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1、第五代移动通信的进展及其关键技术,The fifth generation(5G) mobile,Communication networks,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,
2、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
3、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
4、,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
5、 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
6、,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,
7、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
8、,(1,艾字节,=10,16,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,5GN
9、OW,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、,DoCoM
10、o,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
11、(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、
12、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
13、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
14、,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,/km,2,的连接数密度,数十,Tbps/km,2,的流量密度,500km/hr,以上的移动性,二、,
15、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,5-15,倍,能量效率,100,倍,成本效率,100,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,
