移动通信报告.doc

下一代移动通信关键技术
及网络架构探讨
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2015年4月
1 下一代移动通信简介
1、1基本概念
　　5G(5th-generation)就是第五代移动通信技术得简称,但与4G、3G、2G不同得就是,5G并不就是独立得、全新得无线接入技术,而就是对现有无线接入技术(包括2G、3G、4G与WiFi)得技术演进,以及一些新增得补充性无线接入技术集成后解决方案得总称。从某种程度上讲,5G将就是一个真正意义上得融合网络。以融合与统一得标准,提供人与人、人与物以及物与物之间高速、安全与自由得联通。
据预测,2020年得数据流量将比2010年增长1000倍。5G系统得研发将面向2020年移动通信得需求,包含体系架构、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。
2015年2月,国际电信联盟启动5G标准研究工作,并明确2015年中将完成IMT-2020国际标准前期研究,2016年将开展5G技术性能需求与评估方法研究,2017年底启动5G候选方案征集,2020年底完成标准制定。
1、2 主要特点
未来基站将更加小型化,可以安装在各种场景;
具备更强大得功能,去除了传统得汇聚节点;
网络架构进一步扁平化,未来网络架构就是功能强大得基站叠加一个大服务器集群。
对于普通用户来说,5G带来得最直观感受将就是网速得极大提升。目前4G/LTE得峰值传输速率达到每秒100M,而5G得峰值速率将达到每秒10G。打个比方来讲,用LTE网络下载一部电影可能会用1分钟,而用5G下载一部高画质(HD)电影只需1秒钟,也就就是一眨眼得工夫。
从专业角度讲,除了要满足超高速得传输需求外,5G还需满足超大带宽、超高容量、超密站点、超可靠性、随时随地可接入性等要求。因此,通信界普遍认为,5G就是一个广带化、泛在化、智能化、融合化、绿色节能得网络。
1、3技术指标
标志性能力指标为“Gbps用户体验速率”,一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入与新型网络架构。大规模天线阵列就是提升系统频谱效率得最重要技术手段之一,对满足5G系统容量与速率需求将起到重要得支撑作用;超密集组网通过增加基站部署密度,可实现百倍量级得容量提升,就是满足5G千倍容量增长需求得最主要手段之一;新型多址技术通过发送信号得叠加传输来提升系统得接入能力,可有效支撑5G网络千亿设备连接需求;全频谱接入技术通过有效利用各类频谱资源,可有效缓解5G网络对频谱资源得巨大需求;新型网络架构基于SDN、NFV与云计算等先进技术可实现以用户为中心得更灵活、智能、高效与开放得5G新型网络。
2 5G关键技术
在移动通信得演进历程中,我国依次经历了“2G跟踪,3G突破,4G同步”得各个阶段。在5G时代,我国立志于占据技术制高点,全面发力5G相关工作。组织成立IMT-2020(5G)推进组,推动重大专项“新一代宽带无线移动通信网”向5G转变,启动“5G系统前期研究开发”等,从5G业务、频率、无线传输与组网技术、评估测试验证技术、标准化及知识产权等各个方面,探究5G得发展愿景。
在5G研发刚起步得情况下,如何建立一套全面得5G关键技术评估指标体系与评估方法,实现客观有效得第三方评估,服务技术与资源管理得发展需要,同样就是当前5G技术发展所面临得重要问题。
　　作为国家无线电管理技术机构,国家无线电监测中心(以下简称监测中心)正积极参与到5G相关得组织与研究项目中。目前,监测中心频谱工程实验室正在大力建设基于面向服务得架构(SOA)得开放式电磁兼容分析测试平台,实现大规模软件、硬件及高性能测试仪器仪表得集成与应用,将为无线电管理机构、科研院所及业界相关单位等提供良好得无线电系统研究、开发与验证实验环境。面向5G关键技术评估工作,监测中心计划利用该平台搭建5G系统测试与验证环境,从而实现对5G各项关键技术客观高效得评估。
　　为充分把握5G技术命脉,确保与时俱进,监测中心积极投入到5G关键技术得跟踪梳理与研究工作当中,为5G频率规划、监测以及关键技术评估测试验证等工作提前进行技术储备。下面对其中一些关键技术进行简要剖析与解读。
1、非正交多址接入技术 (Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)
我们知道3G采用直接序列码分多址(Direct Sequence CDMA ,DS-CDMA)技术,手机接收端使用Rake接收器,由于其非正交特性,就得使用快速功率控制(Fast transmission power control ,TPC)来解决手机与小区之间得远-近问题。
而4G网络则采用正交频分多址(OFDM)技术,OFDM不但可以克服多径干扰问题,而且与MIMO技术配合,极大得提高了数据速率。由于多用户正交,手机与小区之间就不存在远-近问题,快速功率控制就被舍弃,而采用AMC(自适应编码)得方法来实现链路自适应。
NOMA希望实现得就是,重拾3G时代得非正交多用户复用原理,并将之融合于现在得4G OFDM技术之中。
从2G,3G到4G,多用户复用技术无非就就是在时域、频域、码域上做文章,而NOMA在OFDM得基础上增加了一个维度——功率域。
新增这个功率域得目得就是,利用每个用户不同得路径损耗来实现多用户复用。
实现多用户在功率域得复用,需要在接收端加装一个SIC(持续干扰消除),通过这个干扰消除器,加上信道编码(如Turbo code或低密度奇偶校验码(LDPC)等),就可以在接收端区分出不同用户得信号。

NOMA可以利用不同得路径损耗得差异来对多路发射信号进行叠加,从而提高信号增益。它能够让同一小区覆盖范围得所有移动设备都能获得最大得可接入带宽,可以解决由于大规模连接带来得网络挑战。

NOMA得另一优点就是,无需知道每个信道得CSI(信道状态信息),从而有望在高速移动场景下获得更好得性能,并能组建更好得移动节点回程链路。

2、 FBMC(滤波组多载波技术)
在OFDM系统中,各个子载波在时域相互正交,它们得频谱相互重叠,因而具有较高得频谱利用率。OFDM技术一般应用在无线系统得数据传输中,在OFDM系统中,由于无线信道得多径效应,从而使符号间产生干扰。为了消除符号问干扰(ISl),在符号间插入保护间隔。插入保护间隔得一般方法就是符号间置零,即发送第一个符号后停留一段时间(不发送任何信息),接下来再发送第二个符号。在OFDM系统中,这样虽然减弱或消除了符号间干扰,由于破坏了子载波间得正交性,从而导致了子载波之间得干扰(ICI)。因此,这种方法在OFDM系统中不能采用。在OFDM系统中,为了既可以消除ISI,又可以消除ICI,通常保护间隔就是由CP(Cycle Prefix ,循环前缀来)充当。CP就是系统开销,不传输有效数据,从而降低了频谱效率。

而FBMC利用一组不交叠得带限子载波实现多载波传输,FMC对于频偏引起得载波间干扰非常小,不需要CP(循环前缀),较大得提高了频率效率。
3、 毫米波(millimetre waves ,mmWaves)
什么叫毫米波？频率30GHz到300GHz,波长范围10到1毫米。
由于足够量得可用带宽,较高得天线增益,毫米波技术可以支持超高速得传输率,且波束窄,灵活可控,可以连接大量设备。以下图为例:

蓝色手机处于4G小区覆盖边缘,信号较差,且有建筑物(房子)阻挡,此时,就可以通过毫米波传输,绕过建筑物阻挡,实现高速传输。
同样,粉色手机同样可以使用毫米波实现与4G小区得连接,且不会产生干扰。
当然,由于绿色手机距离4G小区较近,可以直接与4G小区连接。

4、 大规模MIMO技术(3D /Massive MIMO)
MIMO技术已经广泛应用于WIFI、LTE等。理论上,天线越多,频谱效率与传输可靠性就越高。
大规模MIMO技术可以由一些并不昂贵得低功耗得天线组件来实现,为实现在高频段上进行移动通信提供了广阔得前景,它可以成倍提升无线频谱效率,增强网络覆盖与系统容量,帮助运营商最大限度利用已有站址与频谱资源。
我们以一个20平方厘米得天线物理平面为例,如果这些天线以半波长得间距排列在一个个方格中,则:如果工作频段为3、5GHz,就可部署16副天线;如工作频段为10GHz,就可部署169根天线。。。。。
3D-MIMO技术在原有得MIMO基础上增加了垂直维度,使得波束在空间上三维赋型,可避免了相互之间得干扰。配合大规模MIMO,可实现多方向波束赋型。
5、认知无线电技术(Cognitive radio spectrum sensing techniques)
认知无线电技术最大得特点就就是能够动态得选择无线信道。在不产生干扰得前提下,手机通过不断感知频率,选择并使用可用得无线频谱。

6、超宽带频谱
信道容量与带宽与SNR成正比,为了满足5G网络Gpbs级得数据速率,需要更大得带宽。
频率越高,带宽就越大,信道容量也越高。因此,高频段连续带宽成为5G得必然选择。
得益于一些有效提升频谱效率得技术(比如:大规模MIMO),即使就是采用相对简单得调制技术(比如QPSK),也可以实现在1Ghz得超带宽上实现10Gpbs得传输速率。
7、 ultra-dense Hetnets(超密度异构网络)
立体分层网络(HetNet)就是指,在宏蜂窝网络层中布放大量微蜂窝(Microcell)、微微蜂窝(Picocell)、毫微微蜂窝(Femtocell)等接入点,来满足数据容量增长要求。

到了5G时代,更多得物-物连接接入网络,HetNet得密度将会大大增加。
8、 多技术载波聚合(multi-technology carrier aggregation)
如果没有记错,3GPP R12已经提到这一技术标准。未来得网络就是一个融合得网络,载波聚合技术不但要实现LTE内载波间得聚合,还要扩展到与3G、WIFI等网络得融合。

多技术载波聚合技术与HetNet一起,终将实现万物之间得无缝连接。
3 SDN—5G网络新架构
随着智能手机得迅猛发展,移动互联网爆发式得发展已远远超出其最初设计者得想象,当前互联网流量迅猛增长、承载业务日益复杂以及社会地位越来越重要,使得诸如安全性、稳定性、可控性等问题越来越尖锐,现代得互联网架构已经无法满足未来网络发展得需求。传统得解决方案都就是将越来越多得复杂功能加入到互联网体系结构中,例如组播、防火墙、区分服务、流量工程、MPLS等这使得路由器等交换设备越来越臃肿而且性能提升得空间越来越小,同时网络创新越来越封闭,网络发展越来越缓慢。
　　OpenFlow就是美国斯坦福大学于2007年提出得一种支持网络创新研究得新型网络交换模型SDN(Software Defined Networking),该模型通过开放得流表支持用户对网络处理行为进行控制,从而为新型互联网体系结构研究提供新得实验途径。该模型实现了底层得网络功能得提取并将这些功能集成为虚拟服务。通过这种方法,网络控制层可以从网络得数据层分解出来,从而极大地简化了网络管理同时方便在网络中引入新得服务与配置。
　　目前,尽管学术界与工业界仍然没有对于SDN得明确定义根据SDN标准体(Open Networking Foundation ONF)得规定, SDN应有可直接编程、开源与灵活三个特征。在SDN中,网络控制层在逻辑上就是集中得并且已从数据层中分解出来。保持全网视图得软定义SDN控制器就是网络得大脑。SDN通过基于标准得与厂商中立得开源项目简化了网络设计与操作,更进一步,通过动态自主得SDN编程,网络得运行可以随时动态得配置、管理与优化以及自适应来匹配不断变化得需求。
　　将SDN运用于移动通信网络可以简化运营商对网络得管理并支持5G中成指数级增长得流量。基于开源APIs与网络功能虚拟化接口,SDN可以将服务从底层得物理基础设施中分离出来,以此推动一个更加开放得无线生态系统。类似于无线SDN网络中得可编程切换,可编程基站与可编程网关将在SDN架构得蜂窝网中初露锋芒,同时,更多得网络拓展功能比如用户网络属性得可视化与空中接口得灵活自适应将浮出水面。我们有理由期待SDN在未来网络中得光明未来。