无线传输,（,3,）,更多基站,（更小小区）,50(,或,10,10),解决思路,更多频谱,10,新频段技术,更高频谱效率,10,无线传输和接入,更多基站,（更小小区）,10,无线网络架构革新,新技术,新频谱,新体制,蜂窝,WLAN,广播,卫星,新频段,优良频率资源匮缺,网络独立，建设成本巨大,通信效率提升遭遇,“,收益递减法则,”,再过,10,年怎么办！？,需要技术和体制的革新,解决思路,更多频谱,10,新频段技术,异构协同,10,无线网络架构革新,蜂窝,WLAN,广播,卫星,新频段,互联网,异构协同：建立,高效、开放、可扩展、可信、智能,的无线网络体制,需要技术和体制的革新,高效协作,用户,新技术,新频谱,新体制,更高频谱效率,10,无线传输和接入,总体规划,新技术,新频谱,新体制,新频段通信技术,新型无线通信网络架构,高效无线通信技术,更多频谱,300MHz,新频段技术,异构协同,60,无线网络架构革新,更高频谱效率,6,无线传输和接入,13,提高容量（,1,）,更多频谱,新频谱开发：主要是较高频段，适合更小小区,615GHz,空间隔离性好,60GHz,毫米波,有较高的频宽，但穿透性较差,白频谱,可见光通信,频谱共享,智能频谱利用,重点建议：智能频谱利用,基础：新频谱电波特性的测量与建模,14,传统静态频谱分配策略与挑战,传统静态频谱分配策略,行政指派或拍卖方式，静态使用,。,面临的挑战,挑战,1,：频谱利用存在,不均衡问题,挑战,2,：存在时,-,频,-,空,多维频谱空洞,挑战,3,：,频谱利用效率较低,现有频谱分配殆尽,北邮频谱测量结果显示北京频谱利用存在,空洞,英国广播电视频段频谱利用存在,不均衡问题,美国芝加哥地区,30MHz-3GHz,频谱利用率较低,，仅为,5.2%,15,动态频谱分配策略,？,打破传统静态频谱分配方法的局限，结合,时,-,频,-,空多维频谱的动态分配,，促进频谱资源利用能够,智能化，以使其使用更高效灵活,，从而提高,频谱利用效率,。,频谱,紧缺,频谱,浪费,频谱紧缺与频谱浪费是,一对矛盾，如何提升频谱利用效率？,频谱利用,不均衡,，存在频谱,空洞,，频谱,利用效率低,解决方法,动态频谱,16,频谱分配从静态转变为动态方式将,面临多方面挑战,动态频谱分配策略面临的挑战,政策监管部门,电信运营商,设备制造商,频谱分配政策由,固定分配,与行政指派向,动态频谱分配,政策转变，将,面临政策和法规制定的挑战,频谱管理将更加,智能与灵活,，设备认证管理及非法设备核查能力提升的挑战,如何智能、高效,协调,授权的静态频谱和动态分配的,频谱使用,如何对具备动态频谱功能的,终端设备,进行网络接入过程的有效,管理和控制,如何升级现有核心网、接入网设备以,支持认知等新功能,如何对终端和基站的,射频模块进行工作频段的扩展,、如何设计,高性能的滤波器,17,提高容量（,2,）,更高频谱效率：多址接入,多址技术是移动通信系统升级换代的核心之一,1G,：频分多址（,FDMA,）,2G,：时分多址（,TDMA,）,3G,：码分多址（,CDMA,）,4G,：空分多址（,OFDMA+SDMA,）,4G,以,OFDM-MIMO,为核心的,OFDMA,和,SDMA,具有很强的生命力,新型无线接入的尝试：非正交？,趋势：单一资源到多维资源联合使用,提高资源利用率,频率,时间,功率,FDMA,频率,时间,功率,TDMA,CDMA,时间,频率,功率,1G,2G,3G,4G,大规模,MIMO,信道建模与分析,信道信息获取（相应导频设计）,协调多用户联合资源调配,能耗问题,天线配置、基站选址,导频污染,高效传输方法（如预编码方案）,3D MIMO,电磁波的传输平面增加俯仰角，,进一步扩展空间自由度,无线网络的干扰管理和容量研究,构建多维干扰状态模型,分析干扰和网络容量的关系,智能动态干扰管理机制,大规模,MIMO,3D MIMO,提高容量（,2,）,无线传输新技术,19,基于电磁波角动量特性的新型无线传输技术,无线传输的媒介是电磁波，而,新的电磁波物理特性,的利用可能带来无线通信的时代变革,电磁涡旋起源于,1992,年荷兰物理学家,L.Allen,对,光子携带轨道角动量,的发现。英国格拉斯哥大学天文物理系,Gibson,等人,在,2004,年提出将轨道角动量应用于光通信，,并证实了能够充分利用不同的,OAM,状态实现多信道独立调制同频传输,。,2G,3G,4G,后,4G,9.6K,2M,1G,10GT,？,20,电磁涡旋无线传输技术,电磁涡旋无线传输技术,电磁涡旋波的产生,电磁涡旋波可由调制后携带信息的,普通波通过波束扭转方法得到,。,将电磁涡旋波恢复为普通调制信号的过程可以理解为,“,逆涡旋,”,电磁涡旋无线传输技术,国内外研究进展,验证演示系统,瑞典物理研究所的,Bo Thid,教授和意大利帕多瓦大学,Fabrizio Tamburini,教授等人在,2010-2011,年对电磁涡旋技术用于无线传输进行了实验。该实验采用抛物面天线和八木天线发收，成功的在意大利威尼斯的河两岸实现了,442m,的无线传输,，,验证了电磁涡旋无线传输技术的可行性。,实验场景图,电磁涡旋无线传输技术,电磁涡旋应用于无线通信的挑战,传播环境要求严格,：当无线传播中出现,大气湍流、阻挡物,等不利传播条件时，会,改变波束扭转角度,，对电磁涡旋造成影响。,高效的电磁涡旋波产生与接收,：如何设计发射和接收电磁涡旋波天线将会是一个挑战。,发送和接收电磁涡旋波的方向性要求严格,：,电磁涡旋波,状态,的,高效检测,：,如何对,大量的,电磁涡旋波,状态,进行,有效分离和检测,，是,应用于无线通信所,面临的核心,挑战之一,。,应用前景,固定无线通信,：如无线中继间通信。,深空通信或近地通信,：如卫星间通信。,移动通信,：如能解决电磁涡旋波的方向性、天线、大气湍流、多径、电磁涡旋波操控性和高效产生和接收等问题，则其可以用于移动通信。,全双工通信技术,在现有基础上，理论上信道容量提升,1,倍,多天线对消方案,时分双工,上下行链路同频，分时,频分双工,上下行链路分频，同时,全双工,上下行链路同频，同时,目前国外已建立试验平台，国内开展研究较少,信息密度均匀高度不均匀下的异构无线网络,提高容量（,3,）,更多基站（更小小区）,27,信息密度概念,信息密度：,单位面积发送，接收或经过的信息量，分别指导容量分布，资源分配和路由的研究,网络分布,与,用户信息密度匹配,，实现,资源精准匹配。,定义,“无线组网信息密度”,概念，,即“在任何一个点为中心的邻域覆盖范围内，用户可以通过该点透明地传输数据的速率”,。,未来的组网架构要支持,增长如此巨大的业务量，,其基本特征必然是异构,的多网接入，它将是,“密度不均匀性”的组,网架构。,信息密度非均匀新组网架构面临的,主要问题,28,距离,业务量,容量,覆盖,宏蜂窝,微小区,WLAN,60GHz,宏蜂窝,微小区,WLAN,60GHz,3,G,4G,新频谱,微小区,WLAN,60G,Hz,宏蜂窝,信息密度非均匀下的异构无线组网新技术,问题,1,:,异构无线网络如何,协同,工作,问题,2,:,复杂环境下信道如何建模,？,问题,3,:,异构非均匀业务需求环境下如何高效传输,29,特征