LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)第11章 第代移動(dòng)通信新技術(shù)

1、第第11章章 第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第五代移動(dòng)通信新技術(shù) 第五代移動(dòng)通信概述第五代移動(dòng)通信概述 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) 空中接口技術(shù)空中接口技術(shù) 大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù) 毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù) 本章小結(jié)本章小結(jié)第第11章章 第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第五代移動(dòng)通信新技術(shù) 第五代移動(dòng)通信概述第五代移動(dòng)通信概述 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) 空中接口技術(shù)空中接口技術(shù) 大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù) 毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù) 本章小結(jié)本章小結(jié)第第11章章 第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第五代移動(dòng)

2、通信概述第五代移動(dòng)通信概述n第五代(5g)移動(dòng)通信系統(tǒng)是面向2020年以后用戶需求的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。n超高的頻譜利用率和超低的功耗。n在傳輸速率、資源利用、無(wú)線覆蓋性能和用戶體驗(yàn)等方面將比現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)有顯著提升。n移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展的兩大主要驅(qū)動(dòng)力，為第五代移動(dòng)通信提供了廣闊的應(yīng)用前景。第五代移動(dòng)通信概述第五代移動(dòng)通信概述n 第五代移動(dòng)通信是多種新型無(wú)線接入技術(shù)和現(xiàn)有無(wú)線接入技術(shù)演進(jìn)集成后的解決方案的總稱。n 與lte相比，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)l融合多種無(wú)線接入方式l充分利用不同頻段的頻譜資源l支持更加多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景l(fā)大幅提升頻譜效率、能源效率和成本效率，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信

3、網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展nimt-2020(5g)推進(jìn)組用“標(biāo)志性能力指標(biāo)”和“一組關(guān)鍵技術(shù)”給出了第五代移動(dòng)通信的定義。第五代移動(dòng)通信概述第五代移動(dòng)通信概述n標(biāo)志性能力指標(biāo)第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)要滿足未來(lái)十年l移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍l廣域覆蓋下100mbps用戶體驗(yàn)速率l熱點(diǎn)地區(qū)數(shù)十gbps峰值速率l毫秒級(jí)的端到端時(shí)延l百倍以上能效提升 除了業(yè)務(wù)能力指標(biāo)要求外，還需要面對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)方面帶來(lái)的挑戰(zhàn)，單位比特成本比lte降低一個(gè)或更高的量級(jí)，其無(wú)線覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)也將得到顯著的提高。第五代移動(dòng)通信概述第五代移動(dòng)通信概述n一組關(guān)鍵技術(shù)l引入新的無(wú)線傳輸技術(shù)，將資源利用率在lte的基礎(chǔ)

4、上提高10倍以上l引入新的體系結(jié)構(gòu)(如超密集小區(qū)結(jié)構(gòu))和更加深度的智能化能力，將整個(gè)系統(tǒng)的吞吐率提高25倍左右l進(jìn)一步挖掘新的頻率資源(如高頻段、毫米波與可見光等)，使未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信的頻率資源擴(kuò)展4倍左右。 綜合未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)各類場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)場(chǎng)景可歸納為連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)髙容量、低功耗大連接和低時(shí)延髙可靠四個(gè)場(chǎng)景。 第五代移動(dòng)通信概述第五代移動(dòng)通信概述 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) 空中接口技術(shù)空中接口技術(shù) 大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù) 毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù) 本章小結(jié)本章小結(jié)第第11章章 第五代移動(dòng)通信

5、新技術(shù)第五代移動(dòng)通信新技術(shù)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)引入互聯(lián)網(wǎng)和虛擬化技術(shù)，采用基于通用硬件的新型基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，解決了現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)成本髙、資源配置能力不強(qiáng)和業(yè)務(wù)上線周期長(zhǎng)等問題。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，第五代移動(dòng)通信采用基于控制轉(zhuǎn)發(fā)分離和控制功能重構(gòu)的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)n通過(guò)簡(jiǎn)化的核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提供靈活髙效的控制轉(zhuǎn)發(fā)功能，支持髙智能運(yùn)營(yíng)，開放網(wǎng)絡(luò)能力，提升全網(wǎng)整體服務(wù)水平。n接入網(wǎng)采用以用戶為中心的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，宏站和微站相結(jié)合，容納多種接入技術(shù)，支持多接入和多連接、分布式和集中式、自回傳和自組織的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并且具備無(wú)線資源智能化管控和共享能力，支持基站的即插即用。網(wǎng)

6、絡(luò)體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步微型化、分布化，并通過(guò)小區(qū)間的相互協(xié)作，將干擾信號(hào)轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)，從而解決小區(qū)微型化和分布化所帶來(lái)的干擾問題，最大程度地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。 第五代移動(dòng)通信概述第五代移動(dòng)通信概述 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) 空中接口技術(shù)空中接口技術(shù) 大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù) 毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù) 本章小結(jié)本章小結(jié)第第11章章 第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第五代移動(dòng)通信新技術(shù)空中接口技術(shù)空中接口技術(shù)第五代移動(dòng)通信的空中接口(簡(jiǎn)稱空口)技術(shù)具有統(tǒng)一、靈活、可配置的技術(shù)特性，針對(duì)不同場(chǎng)景的技術(shù)需求，通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)的靈活

7、配置形成相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)方案。第五代移動(dòng)通信的空中接口可由5g新空口(含低頻空口與高頻空口)和4g演進(jìn)空口兩部分組成?？罩薪涌诩夹g(shù)空中接口技術(shù)n5g新空口包含工作在6ghz以下頻段的低頻新空口以及工作在6ghz以上頻段的高頻新空口：l較低頻段(6ghz以下頻段)的新空口：滿足大覆蓋、高移動(dòng)性場(chǎng)景下的用戶體驗(yàn)和海量設(shè)備連接。l高頻段(6ghz以上頻段)的新空口：滿足熱點(diǎn)區(qū)域極高的用戶體驗(yàn)速率和系統(tǒng)容量需求。空中接口技術(shù)空中接口技術(shù)5g空口技術(shù)框架 5g空口技術(shù)的創(chuàng)新有著豐富的含義，在幀結(jié)構(gòu)、雙工、波形、多址、調(diào)制編碼、天線、協(xié)議等方面都有著很大的技術(shù)突破?？罩薪涌诩夹g(shù)空中接口技術(shù)幀結(jié)構(gòu)及信道 5g

8、幀結(jié)構(gòu)的參數(shù)可靈活配置，以服務(wù)不同類型的業(yè)務(wù)，具體包括:帶寬、子載波間隔、循環(huán)前綴、傳輸時(shí)間間隔和上下行配比等?？罩薪涌诩夹g(shù)空中接口技術(shù)雙工技術(shù) 5g將支持傳統(tǒng)的fdd和tdd及其增強(qiáng)技術(shù)，并可以支持靈活雙工和全雙工等新型雙工技術(shù)。低頻段將采用fdd和tdd，高頻段更適宜采用tdd。此外，靈活雙工技術(shù)可以靈活分配上下行時(shí)間和頻率資源，更好地適應(yīng)非均勻、動(dòng)態(tài)變化的業(yè)務(wù)分布。全雙工技術(shù)支持相同頻率相同時(shí)間上同時(shí)收發(fā)，是5g潛在的雙工技術(shù)?？罩薪涌诩夹g(shù)空中接口技術(shù)波形技術(shù) 除傳統(tǒng)的ofdm和單載波波形外，5g很有可能支持基于優(yōu)化濾波器設(shè)計(jì)的濾波器組多載波(fbmc)、基于濾波的ofdm(f-ofdm

9、)和通用濾波多載波(ufmc)等新波形。 這類新波形技術(shù)具有極低的帶外泄露，不僅可提升頻譜使用效率，還可以有效利用零散頻譜并與其他波形實(shí)現(xiàn)共存。由于不同波形的帶外泄漏、資源開銷和峰均比等參數(shù)各不相同，可以根據(jù)不同的場(chǎng)景需求，選擇適合的波形技術(shù)，同時(shí)有可能存在多種波形共存的情況?？罩薪涌诩夹g(shù)空中接口技術(shù)多址接入技術(shù) 除支持傳統(tǒng)的ofdma技術(shù)外，5g還將支持稀疏碼分多址(scma)、圖樣分割多址(pdma)、多用戶共享接入(musa)等新型多址技術(shù)。這些新型多址技術(shù)通過(guò)多用戶的疊加傳輸，不僅可以提升用戶連接數(shù)，還可以有效提高系統(tǒng)頻譜效率。此外，通過(guò)免調(diào)度競(jìng)爭(zhēng)接入，可大幅度降低時(shí)延?？罩薪涌诩夹g(shù)空

10、中接口技術(shù)調(diào)制編碼技術(shù) 對(duì)于高速率業(yè)務(wù)，多元低密度奇偶校驗(yàn)碼(m-aryldpc)、極化碼、新的星座映射以及超奈奎斯特調(diào)制(ftn)等比傳統(tǒng)的二元turbo+qam方式可進(jìn)一步提升鏈路的頻譜效率。 對(duì)于低速率小包業(yè)務(wù)，極化碼和低碼率的卷積碼可以在短碼和低信噪比條件下接近香農(nóng)容量界。 對(duì)于低時(shí)延業(yè)務(wù)，需要選擇編譯碼處理時(shí)延較低的編碼方式； 對(duì)于高可靠業(yè)務(wù)，需要消除譯碼算法的地板效應(yīng)。 此外，由于密集網(wǎng)絡(luò)中存在大量的無(wú)線回傳鏈路，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼提升系統(tǒng)容量?？罩薪涌诩夹g(shù)空中接口技術(shù)多天線技術(shù) 5g基站天線數(shù)及端口數(shù)將有大幅度增長(zhǎng)，可支持配置上百根天線和數(shù)十個(gè)天線端口的大規(guī)模天線，并通過(guò)多用戶mi

11、mo技術(shù)，支持更多用戶的空間復(fù)用傳輸，數(shù)倍提升系統(tǒng)頻譜效率。大規(guī)模天線還可用于高頻段，通過(guò)自適應(yīng)波束成形補(bǔ)償高的路徑損耗。5g需要在參考信號(hào)設(shè)計(jì)、信道估計(jì)、信道信息反饋、多用戶調(diào)度機(jī)制以及基帶處理算法等方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以支持大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用?？罩薪涌诩夹g(shù)空中接口技術(shù)底層協(xié)議 5g的空口協(xié)議需要支持各種先進(jìn)的調(diào)度、鏈路自適應(yīng)和多連接等方案，并可靈活配置，以滿足不同場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求。 5g空口協(xié)議還將支持5g新空口、4g演進(jìn)空口及wlan等多種接入方式。為減少海量小包業(yè)務(wù)造成的資源和信令開銷，可考慮采用免調(diào)度的競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制，以減少基站和用戶之間的信令交互，降低接入時(shí)延。5g的自適應(yīng)harq(

12、混合自動(dòng)重傳)協(xié)議將能夠滿足不同時(shí)延和可靠性的業(yè)務(wù)需求。此外，5g將支持更高效的節(jié)能機(jī)制，以滿足低功耗物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。 第五代移動(dòng)通信概述第五代移動(dòng)通信概述 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) 空中接口技術(shù)空中接口技術(shù) 大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù) 毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù) 本章小結(jié)本章小結(jié)第第11章章 第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第五代移動(dòng)通信新技術(shù)大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù) 在實(shí)際大規(guī)模mimo中，基站只能配置有限數(shù)量天線，但天線數(shù)量非常大，通常幾十到幾百根，是現(xiàn)有系統(tǒng)天線數(shù)量的1-2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在同一個(gè)時(shí)頻資源上同時(shí)服務(wù)于若干個(gè)用戶。 在天線的配置方式

13、上，天線可以是集中配置在一個(gè)基站上，形成集中式的大規(guī)模mimo，也可以是分布式地配置在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，形成分布式的大規(guī)模mimo。大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù) 大規(guī)模mimo技術(shù)能夠： 大幅提升頻譜資源的整體利用率：利用基站大規(guī)模天線配置所提供的空間自由度，提升多用戶間的頻譜資源復(fù)用能力、各個(gè)用戶鏈路的頻譜效率以及抵抗小區(qū)間干擾的能力，由此 用戶與基站之間通信的功率效率顯著提升：利用基站大規(guī)模天線配置所提供的分集增益和陣列增益。 面對(duì)5g系統(tǒng)在傳輸速率和系統(tǒng)容量等方面的性能挑戰(zhàn)，大規(guī)模mimo技術(shù)成為5g系統(tǒng)區(qū)別于現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的關(guān)鍵技術(shù)

14、 為充分挖掘大規(guī)模mimo潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，需要探明符合典型實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的信道模型，并在實(shí)際信道模型、適度的導(dǎo)頻開銷及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性等約束條件下，分析其可達(dá)的頻譜效率和功率效率，進(jìn)而探尋信道信息獲取及最優(yōu)傳輸技術(shù)。 大規(guī)模mimo的核心問題還包括傳輸與檢測(cè)技術(shù)、多用戶調(diào)度和資源管理技術(shù)、覆蓋增強(qiáng)技術(shù)以及高速移動(dòng)解決方案等。大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的關(guān)鍵技術(shù)大規(guī)模天線技術(shù)的潛在應(yīng)用場(chǎng)景：宏覆蓋、高層建筑、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)外熱點(diǎn)以及無(wú)線回傳鏈路等。 在需要廣域覆蓋的場(chǎng)景，大規(guī)模天線技術(shù)可以利用現(xiàn)有頻段；在熱點(diǎn)覆蓋或回傳鏈路等場(chǎng)景，則可以考慮使用更高頻段。大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模

15、mimo的關(guān)鍵技術(shù)(1)信道狀態(tài)信息測(cè)量、反饋及參考信號(hào)設(shè)計(jì) 為了更好地平衡信道狀態(tài)信息測(cè)量的開銷與精度，除了傳統(tǒng)的基于碼本的隱式反饋和基于信道互易性的反饋機(jī)制之外，諸如分級(jí)csi(信道狀態(tài)信息)測(cè)量與反饋、基于kronecker運(yùn)算的csi測(cè)量與反饋、壓縮感知以及預(yù)體驗(yàn)式等新型反饋機(jī)制也值得考慮。大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的關(guān)鍵技術(shù)(2)下行發(fā)送與上行接收算法設(shè)計(jì) 大規(guī)模天線的性能增益主要是通過(guò)大量天線陣元形成的多用戶信道間的準(zhǔn)正交特性保證的。然而，在實(shí)際的信道條件中，由于設(shè)備與傳播環(huán)境中存在諸多非理想因素，為了獲得穩(wěn)定的多用戶傳輸增益，仍然需要依賴下行發(fā)送與上行接收算法的設(shè)

16、計(jì)來(lái)有效地抑制用戶間乃至小區(qū)間的同道干擾，而傳輸與檢測(cè)算法的計(jì)算復(fù)雜度則直接與天線陣列規(guī)模和用戶數(shù)相關(guān)。大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的關(guān)鍵技術(shù)(3)預(yù)編碼/波束成形算法 基于大規(guī)模天線的預(yù)編碼/波束成形算法與陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備成本、功率效率和系統(tǒng)性能都有直接的聯(lián)系?；趉ronecker運(yùn)算的水平垂直分離算法、數(shù)?；旌喜ㄊ尚渭夹g(shù)，或者分級(jí)波束成形技術(shù)等可以較為有效地降低大規(guī)模天線系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度。 當(dāng)天線數(shù)目很大時(shí)，大規(guī)模mimo采用線性預(yù)編碼即可達(dá)到接近最優(yōu)時(shí)的容量。大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的預(yù)編碼 當(dāng)基站天線數(shù)目接近無(wú)窮，且天線間相關(guān)性較小時(shí)，天線陣列形成的

17、多個(gè)波束間將不存在干擾，系統(tǒng)容量較傳統(tǒng)mimo系統(tǒng)大大提升。 大規(guī)模mimo系統(tǒng)中，最簡(jiǎn)單的線性多用戶預(yù)編碼，如特征值波束成形(ebf，eigenvalues beamforming)、匹配濾波(mf，matching filter)、正則化迫零(rzf， regularization zero forcing)等能夠獲得幾乎是最優(yōu)的性能，且基站和用戶的發(fā)射功率也可以任意小。大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的預(yù)編碼 考慮由配置 根天線的基站和 個(gè)單天線用戶構(gòu)成的大規(guī)模mimo系統(tǒng)。若 根天線到同一用戶的大尺度衰落相同，且基站端天線相關(guān)矩陣為單位陣，則基站到用戶的信道為 維矩陣mkmk

18、m其中 表示信道的大尺度衰落信息， 維矩陣表示信道 的快衰落信息，其各元素獨(dú)立同分布且服從均值為0方差為1的復(fù)高斯分布， 維行向量 為kmm大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的預(yù)編碼基站到用戶 ( )的信道。 在大規(guī)模mimo系統(tǒng)中，若 ，則有即用戶的信道是漸近正交的。k1,2,kkmk(1)特征值波束成形算法 特征值波束成形利用信道的特征值信息根據(jù)一定的準(zhǔn)則進(jìn)行波束成形。準(zhǔn)則可以是最大信干噪比(msinr)、最小均方誤差(mmse)或線性約束最小方差(lcmv)等。大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的預(yù)編碼這里以msinr準(zhǔn)則為例對(duì)特征值波束成形進(jìn)行分析。設(shè)用戶接收端噪聲功率

19、為 ，ebf權(quán)值矩陣為 ，則用戶 的接收端信干噪比(sinr)為其中 表示矩陣的第 列。2kk大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的預(yù)編碼ebf權(quán)值矩陣 應(yīng)使得 最大，對(duì) 求導(dǎo)并使其導(dǎo)數(shù)為0，可知最優(yōu)的 對(duì)應(yīng)于 的最大特征值 ，進(jìn)一步地可得最優(yōu)特征值波束成形權(quán)值矩陣 。若 ，則此時(shí)用戶的接收端sinr為maxmk大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的預(yù)編碼(2)匹配濾波 基站對(duì) 個(gè)用戶的匹配濾波(mf)多用戶預(yù)編碼矩陣為k若基站發(fā)射信號(hào)向量為 ， 個(gè)用戶的接收噪聲向量為 ，s、n各元素獨(dú)立同分布且服從均值為0方差分別為1和 的復(fù)高斯分布。 時(shí)， 個(gè)用戶的接收信號(hào)向量為用戶 的接收端

20、sinr與特征值波束成形算法相同。k2mkkk大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的預(yù)編碼(3)正則化迫零 正則化迫零(rzf)多用戶預(yù)編碼在萊斯信道下具有良好的性能，其預(yù)編碼矩陣為 其中， 是正規(guī)化系數(shù)。當(dāng) 趨近于0時(shí)就是zf預(yù)編碼；當(dāng) 趨近于無(wú)窮大時(shí)就是mf預(yù)編碼。 時(shí)， 個(gè)用戶的接收信號(hào)向量為 同樣，利用正則化迫零預(yù)編碼時(shí)，用戶的接收端sinr與前相同。mkk大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù)大規(guī)模mimo的預(yù)編碼在基站天線數(shù)趨于無(wú)窮大且發(fā)端天線相關(guān)矩陣為單位陣時(shí)，ebf、mf與rzf性能相近且接近最優(yōu)。當(dāng)基站天線相關(guān)矩陣為單位陣但天線數(shù)目有限時(shí)，可以利用大規(guī)模隨機(jī)矩陣?yán)碚?rmt)推導(dǎo)

21、得到幾種線性多用戶預(yù)編碼算法下的近似系統(tǒng)容量。通過(guò)理論分析和仿真表明，在基站天線數(shù)有限的情況下，與mf和ebf算法相比，rzf算法可以利用更少的天線獲得更大的系統(tǒng)容量。 第五代移動(dòng)通信概述第五代移動(dòng)通信概述 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) 空中接口技術(shù)空中接口技術(shù) 大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù) 毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù) 本章小結(jié)本章小結(jié)第第11章章 第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第五代移動(dòng)通信新技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 與6ghz以下頻段相比，毫米波(mmw)具有豐富的空閑頻譜資源，能夠滿足熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景的極高傳輸速率要求。 但是，毫米波在實(shí)際

22、應(yīng)用中還有很多極具挑戰(zhàn)力的問題：毫米波傳播中的路徑損耗大，因此覆蓋范圍要比6ghz以下頻段小。此外，在毫米波通信中可能出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)幾秒的深衰落，嚴(yán)重影響著毫米波通信的性能。毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 毫米波通信系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景可以分為兩大類基于毫米波的小基站基于毫米波的無(wú)線回程(backhaul)鏈路 毫米波小基站：為微小區(qū)提供gbps的數(shù)據(jù)速率，采用基于毫米波的無(wú)線回程的目的是提高網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性。 無(wú)線回程：在5g網(wǎng)絡(luò)中，微/小基站的數(shù)目非常龐大，部署有線方式的回程鏈路會(huì)非常復(fù)雜，因此可以通過(guò)使用毫米波無(wú)線回程隨時(shí)隨地根據(jù)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)需求部署新的小基站，并可以在空閑時(shí)段或輕流量時(shí)段靈活

23、、實(shí)時(shí)關(guān)閉某些小基站，從而可以收到節(jié)能降耗之效。毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 這些雙模連接需要支持高速切換，提高毫米波鏈路的可靠性。微基站和宏基站間的回程鏈路可以采用光纖、微波或毫米波鏈路。 工作在6ghz以下的宏基站提供廣域覆蓋，并提供毫米波頻段gbps傳輸?shù)奈⑿^(qū)間的無(wú)縫移動(dòng)。用戶設(shè)備采用雙模連接，能夠與毫米波小基站和宏基站建立連接，與毫米波小基站間建立高速數(shù)據(jù)鏈路，同時(shí)還通過(guò)傳統(tǒng)的無(wú)線接入技術(shù)與宏基站保持連接，提供控制面信息毫米波組網(wǎng)示意圖毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 通過(guò)高方向性模擬波束成形技術(shù)，補(bǔ)償高路損的影響 利用空間復(fù)用支持更多用戶，并開發(fā)多用戶波束搜索算法，增加

24、系統(tǒng)容量； 幀結(jié)構(gòu)：與lte相比，子載波間隔可增大10倍以上，幀長(zhǎng)也將大幅縮短。 波形：上下行可采用相同的波形設(shè)計(jì)，ofdm ，單載波是候選波形； 雙工：tdd可更好地支持高頻段通信和大規(guī)模天線的應(yīng)用； 編碼技術(shù)：選擇支持快速譯碼、對(duì)存儲(chǔ)需求量小的信道編碼，以適應(yīng)高速數(shù)據(jù)通信的需求。毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)單用戶混合波束成形 混合波束成形(hbf)結(jié)合數(shù)字域、模擬域波束成形，有效減少了射頻鏈路數(shù)量，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，因此非常適合用于毫米波通信系統(tǒng)中。此外，射頻模擬波束成形可以避免數(shù)字波束成形中每個(gè)天線都使用大功耗寬帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器。毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)單用戶混合波束

25、成形 假設(shè)發(fā)射機(jī)使用 個(gè)射頻(rf)鏈路、nt 根天線來(lái)發(fā)送ns數(shù)據(jù)流( )，其基帶預(yù)編碼器為 矩陣 ，rf預(yù)編碼器為 矩陣 。 假設(shè)接收機(jī)具有nr 根天線，信道為 窄帶塊衰落，信道矩陣表示為 ，滿足 ?；径税l(fā)送的數(shù)據(jù)流通過(guò)基帶預(yù)編碼器和rf預(yù)編碼器，經(jīng)信道傳輸后，在用戶端的接收信號(hào)為trfntsrftnnntrfsnnttrfnnrtnnh毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)單用戶混合波束成形 rf預(yù)編碼器使用模擬移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)元素只有相位是不同的，模值相等；基帶預(yù)編碼器 每個(gè)元素的幅度和相位均可不同，但總的功率受 限制。 接收端使用 rf鏈路來(lái)接收發(fā)射端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)流，其中是 rf合

26、并矩陣，其元素具有單位范數(shù)； 是基帶合并矩陣。則可獲得的數(shù)據(jù)速率為rrfsnn毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 多用戶混合波束成形與單用戶混合波束成形的區(qū)別在于系統(tǒng)中有 個(gè)用戶，設(shè)計(jì)預(yù)編碼器要考慮如何消除用戶間干擾，以最大化系統(tǒng)容量。毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 為了簡(jiǎn)化，我們假定所有 個(gè)用戶具有相同的數(shù)據(jù)流數(shù) 。這里僅考慮水平維的波束成形(該方法也可以拓展到垂直維波束成形)，則基站的rf預(yù)編碼器可以表示為： 12000000bsnwwww其中 是方位角為 的相位控制矢量。用 表示 數(shù)字預(yù)編碼器，其中每一列與每個(gè)用戶和數(shù)據(jù)流的數(shù)字控制矢量相對(duì)應(yīng)。

27、毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 最終在 個(gè)基站天線上來(lái)自 個(gè)流上的總的發(fā)送信號(hào) 可以表示為s是包含不同用戶數(shù)據(jù)流的 矢量。在用戶端，使用相同的混合波束成形結(jié)構(gòu)。接收天線數(shù)是 ，每一個(gè)陣列具有 個(gè)天線陣元，每一個(gè)天線陣元有對(duì)應(yīng)的移相器。采用與基站相同的方式，用戶的第k個(gè)rf陣列的控制矢量可以寫成 矢量 ，其中是方位角 控制方向。毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形用戶第i個(gè)基帶接收信號(hào)矢量為用戶的所有rf預(yù)編碼器可以表示為12000000msinvvvv 是用戶數(shù)字合并器， 是用戶i 的 信道矩陣，n 是附加復(fù)高斯白噪聲矢量。定義總的 個(gè)用戶的信道矩陣為

28、毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 對(duì)于數(shù)字mu-mimo預(yù)編碼，各用戶的基帶等效信道(在rf波束成形后)由下式給出 當(dāng)基站端已知基帶等效信道后，則可通過(guò)不同的方法計(jì)算mu-mimo數(shù)字預(yù)編碼器p。毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 當(dāng)忽略多用戶干擾，基站到第i個(gè)用戶鏈路的容量等式可以寫成其中 ， 是噪聲協(xié)方差矩陣， 是用戶端的rf預(yù)編碼， 是數(shù)字合并器， 是系統(tǒng)的mimo等效信道，表示為毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形1,int2,int,log (det()shinimimo imimo iciqhh1,int,()unhhhh

29、hiiin iijjiiiijqu vr+h wp p w hvu為了考慮其他用戶對(duì)用戶i的干擾，用戶i的容量等式重寫為其中 定義為1,intiq毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形un_,1untotalnoi noicc_int,int1untotaliicc 于是， 個(gè)無(wú)干擾用戶和有干擾用戶的總?cè)萘糠謩e為 我們以上式為依據(jù)，給出不同rf波束分配策略下的mu-mimo混合波束成形算法。毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 eff multi userh多用戶混合波束成形設(shè)計(jì)： 首先得到基站端和相關(guān)的用戶最佳rf波束成形矩陣；然后再?gòu)牡玫降膔f波束成形矩陣

30、獲得的 ，計(jì)算mu-mimo數(shù)字預(yù)編碼器p。(1)最佳rf波束選擇 從rf碼本集中選擇用于基站端和用戶端每條rf鏈路的控制矢量。對(duì)于基站和用戶，rf碼本集的控制矢量的數(shù)目設(shè)為每條鏈路移相器數(shù)，根據(jù)rf選擇方案從中分別選出用于基站rf鏈路的 個(gè)波束和用戶端rf鏈路的 個(gè)波束。毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 控制矢量 通過(guò)假定上行(用戶端到基站)和下行鏈路(基站到用戶端)信道是互易的，對(duì)每一個(gè)用戶，用于每一個(gè)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)波束合并的信道響應(yīng)都在上行信道探測(cè)時(shí)測(cè)量，并在接收端進(jìn)行校準(zhǔn)，基站利用信道信息選擇出最優(yōu)波束用于后續(xù)下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸。毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)

31、多用戶混合波束成形 采用不同的策略為同時(shí)調(diào)度的用戶選擇最佳rf波束毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 (2)計(jì)算數(shù)字預(yù)編碼器 在rf波束選擇之后，根據(jù)等效信道矩陣，可以通過(guò)mmse和bd算法來(lái)得到數(shù)字預(yù)編碼矩陣。mmse算法：毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 當(dāng)數(shù)據(jù)流數(shù)低于用戶端的rf鏈路數(shù)( )時(shí)，需要從 提取列矢量以得到最終預(yù)編碼矩陣p，此時(shí)可以采用mmse(svd)算法。mmse(svd)預(yù)編碼矩陣為毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 bd算法1, -1(,),1,=effeff ieff multi userieff ief

32、f nuhhhhh，刪除用戶00(,)=bshnnnhiiiiiiieff multi userisvdhx zx zz刪除用戶首先是形成除用戶i以外所有用戶的等效信道矩陣對(duì)該等效信道矩陣進(jìn)行svd分解 毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù)多用戶混合波束成形 bd算法ixhizi0niziz0n(,)eff multi userih刪除用戶0snn其中 和 是左和右奇異矢量的正交矩陣， 是以降序排列的奇異值為對(duì)角元素的對(duì)角矩陣， 表示從 提取的 列，形成 的零空間。假定 ，svd實(shí)現(xiàn)了用戶i有效信道在該零空間矢量的投影 最后用戶i的數(shù)字預(yù)編碼矩陣可以用如下的方式計(jì)算 第五代移動(dòng)通信概述第五代移

33、動(dòng)通信概述 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) 空中接口技術(shù)空中接口技術(shù) 大規(guī)模大規(guī)模mimo技術(shù)技術(shù) 毫米波無(wú)線通信技術(shù)毫米波無(wú)線通信技術(shù) 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù) 本章小結(jié)本章小結(jié)第第11章章 第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第五代移動(dòng)通信新技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù) 靈活雙工可以通過(guò)時(shí)域和頻域方案實(shí)現(xiàn)。在fdd時(shí)域方案中，每個(gè)小區(qū)可根據(jù)業(yè)務(wù)量需求將上下頻帶配置成不同的上下行時(shí)隙配比。(a) fdd時(shí)域方案同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù) 在fdd頻域方案中，可以將上行頻帶配置為靈活頻帶以適應(yīng)上下行非對(duì)稱的業(yè)務(wù)需求。fdd頻域方案 同樣，在tdd系統(tǒng)中，每個(gè)小區(qū)可以根據(jù)上下行業(yè)務(wù)量

34、需求來(lái)決定用于上下行傳輸?shù)臅r(shí)隙數(shù)目，實(shí)現(xiàn)方式與fdd中上行頻段采用的時(shí)域方案類似。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)全雙工 在第一個(gè)時(shí)隙上，基站發(fā)射給用戶1信號(hào)，接收用戶2的信號(hào)；在第二個(gè)時(shí)隙上，基站發(fā)射給用戶2信號(hào)，接收用戶1信號(hào)，總共用2個(gè)時(shí)隙完成了用戶1和用戶2各一次雙工通信。而傳統(tǒng)tdd系統(tǒng)則需要至少4個(gè)時(shí)隙完成，因此其頻譜利用率提高一倍。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)全雙工系統(tǒng)干擾分析 (1)全雙工系統(tǒng)單小區(qū)干擾分析全雙工基站與半雙工終端混合組網(wǎng)的的全雙工系統(tǒng)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)全雙工系統(tǒng)干擾分析 (1)全雙工系統(tǒng)單小區(qū)干擾分析 基站端配置一根發(fā)射天線和一根接

35、收天線，兩者同時(shí)同頻工作?？紤]手機(jī)只配備一根天線并以半雙工的方式工作，即每一時(shí)刻只能進(jìn)行接收或者發(fā)射操作。由于基站工作在全雙工方式，因此能夠同時(shí)同頻地服務(wù)一個(gè)上行用戶和一個(gè)下行用戶。除了基站全雙工引起的自干擾外，由于上行用戶和下行用戶同時(shí)同頻工作，也會(huì)造成用戶間干擾。用戶間干擾可以采用信號(hào)處理方法進(jìn)行抑制，如干擾抑制合并技術(shù)，或者通過(guò)資源調(diào)度，選擇距離較遠(yuǎn)的上行和下行用戶減少同時(shí)同頻傳輸帶來(lái)的用戶間干擾。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)全雙工系統(tǒng)干擾分析 (2)全雙工系統(tǒng)多小區(qū)干擾分析同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)全雙工系統(tǒng)干擾分析 (2)全雙工系統(tǒng)多小區(qū)干擾分析 在多小區(qū)組網(wǎng)的環(huán)境

36、下，全雙工蜂窩系統(tǒng)中同樣存在傳統(tǒng)半雙工蜂窩系統(tǒng)內(nèi)的小區(qū)間干擾，包括基站對(duì)相鄰小區(qū)下行用戶的干擾，以及上行用戶對(duì)相鄰小區(qū)基站的干擾。此外，由于全雙工蜂窩系統(tǒng)每個(gè)基站都是同時(shí)同頻地進(jìn)行收發(fā)操作，還面臨用戶間干擾，以及基站的收發(fā)天線之間的全雙工自干擾。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)全雙工系統(tǒng)中的自干擾消除技術(shù) 基帶信號(hào)經(jīng)射頻調(diào)制，從發(fā)射天線發(fā)出。同時(shí)，接收天線正在接收來(lái)自期望信源的信號(hào)。由于節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)處在同一頻率和同一時(shí)隙上，進(jìn)入接收天線的信號(hào)為節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)和來(lái)自期望信源的信號(hào)之和，而節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)對(duì)于期望的接收信號(hào)來(lái)說(shuō)是極強(qiáng)的干擾，這種干擾被稱為雙工干擾(自干擾)。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)全雙工系統(tǒng)中的自干擾消除技術(shù) 常見的自干擾抑制技術(shù)包括空域、射頻域、數(shù)字域的自干擾抑制技術(shù)。 空域自干擾抑制主要依靠天線位置優(yōu)化、空間零陷波束、高隔離度收發(fā)天線等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)空間自干擾的輻射隔離； 射頻域自干擾抑制的核心思想