5G时代的无线需求及技术发展探讨 张平.

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1 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 5G 4G 3G 2G 1G 移动通信系统每一次更新换代都有颠覆性技术引领 容量，能耗，业务
？：频谱，接入，组网 OFDM-MIMO，空域资源利用 5G 单一话音到多媒体，CDMA接入 4G 模拟到数字，TDMA接入 容量，能耗，业务 大区制到蜂窝，FDMA接入 3G 高速高质多媒体业务和容量 2G 多媒体业务和容量 1G 话音业务和容量 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 容量

3 1G：模拟蜂窝+FDMA 最主要需求：系统容量 FDMA 大区制 蜂窝 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 Power Frequency Time FDMA 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

4 2G：数字技术+TDMA 最主要需求：高质量话音，系统容量 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 Frequency Power Time FDMA/TDMA

5 3G：Turbo码+CDMA 最主要需求：多媒体业务，系统容量 Turbo码 CDMA：每个用户使用一个码型，频率/时间共享 CDMA
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。 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 Frequency CDMA Power Time

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 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。 6

7 频谱短缺和容量需求的矛盾需要技术和策略的突破
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？ 容量不足 能耗高 提升用户体验
产生颠覆性技术的五个方向 5G：解决三个主要问题？ 容量不足 能耗高 提升用户体验 需要技术和策略突破 频谱利用 无线接入 无线传输 无线组网 业务与终端

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 ×)

10 解决思路 蜂窝 WLAN 广播 卫星 新频段 需要技术和体制的革新 更多基站（更小小区）→~10× 无线网络架构革新 新体制
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

11 解决思路 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 用户
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

12 总体规划 异构协同→~>60× 新体制 无线网络架构革新 更多频谱→~300MHz× 新频段技术 新频谱 更高频谱效率→~6×
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 基础：新频谱电波特性的测量与建模 重点建议：智能频谱利用
新频谱开发：主要是较高频段，适合更小小区 6~15GHz 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 基础：新频谱电波特性的测量与建模 60GHz虽有较高的频宽 ，穿透性差，针对无线HD影像串流，或是摄录像装置透过无线传输到电脑或是机上盒的应用，高清图像传输用途的无线接口 , 60GHz的毫米波将把无线数据传输速率推进到Gb/s级别,承载起未来无线高速公路的希望。 6~15GHz:资源相对空闲，可用带宽换高速业务的功率和复杂度；空间隔离性好，便于资源的空间重用；对天线的定向性要求不高 2010年9月23日，美国联邦通信委员会（FCC）制定了相关法律法规，批准运营商可以使用空闲电视广播频段开展Wi-Fi服务。中国的广电白频谱也在积极的筹划中。 重点建议：智能频谱利用

14 美国芝加哥地区30MHz-3GHz频谱利用率较低，仅为5.2% 北邮频谱测量结果显示北京频谱利用存在空洞
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 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% 北邮频谱测量结果显示北京频谱利用存在空洞 右图：白色表示频谱利用率很低，红色表示频谱利用率高 14

15 频谱利用不均衡，存在频谱空洞，频谱利用效率低 频谱紧缺与频谱浪费是一对矛盾，如何提升频谱利用效率？
动态频谱分配策略 频谱 紧缺 浪费 频谱利用不均衡，存在频谱空洞，频谱利用效率低 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。 频谱紧缺与频谱浪费是一对矛盾，如何提升频谱利用效率？ 解决方法 动态频谱 ？ 15

16 动态频谱分配策略面临的挑战 频谱分配从静态转变为动态方式将面临多方面挑战 政策监管部门 设备制造商 电信运营商
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 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 16

17 趋势：单一资源到多维资源联合使用,提高资源利用率
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 4G 频率 时间 功率 TDMA 2G 3G 1G 频率 时间 功率 FDMA CDMA 时间 频率 功率

18 提高容量（2）—无线传输新技术 大规模MIMO 3D MIMO 无线网络的干扰管理和容量研究 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

19 基于电磁波角动量特性的新型无线传输技术 2G 3G 4G 后4G 9.6K 2M 1G 10G~T？ 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。

20 电磁涡旋无线传输技术

21 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”

22 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 Thidé教授和意大利帕多瓦大学 Fabrizio Tamburini教授等人在 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

23 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。

24 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。

25 全双工通信技术 在现有基础上，理论上信道容量提升1倍 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 多天线对消方案 在现有基础上，理论上信道容量提升1倍

26 提高容量（3）——更多基站（更小小区） 信息密度均匀高度不均匀下的异构无线网络

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。

28 ？ 信息密度非均匀新组网架构面临的主要问题 容量 业务量 信息密度非均匀下的异构无线组网新技术 覆盖 距离 新频谱 4G 3G 问题1:
异构无线网络如何协同工作 容量 业务量 3G 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 宏蜂窝 微小区 WLAN 60GHz ？ 问题2: 复杂环境下信道如何建模 覆盖 距离 问题3: 异构非均匀业务需求环境下如何高效传输

29 无线组网演进三个重要阶段 特征 提高容量的关键技术 网元构成 实质 密度均匀的蜂窝小区 小区变小/分裂/方向性天线/无线资源管理
同构，控制与业务平面一体 业务单一 密度准均匀的协作式组网（群小区，CoMP） 小区变小/多天线/小区边缘协作/无线资源管理/协作天线管理 同构为主，控制与业务平面一体 优先提高小区边缘速率来提高全网速率 密度不均匀的多域异构小区 大小区、小小区并存/多单天线并存/小区边缘协作与热点并存/蜂窝通信与无线接入并存/多域资源管理 异构融合，将控制与业务平面分离 保证小区边缘速率，通过热点覆盖大幅度提高全网速率

30 后4G：颠覆性技术在哪里？ 容量不足 能耗高 提升用户体验
产生颠覆性技术的五个方向 后4G：解决三个主要问题？ 容量不足 能耗高 提升用户体验 需要技术和策略突破 频谱利用 无线接入 无线传输 无线组网 业务与终端

31 科技部863 5G立项 国际上面向5G的研究计划已逐步启动：
2020年无线网络容量增长达500～1000倍，产业需求巨大 ITU-R已于2010年完成4G系统的标准制定，5G系统的研究已提上日程；3GPP已于2012年底开始针对下一代移动通信系统的Release12版本研究，提前谋求5G布局 欧盟将投资总计2700万欧元资助研究2020年及未来的下一代无线移动通信系统——METIS计划 美国国家宽带计划，到2020年超过1亿的美国家庭可以获得至少50Mbps/100Mbps的宽带接入速度，预算将超72亿美元 因此，必须引领下一代移动通信技术发展，以满足产业需求，实现我国“十二五”规划对发展新一代信息技术的战略要求。 31

32 核心问题：无线带宽瓶颈 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500~1000倍 32

33 解决思路 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 用户
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

34 指南综述 指南内容 面向2020年之后的第五代移动通信（5G）应用需求，研究5G网络系统体系架构、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键技术，完成性能评估及原型系统设计，支持业务总速率达10Gbps，空中接口频谱效率和功率效率较4G均有10倍的提升；针对移动终端本地互联与社交化内容分发的融合趋势，研究计算存储资源整合、交互协议和控制等技术，有效统计复用容量提升不少于50倍。 下设5个研究课题方向：

35 课题设置示意 课题1.5G无线网络关键技术研发 新体制 课题3.5G无线总体技术研发 新频谱 课题2. 5G无线传输关键技术研发
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 课题3.5G无线总体技术研发 课题1.5G无线网络关键技术研发 课题2. 5G无线传输关键技术研发 课题4. 5G无线技术测试验证平台研发（总体课题）

36 谢谢大家！