5G移动通信系统.pptx

1、5G移动通信系统,DTM2020年6月,提纲,1G-4G介绍移动互联发展趋势5G简介5G的关键技术5G新型网络架构,1G：模拟语音,20世纪80年代初提出，完成于20世纪90年代初主要技术模拟技术和频分多址(FDMA)技术特点2.4kbps传输速率只提供区域性语音业务，容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务；设备成本高，质量大，体积大代表制式AMPS（Advanced Mobile Phone System）贝尔实验室发明，1978年开发，1982年全美部署TACS（Total Access Communications System）我国1987年确定以TAC

2、S制式作为我国模拟制式蜂窝移动电话的标准,第1代移动通信系统（1G）是模拟式通信系统，模拟式是代表在无线传输采用模拟式的FM调制，将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上。一部大哥大在当时的售价为21000元，除了手机价格昂贵之外，手机网络资费的价格也让普通老百姓难以消费。当时的入网费高达6000元，而每分钟通话的资费也有0.5元。不过由于模拟通信系统有着很多缺陷，经常出现串号、盗号等现象，给运营商和用户带来了不少烦恼。于是在1999年A网和B网被正式关闭。,1998年，黄宏、宋丹丹小品回家,2G：数字语音,20世纪90年代相对于1G的改进：模拟-数字语音信号数字化处理

3、压缩带来容量上收益对语音和控制信号进行加密增强安全性催生了诸如短信等新业务展开主要技术时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）特点保密性强、频谱利用率高、提供丰富的业务（比如，低速率的数据业务）、标准化程度高、可进行省内外漫游,从1G跨入2G的分水岭则是从模拟调制进入到数字调制，相比于第1代移动通信，第二代移动通信具备高度的保密性，系统的容量也在增加，同时能够提高多种业务服务。从这一代开始手机也可以上网了。第一款支持WAP的GSM手机是诺基亚7110，它的出现标志着手机上网时代的开始，而那个时代GSM的网速仅有9.6KB/s。数字网有以下优点：1.频谱利用率高，有利于提高系统容量；2.提供多

4、种业务服务，提高通信系统通用性；3.抗噪声、抗干扰、抗多径衰落能力强；4.能实现更有效、灵活的网络管理和控制；5.便于实现通信的安全保密；6.可降低设备成本。,oppo A209,作者本人自用2G手机。,2G,代表制式GSM（Global System for Mobile Communications）1991年在欧洲投入使用，现全球广泛应用使用FDMA、TDMA技术工作频率900-1800MHz，提供9.6kbps的传输速率电话业务、紧急呼叫业务、短信业务、可视图文接入等CDMA20世纪90年代中后期发展商用以扩频通信为基础的调制和多址连接技术8kbps(IS-95A)、64kbps(IS

5、-95B)通信具有隐蔽性、保密性、抗干扰；通话质量好、掉线少、辐射低、健康环保,2G-3G过渡,2.5GGPRS（General Packet Radio Service）基于GSM的无线分组交换技术提供端到端、广域的无线IP连接网络容量只有再需要时进行分配，不需要时就释放传输速率150Kbps(比GSM快15倍)2.75GEDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution）基于GSM/GPRS网络的数据增强型移动通信技术传输速度384kbps,3G：数字语音和数据,IMT-2000（International Mobile Telecommunication

6、s-2000）Offer at least 144kbps(preferably 384kbps)for high-mobility users with wide-area coverage and 2 Mbps for low-mobility users with local convergence.特点能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上实现实时视频、高速多媒体和移动Internet访问业务扩大高质量话音业务容量,国际电信联盟（ITU）发布了官方第3代移动通信（3G）标准IMT-2000（国际移动通信2000标准）。3G存在四种标准制式，分别是CDMA2000，WCD

7、MA，TD-SCDMA，WiMAX。在3G的众多标准之中，CDMA这个字眼曝光率最高，CDMA（码分多址)是第三代移动通信系统的技术基础。中国在2009年的1月7日颁发了3张3G牌照，分别是中国移动的TD-SCDMA，中国联通的WCDMA和中国电信的WCDMA2000。,3G代表制式,ITU开始目标之一是开发一种可以全球通用的无线通讯系统，但是实际最终的结果是出现了多种不同的制式 W-CDMA(Wideband Code Division Multiple Access)以GSM为主，加入GPRS的分组交换实体技术，能够兼容GSM系统的所有业务CDMA2000采用MC-CDMA（多载波CDMA

8、）多址访问技术，不仅可以使用原有CDMA系统的各种接口，还可以使用新的接口标准。TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)集CDMA、TDMA、FDMA、SDMA多种多址方式于一体，采用了一系列高新技术（智能天线、联合检测、接力切换等）频谱利用率高、系统容量大、系统成本低且适合开展数据业务,3G-4G过渡,3.5GHSPDA（High Speed Downlink Packet Access）属于W-CDMA技术的延伸在W-CDMA下行链路中提供分组数据业务，在一个5MHz载波上的传输速率可达8-10 Mb

9、ps3.75GHSUPA（High Speed Uplink Packet Access）因HSDPA上传速度不足（只有384Kbps）而开发在一个5MHz载波上的传输速率可达10-15 Mbps，上传速度达 5.76Mbps,4G,集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等IMT-Advanced基于全IP分组交换网络低速和静态传输速率达到1Gbps，高速移动状态下达到100Mbps 提供高品质的服务QoS，支持新一代的多媒体传输特点不支持传统的电路交换的电话业务，而是全互联网协议（IP）的通信通信速度快、网络频谱宽、频率效率高、高质量通话、费用便宜,4G包括TD

10、-LTE和FDD-LTE两种制式，是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载（大约是12.5MB/s18.75MB/s的下行速度），比目前的家用宽带ADSL（4兆）快20倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。2013年12月4日，工业和信息化部向中国移动、中国电信、中国联通正式发放了第四代移动通信业务牌照（即4G牌照），中国移动、中国电信、中国联通三家均获得TD-LTE牌照，此举标志着中国电信产业正式

11、进入了4G时代。,准4G（3.9G）,LTE(Long Term Evolution)2008年第四季度提出，2011年北美首次商用基于旧有的GSM/EDGE和UMTS/HSPA网络技术，并使用调制技术提升网络容量及速度有能力提供300Mbit/s的下载速率和75 Mbit/s的上传速率全IP基础网络结构不再支持用于支撑GSM、UMTS和CDMA2000网络下语音传输的电路交换技术，它只能进行全IP网络下的分组交换 分支LTE FDD（频分双工长期演进技术）LTE TDD（时分双工长期演进技术），又称TD-LTEWiMAX（IEEE 802.16e）,4G技术标准,LTE-AdvancedLT

12、E的增强版本，完全向后兼容LTE，通常通过在LTE上通过软件升级即可峰值速率：下行1Gbps，上行500MbpsTD-LTE-Advanced我国具有自主知识产权的新一代移动通信技术吸纳了TD-SCDMA的主要技术元素WirelessMAN-Advanced（IEEE 802.16m）,TDD标准里程碑,TD-LTE已成为4G主流标准,全球已分配大量的TDD频谱,4G新分配频谱和5G（6G以上的高频谱）的分配将会以TDD技术为主,TD-LTE生态系统已成熟,在政府的大力支持下、产业链各环节企业的共同推动下，TD-LTE 4G快速成熟，已开始大规模商用,当前全球TD-LTE网络蓬勃发展,26个国

13、家部署39张TD-LTE商用网络18张LTE FDD/TDD融合网络48张TD-LTE商用网络计划/正在部署60万TD-LTE基站,39个TD-LTE的商用网络已部署,48个TD-LTE商用网络计划/正在部署,来源：GSA,TD-LTE累计出货量预测,来源:GTI,截止到2014年8月，全球已发展TD-LTE用户4200万根据GSMA的预测，到2020年4G LTE的连接数将增至25亿，占总连接数提升至28%，其中较大比例的连接数增长来自我国TD-LTE网络TDD网络数在2012年仅占1%，在2014年将提升到18%,LTE分制式网络数占比,LTE全球连接数及所占比例,来源：GSMA,全球TD

14、-LTE用户快速增长,单位：十亿,100%,2020,2014,2012,全球WiMAX网络加速向TD-LTE转移,TDD频谱运营商开始普遍选择TD-LTE,主流WiMAX运营商明确演进到TD-LTE,WiMAX论坛已正式将TD-LTE-A列为演进方向,TD-LTE成为全球TDD技术的共同演进方向,Wimax现有150个国家477个网络，2500万用户将升级到Wimax2.1，即TD-LTE,国内TD-LTE网络部署进程加快,国内三家运营商正加快TD-LTE的建设步伐，预计年底前覆盖全国300多以上的城市,TD-LTE终端发展超过预期,TD-LTE终端款数统计情况,来源：GSA，2014.08

15、,TD-LTE终端于2014年初实现规模商用，截止8月终端款数实现增长翻番，并达到908款，终端厂家也达到200多家,2014年18月4G TD-LTE手机出货量累计6747万部，每月4G手机出货占比在不断提升，8月占比达到38.4%，远高于3G占比，并不断逼近2G占比,2014年1月8月国内手机出货量情况,来源：CATR，2014.08,国内TD-LTE用户发展迅猛,2014年2-8月中移动TD-LTE用户数（万）,中移动已发展TD-LTE 4G用户2956.8万用户，月均增长率高达50%，年底有望实现5000万目标中电信4G业务从7月正式推出，至今只是一个月时间，用户已经达到60万,来源:

16、中移动官方发布信息,134.0,279.3,479.8,810.9,1394.3,2043.7,2956.8,TD-LTE终端降低客户4G的使用门槛,TD-LTE支持多模多频，以适应全球漫游的需求和解决终端通用性的问题,全球化,多样化,新体验,低成本,TD-LTE终端产品进一步丰富，包括手机、路由器等,支持VoLTE高清化语音通信，目前已有多款手机支持,iPhone6已支持六模20频,共530款,千元机占一半以上平均单价由5101元下降到1826元三模、四模终端价格下降至399元,TD-LTE更适合移动互联网业务,TD-LTE具有上下时隙动态配比，频谱灵活配置、高带宽和低时延等特点，适合移动互

17、联应用多样化的需求,更适应上下行时隙动态配比,动态TDD,更能满足移动应用低时延要求,更能满足不同传输带宽的需求,更适合移动高速数据业务需求,UL：50MbpsDL：100Mbps,TD-LTE助力移动互联变革传统产业,金融,教育,农业,医疗,工业,交通,个人消费,能源,2013年，中国智能手机用户存量和增量全球第一 信息技术改造传统产业,信息技术变革传统产业，信息消费市场巨大,提纲,1G-4G介绍移动互联发展趋势5G简介5G的关键技术5G新型网络架构,26,信息通信技术进入移动互联网络时代带来社会与生活的深刻改变,-在计算机、芯片、互联网和移动通信网络的共同推动下，移动互联网络时代来临,大型

18、计算机（1960）,小型和微型计算机（1970）,互联网（窄带）（1980）,互联网（宽带）（1990）,移动互联网（2002）,随着移动宽带网络发展和智能手机普及，进入移动互联时代,个人电脑,2010,1958,发明IC,1969,发明internet,1979,1989,发明万维网,2002,3G商用,大哥大,发明计算机,1946,1966,发明光纤,4G商用,1974,2009,国内3G商用,国内4G商用,3G,4G,ADSL,发明数据用户线,1989,2007,Iphone,信息通信发展历程,2013,趋势1：移动通信网络向随时、随地、随需接入演进,移动通信网络融合多种技术、多种业务，

19、实现更高速、更高效、更智能,智能终端推动应用服务快速创新，移动互联网以6个月为周期快速迭代-桌面互联网/PC：以18个月为周期进行硬件和软件升级-移动互联网/智能终端：产业周期趋近于6个月,趋势2：智能终端引领移动互联的发展,趋势3：移动通信带动芯片产业革命,1991年，芬兰首次商用GSM系统，ARM公司成立；1994年，中国商用GSM,传感和新能源？,时间,60-70年代,1972-2011年计算机崛起,2012-?移动通信和互联网兴起,1958年发明了IC；1963年发明了CMOS,1972年Intel 8008 应用家用电脑Mark-8；1979年8088应用到第一台PC,消费及军工电子

20、,计算机,移动通信,传感,集成电路产业快速发展，将进入”后摩尔时代“-集成电路按“摩尔定律”发展延续至今，正步入后20纳米时代，即”后摩尔时代”-摩尔定律不是自然规律而是对持续创新的期望，如果汽油的性能能够以同样的速度发展，1 升汽油能够使飞行器环绕地球旅行573圈,移动芯片制程工艺升级节奏不断加快，与计算机CPU的差距越来越小甚至超越（3年 2年 1年）。,趋势4：基于移动互联网络的应用无处不在,移动、宽带、泛在的移动互联网络，引发信息通信新技术变革-移动互联网络与其它技术融合，催生信息通信新技术变革-基于移动互联网络的新应用“无所不在、无所不能”,新机遇：物联网、智慧城市、可穿戴设备、新型

21、车载终端、机器人客服、脑电波控制,新机遇：在线医疗、在线教育、互动视频、增强现实游戏、在线旅游、语音搜索,企业跨界融合,趋势5：移动互联网推动传统产业价值重构,移动互联网时代背景下的思维方式的打破将深刻印象已有平衡，对传统方式、原则、标准、产业链的从方式到方法的深刻变革，也将对资源、载体、竞争与效率的新挑战，未来都将面临这一变革和思维重筑，再造新的价值链连接转型。,移动通信技术具有代际演进的规律-全球移动通信经过1G、2G和3G三个发展阶段，正从3G向4G演进-当前各国正在积极推进5G技术研究,1G,2G,3G,4G,趋势6：数据流量增长将推动移动通信技术持续演进,1980s,1990s,20

22、00s,现在,短信,社交应用,在线、互动、游戏,语音,5G,移动互联网和物联网为5G发展提供广阔发展空间-预计2010年到2020年全球移动数据流量增长将超过200倍，我国将增长300倍以上-预计到2020年，全球移动终端数量将超过100亿，其中我国将超过20亿-预计到2020年全球物联网设备连接数为500亿，其中我国将超过100亿,虚拟现实、“零”时延感知,提纲,1G-4G介绍移动互联发展趋势5G简介5G的关键技术5G新型网络架构,大唐持续引领后续标准演进,推动成立IMT-2000，负责需求组多议题、频谱需求和候选频段的研究,牵头863项目-5G无线传输关键技术,5G预研,牵头863项目-5

23、G无线传输关键技术,牵头四个技术专题研究方向，积极参与IMT2020需求组、频谱组工作,5G来临!,大唐联合产业界共同展望5G,3GPP的5G路线考虑,需求5G之花,业务数据、连接和用户体验,5G,业务,需求,5G技术的关键特征,5G IMT-2020技术愿景,演进,融合,创新,高效率，低成本，高价值的5G网络，需要业务层/网络层/接入层的有效融合,传统蜂窝场景能力和体验持续提升，需要LTE-A系统的持续演进和增强技术,新的场景和新的应用领域，需要创新的技术和系统设计,信息、通信、消费电子融合,多个无线接入网络融合,多层网络融合,计算能力和通信能力融合,5G技术展望融合,小区边缘性能提升:多小

24、区协作,先进干扰抵消技术,多天线提升频谱效率:大规模MIMO,3D-波束赋形,超密集部署:LTE-Hi 及其演进,更多应用场景和业务：M2M,D2D,V2X,灵活网络部署和高可靠性:移动中继,终端中继,终端直通,智能网络技术:基于环境和服务的感知SON;多网络的 SON,5G技术展望演进,5G技术展望创新,提纲,1G-4G介绍移动互联发展趋势5G简介5G的关键技术5G新型网络架构,43,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,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

25、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,44,1G：模拟蜂窝+FDMA,高功率（200250w）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,45,2G：数字技术+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

26、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,46,3G：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3

27、G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,最主要需求：多媒体业务，系统容量,47,4G：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,47,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

28、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。,48,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,49,5G：颠覆性技术在哪里？,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,产生颠覆性技术的五个方向,50,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

29、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,解决思路,总体规划,54,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,55,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。

30、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%,56,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,57,频谱分配从静态转变为动态方式将面临多方面挑战

31、,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,58,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

32、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,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,60,基于电磁波

33、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？,61,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”,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