教案--面向5G的毫米波移动通信.docx

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回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义。
1978年，美国首先在芝加哥 开始了关于全球第一个蜂窝移动通信系统AMPS:Advanced Mobile Phone Service 高级移动电话服务系统，开启了1G时代，该时段的系统采用频分多址，只能提供模拟语音业务，数据率仅为2.8kbps~56kbps；2G时代中全球移动通信系统(Global System for Mobile communications) 的空中接口采用时分多址技术。GSM 较之它以前的标准最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的，可提供数字语音和低速数据业务，这时候都可发短消息了,但仍然是窄带的；2000年开始部署了3G，3G以码分多址为技术特征，同时采用多输入输出技术增加系统的吞吐率，此时的用户峰值速率提升到2Mbps至数十Mbps，可以支持多媒体宽带数据业务。为了提供移动业务，到2010年，正式部署了第四代移动通信，4G的空中技术是在3.9G中演进的，将OFDM与FDMA结合，以正交频分多址技术为核心，用户峰值速率提升到100Mbps至1Gbps，能够支持各种移动宽带数据业务。前几代都是基于演进的，并且向后兼容后一代，4G相比5G就如同龟兔赛跑，面向2020年及未来5G，将很大程度上提高传输速率。
2015年工信部发表第五代移动通信的发展时间表，预计将在2018年将完成技术规范，2020年正式商用。工信部电信研究院发表的5G无线技术架构白皮书也预示着我国在5G的研发进入标准制定阶段。中国5G官方推进组负责人曹淑敏讲到，我们已经从最初的概念、需求、场景逐渐走向了用合适的技术去满足这些需求。
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1G~4G阶段里的重要专利技术几乎被美国的高通、爱立信垄断，中国一直处于落后状态！
比如在3G时代，中国虽然自主研发了TD-SCDMA，但是技术上依然无法与其相提并论。即便到了4G时代，中国TD-LTE有了一定的突破，但是其核心长码编码Turbo码和短码咬尾卷积码，都不是中国原创的技术。这就导致美国高通动不动就控告你侵权，索取额外专利费。
4G和5G相比，简直就如同龟兔赛跑！
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随着4G进入规模商用阶段，第五代移动通信成为全球研究热点。面向2020年及未来，移动互联网和物联网将成为移动通信发展的主要驱动力。以用户为中心，提出了未来5G的总体愿景，总共包含三层，第一层将满足用户的居住生活，比如说人们的穿戴式设备中的眼镜、手表，手环等，用户移动终端多样化的互联网业务。第二层将为用户提供极佳的交互式体验，带来身临其境的信息，比如说日常生活中的智能家具，VR增强现实的体验、观看超高清体育赛事，在外也能连接办公室电脑，打印机的在线云端。相比4G，5G除了提供移动互联网之外，更加渗透到物联网及各种行业领域中，与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样化业务需求，实现真正的“万物互联”。
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5G将满足信息随心致，万物触手及的总体愿景，要解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战，不同应用场景面临的性能挑战有所不同，性能指标和效率需求共同定义了5G的关键能力，犹如一株绽放的鲜花。红花与绿叶相辅相成，其中花瓣代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，而花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶则代表了三个效率指标。其中有8个被ITU接受。
5G关键能力比前几代移动通信更加丰富，用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G的关键性能指标。

1用户体验速率：在真实网络环境下用户可获得的最低传输速率。在信道条件好的情况下，要求用户能达到1Gbps的下行速度，8K（3D）视频经过百倍压缩后传输速率大约为1Gbps，这样我下载一部高清电影只需要1秒；相反而在小区边缘覆盖与信号复杂的区域，信道条件变差，但也要求达到100Mbps的下行速率。相比4G百兆的下载速率明显提升。与以往只强调峰值速率的情况不同，业界普遍认为用户体验速率是5G最重要的性能指标，它真正体现了用户可获得的真实数据速率，也是与用户感受最密切的性能指标。
2连接数密度：现在若是在大型集会、开展体育赛事、开演唱会、密集的商业中心，通常采用临时基站，到了5G每平方公里能同时连接百万个用户，这样就不需要安装临时的基站。
3端到端时延：未来5G将实现智能交通，无人驾驶，那么对端到端时延需要小于1毫秒，有利于物联网的可靠传输
4移动性：高铁信号不稳定、总是断线，飞机上还不能进行无线连接，未来5G就可以解决高速移动情况下的连接，速度能达到500+KM/H。

5峰值速率：单用户可获得的最高传输速率。一份全扫描的CT图像，只需要数秒便能传输，理论上5G峰值能达到10Gbps
6流量密度：5G的流量密度能达到数十Tbps/平方公里，大大优化了频谱的利用。
从未来最具挑战性的流量需求出发，结合5G可用的频谱资源和可能的部署方式，经测算可得出5G系统的频谱效率大约需要提高5～15倍。从我国移动数据流量的增长趋势出发，综合考虑国家节能减排规划和运营商预期投资额增长情况，预计5G系统的能源效率和成本效率也需要有百倍以上的提升。
频谱效率、能耗和成本是移动通信网络可持续发展的三个关键因素。为了实现可持续发展，5G系统相比4G在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要得到显著提升。频谱效率需提升5~15倍，能源效率和成本效率均要求有百倍以上提升。

5G是面向2020年及未来的移动互联网和物联网业务需求，5G重点支持连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个主要技术场景，将采用大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等核心技术，通过新空口和4G演进两条技术路线，实现Gbps用户体验速率，并保证在多种场景下的一致性服务。

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5G典型场景涉及未来人们居住、工作、休闲和交通等各种区域，特别是密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等，从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战可归纳为连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四种典型的场景。其中快速路和城区属于广域覆盖场景，它是移动通信最基本的覆盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣环境）为用户提供100Mbps以上的用户体验速率。室内办公环境、住宅的小区属于局部的热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。1Gbps用户体验速率，数十Gbps峰值速率和数十Tbps/km2的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。
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低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持物联网及垂直行业应用。主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火和车辆网、工业控制等应用需求。
1.低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境检测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广，数量众多，不仅要求网络具有超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。
2.低延时高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。

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在5G之前，无线通信技术的主要发展方式是演进，也就是基于前一代，向后兼容前一代。但是未来的5G移动通信不同，为了提供远远超过4G的传输速率，需要新的革命性技术。5G中四个典型技术场景具有不同的挑战性指标需求，在考虑不同技术共存可能性的前提下，需要合理选择关键技术的组合来满足这些需求。下面我们将5G中的一种关键技术毫米波通信。

1.在广域覆盖场景，受限于站址和频谱资源，喂了满足100Mbps用户体验速率需求，除了需要尽可能多的低频谱资源外，还需要大幅度提升系统频谱效率。大规模天线阵列是其中最主要的关键技术之一，新型多只技术可与 大规模天线阵列相结合，进一步提升系统频谱效率和多用户接入能力。
2.在热点高容量场景，极高的用户体验速率和极高的流量密度是该场景面临的主要挑战，超密集组网能够有效地复用频率资源，极大提升单位面积内的频率复用效率。全频接入能够充分利用低频和高频的频率资源，实现更高的传输效率，大规模天线、新型多址等技术与前两种技术相结合，可实现频谱效率的进一步提升。

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无线信号通过电磁波传播，1G~4G采用了300MHz~3GHz的低频段，而5G将频谱分为低频段和高频段。6GHz以下的低频段主要是以现在的4G LTE为基础演进；而6GHz以上是高频段，也就是微波毫米波，它是全新的、革命性的，特别是应用极少的毫米波。30GHz~300GHz频段是业界公认的毫米波频段，对应的波段是1~10mm.2015年FCC提议将28GHz用于小蜂窝通信，64~71GHz频段的7GHz带宽用于短距离的室内热点场景。
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毫米波频段的优点是可以实现超宽带，可以很轻松地实现超高的传输速率；但是挑战也很大，第一个是传播损耗：1：传输损耗与频率的平方成正比，高频段损耗大。针叶、降雨损耗也随频率增加而增加。2：与低频段通信最大的差别在于毫米波的波长短，使其传播距离近，容易受到墙面、物体和人等障碍物的阻挡，针对这些传播损耗，最好的解决方案是采用高增益方向性天线或天线阵来补偿。第二个是延时扩展：毫米波频段的延时扩展依赖于散射环境，同时在非视距情况下的时延扩展也随波束变化而变化。第三个信道特征是小尺度衰落，在短时间内的快速变化用Nakagami随机变量来描述。而低频段常常使用对数正态分布来描述；

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相比微波通信，毫米波中的大气吸收与频率有关。白色部分的28GHz和38GHz频段的大气衰减非常低，大约在0.1dB/km；蓝色部分的57-64GHz频段中具有7GHz有效大带宽，氧气分子吸收引起了非常高的衰减，因此该频段主要是用于超短距离室内通信。绿色部分的频段具有几GHz带宽，大气衰减也比较低，这部分损失可以采用波控和波束耦合的方向性天线阵来解决。
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与微波通信一样，毫米波频段也需要设计物理层结构，主要包含信道编码、调制和大规模MIMO。就信道编码部分，3G、4G中使用turbo码，未来5G编码研究中，我国主推的是Polar码，欧洲主推Turbo2.0。就在今年的10月19日，3GPP将美国主推的LDPC确定为5G标准的长码编码方案。虽然Turbo2.0在理论和工程上都相对LDPC有优势，但也因为非技术原因让位于LDPC码。
美国时间11月17日，国际无线标准化机构3GPP的RAN1（无线物理层）87次会议在美国拉斯维加斯召开，就5G短码方案进行讨论。三位主角依然是中国华为主推的PolarCode（极化码）方案，美国高通主推LDPC方案，法国主推Turbo2.0方案。最终，华为的Polar方案从两大竞争对手中胜出！
毫米波的调制方式采用了传统的和新型的映射方式，并逐渐采用了多进制调制，一个符号可以传输更多的比特数。比如传统单载波BPSK\QPSK、16QAM，传统多载波512OFDMA，新型的128QAM和1024OFDM。
为了充分利用毫米波通信的优势，将它与Massive MIMO结合，通过大大增加天线振元增加传输距离和空间复用率。
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毫米波通信被业界认为是5G中的黑暗技术，还存在诸如3D-信道模型、用户调度和拥塞控制，硬件限制、功率控制和自适应波控技术等开放性问题，这部分内容下一次讲。