深度解讀pCell技術(shù)

1、深度解讀pcell技術(shù)有人說pcell技術(shù)是無線產(chǎn)業(yè)的一次顛覆也有人說，它是5g技術(shù)的替代。 甚至，有人說，它突破了香農(nóng)極限！好吧，那我們就從香農(nóng)理論說起。香農(nóng)理論是這樣描述的：c <= b iog2 (1 + s/n)c二信道容量(bit每秒)b二帶寬(hz )s/n二信號(hào)禾口噪聲比(snr)信道越好snr就越高。舉個(gè)例子，當(dāng)snr為20db jog2 (1 + 100) = 6.6。 也就是說，snr越高，信道容量越高;反之亦然。通信技術(shù)一直受限于香農(nóng)極限，直到像mu-mimo這樣的多用戶傳輸技術(shù) 出現(xiàn)。說到多用戶傳輸技術(shù)，我們先來理解一下mimoe提升頻譜效率，這是通信宅們矢志不渝

2、的終極目標(biāo)。直到有一天，他們發(fā)現(xiàn) 采用大量天線可以提升頻譜效率,于是,mimo技術(shù)(multiple-input multiple-output ,多輸入多輸出技術(shù))就誕生了。什么是mimo技術(shù)？ mimo是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線 和接收天線，采用空間分集的方法使不同的信號(hào)在相同的頻率下同時(shí)傳送。采用 多天線的mimo技術(shù)可以提升系統(tǒng)容量z提高頻譜效率。如下圖所示,mimo技術(shù)是利用了無線電波在傳輸路徑中受建筑物或地面 反射的特點(diǎn)。終端廣義上講，mimo技術(shù)分為三種類型：全向傳送(a )、賦形波束(beamforming)傳送(b )和多用戶 mimo ( multiuser

3、mimo , mu-mimo )(c)，如下圖所示:mimo技術(shù)的類型c （a）全向傳送 lvl（b）賦形波束傳送 2nc）mu-mim0每天線發(fā)送不同信號(hào)每方向發(fā)送不同信號(hào)發(fā)射基站a aaas1每方向發(fā)送不同信號(hào)到 多用戶s4-干擾發(fā)生于接收端-終端控制復(fù)雜-天線數(shù)n（接收）>m（發(fā)射）干擾yyyjlul01si星站詁束毓舷s2佞收-需要波束5®形 -減少終端負(fù)擔(dān) -優(yōu)先n<m容量提刃發(fā)牡波束賦形| 基立占f資源分配s132 s3 "s5接收 終端6 s7 $8* jrr.-r<crc( 八接收 終端-要求更精確的波束賦形 -必須處理終端間的干擾 -需要

4、資源分配實(shí)現(xiàn)難度全向傳送型（a ）是最基本的mimo方法，其需要在接收端移除干擾，需 要終端采用復(fù)雜的信號(hào)處理機(jī)制來提升性能。賦形波束傳送（b ）,天線方向由賦形波束控制，減少了終端負(fù)擔(dān)，這種類 型mimo的重點(diǎn)是如何有效完成波束賦形。最后一種類型是mumimo （ multiuser mimo ,多用戶mimo ）。區(qū)別 于多用戶mimo 門通常把前面兩種類型統(tǒng)稱為su-mimq單用戶mimo mu-mimo可以將多個(gè)終端聯(lián)合起來進(jìn)行空間復(fù)用，不但可以有效提升系統(tǒng)容 量，還能保持終端處理簡(jiǎn)單化。不過，從類型a到c ,技術(shù)的門檻越來越高，要 實(shí)現(xiàn)mu-mimo z有很多問題需要解決。對(duì)于su-

5、mimo （單用戶mimo ）,即使基站側(cè)可以不受限于天線數(shù)量,但在移動(dòng)終端側(cè),由于成本和終端尺寸的原因,受限于天線數(shù)量,從而限制了 mimo的發(fā)展。對(duì)于mu-mimo系統(tǒng)，多個(gè)用戶終端的天線同時(shí)使用，多個(gè)用戶終端同時(shí) 交換信息，這樣一來，基于大量的基站和用戶終端天線，形成了一個(gè)大規(guī)模的虛 擬的mimo信道系統(tǒng)。所以，較之su-mimo z我們就需要從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度 更宏觀的去思考如何使用mu-mimo來提升系統(tǒng)容量。mu-mim0是未來要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，它到底有多強(qiáng)？來自ntt網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí) 驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了答案。ntt網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室部署了一個(gè)16*16天線的mu-mimo無線傳播測(cè)試環(huán)境。如下

6、圖：16*16多用戶mimo測(cè)試環(huán)境4.85 ghzenables multiuser evaluation using 16x16 mimo channels (max. 256 paths)mapper ifftmapperifftmapper" mapper-j mapper p ifft ifft-ifft id/a up -convd/a-up - conv.-d/a-up -conv-d/a-up conv, a -d/ajup -conv 1#3.terminal #17*4 terminal .10w 鄉(xiāng)(max.)y#16tx- dataconv encorderi

7、nter leaver100mhz banddown conv, down con v.terminal #3a/dbase station(this example is for 4 users with 4 antenna elements each.)terminal #4software control makes possible testing of various transmission methodsown conv, down -conv.agcatd"seea/dfeedback of csirx-idatademapperde- mapperde mapper

8、de- mapper-fftkviterbidec.de -intereaversending side該實(shí)驗(yàn)環(huán)境由16陣元基站天線和帶4陣元天線的4個(gè)終端用戶組成，實(shí)驗(yàn) 結(jié)果測(cè)出的速率可達(dá)43.5至50bits/s/hz （平均snr為31-36db ）,這就意味 著，當(dāng)我們使用20mhz無線帶寬時(shí)z峰值速率可達(dá)到870mbps至lgbps , 而這一峰值速率會(huì)隨著天線數(shù)量的增加而上升。然而，目前l(fā)te 20m帶寬峰值 理論最高下載速率僅為150mbpso實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使終端僅采用2或4個(gè)天線陣元，mu-mimo的速率也 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出單用戶mimo ”其對(duì)比結(jié)果如下圖,有興趣可以看看:測(cè)試結(jié)果

9、nt -發(fā)射天線數(shù)顯* -接收天線數(shù)量 嘰-用戶數(shù)量 mu-mimo (a/； =16. nrnrx /vu) h mu-mimo (nr. n盧n*nj- a su-mimo (a/r=16, nr>nji20nhmq 二 ndje6no£ 岳更s(16x16x11(16x4x4)(16x4x1)-x alt)| 50 k( 16n44-106x8x2)/<(16x8x1)5(16x2x8)sz(l2x,2xl>30(8x4x2)：(«xxx1) j* 402025303540snr db°o(16x4x1):(44 八 snr=3ldb (4

10、41) ggw1812 16number nf receive antennas (nr)effects of increase in userscomparison with su-mimosu-mimo (nrn在mimo的三種類型圖中，我們看到，mu-mimo需要在基站側(cè)進(jìn)行資源 分配，所以，預(yù)編碼技術(shù)(precoding )和調(diào)度技術(shù)(scheduling )就尤其重要, 前者可以提升空間分集和空間復(fù)用增益,而后者可以提升多用戶分集增益。通常 認(rèn)為，采用閉環(huán)控制的預(yù)編碼技術(shù)比開環(huán)控制的預(yù)編碼技術(shù)可獲得更高的系統(tǒng)性 能,因?yàn)殚]環(huán)控制可以在發(fā)射端通過csi (信道狀態(tài)信息)來優(yōu)化信號(hào)發(fā)射。

11、(a) su-mimobase stationuserl datacodebook (dft/ householdencdo)feedbackuo pd-ds dsn;poe)y(dmnsuser k data.(b)mu-mimobase stationfeedbackcodebook (dft/ householder/grasstnanian)1mimouser 2detection1datachannel estimationfeedback controldft : disc rete fourier transtorm預(yù)編碼和調(diào)度不管是su-mimo還是mu-mimo z它們都被l

12、te標(biāo)準(zhǔn)采納。su-mimo 的目標(biāo)是提升小區(qū)最大頻譜效率和小區(qū)邊緣性能，但是，它無法提升多用戶分集 增益。由于mu-mimo實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶在空間上復(fù)用，它比su-mimo提供了更自 由的空間維度，所以mu-mimo的目標(biāo)也更高級(jí)，它致力于提升小區(qū)平均頻譜 效率，這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于，如何在有限的信道反饋環(huán)境下提升小區(qū)平均頻譜效率？如何咅b署可以支持sdma（space division multiple access）的預(yù)編碼技術(shù)？如何通過更低的計(jì)算復(fù)雜性來完成調(diào)度？盡管mu-mimo還沒實(shí)現(xiàn)z不過通信人總是高瞻遠(yuǎn)矚,試想一下,隨著移 動(dòng)數(shù)據(jù)流量的不斷上升，小區(qū)覆蓋半徑必然越來越小，對(duì)于頻率

13、復(fù)用因子為1 的lte網(wǎng)絡(luò)z小區(qū)間的干擾必將越來越嚴(yán)重。如何在有限頻率資源下，進(jìn)一步 提升小區(qū)邊緣性能和小區(qū)平均容量?于是,有人提出了 co-mimo （協(xié)作式 mimo ）技術(shù)。co-mimo技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)發(fā)射機(jī)間協(xié)作預(yù)編碼和調(diào)度，這一技術(shù)在多個(gè)發(fā)射 機(jī)之間高速共享信道信息。我們把共同協(xié)作完成預(yù)編碼和調(diào)度的區(qū)域叫協(xié)作區(qū)域,這一區(qū)域通常由一個(gè) 基站和多個(gè)rre （ remote radio equipments ,射頻拉遠(yuǎn)設(shè)備）組成。協(xié)作區(qū) 域里有多個(gè)小區(qū)，協(xié)作區(qū)域之間不會(huì)相交。（射預(yù)也遠(yuǎn)設(shè)備）那么comimo技術(shù)是怎樣完成調(diào)度的呢？移動(dòng)終端測(cè)量來自多個(gè) rre 的 sinr( signal t

14、o inter- ference plus noise ratio ),移動(dòng)終端識(shí)別最好sinr的rre為主站z在根據(jù)一定的范圍值篩選較 差的sinr的rrh為從站，移動(dòng)終端會(huì)將這些從站的信道信息上報(bào)給主站。當(dāng) 每一個(gè)rre都接收到了來自每個(gè)移動(dòng)終端的反饋信息后，它將此信息報(bào)告給基 站，基站將綜合這些信道信息進(jìn)行該協(xié)作區(qū)域內(nèi)的預(yù)編碼和調(diào)度?？雌饋泶_實(shí)是個(gè)不錯(cuò)的方案,不過co-mimo這一技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是減少 反饋信息和減小預(yù)編碼/調(diào)度的計(jì)算復(fù)雜性。好了墨跡了這么久mimo技術(shù)我們?cè)摶氐絧cell的dido技術(shù)上來了 ！pcell技術(shù)的關(guān)鍵是需要將個(gè)人小區(qū)連接到同一個(gè)dido data cent

15、er"。 需要發(fā)送的信息，首先傳輸?shù)絛ata center z,由"data center"處理之 后，每個(gè)個(gè)人小區(qū)協(xié)同發(fā)送信號(hào)。在wifi環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)是直 接發(fā)到相應(yīng)的ap再由ap無線發(fā)射到接收終端而pcell技術(shù)多了一個(gè)dido data center ,數(shù)據(jù)不是直接發(fā)給相應(yīng)ap ,而是先發(fā)送到dido data center進(jìn)行處理后再協(xié)同發(fā)送。didodidodata centordata centorwebsiteswebsitesthe internetthe internet這個(gè)dido data center是關(guān)鍵，在這里實(shí)現(xiàn)了無線協(xié)同發(fā)射、編碼集中 處理和抗干擾技術(shù)。關(guān)于dido技術(shù)的具體細(xì)節(jié)z該公司并沒有過多提及。查 閱其技術(shù)白皮書，里面有這樣一段話：“測(cè)量目標(biāo)用戶與基站的多個(gè)dido分布式天線之間的鏈路質(zhì)量，使用鏈路 質(zhì)量測(cè)量值來走義用戶群集測(cè)量定義的用戶群集內(nèi)的每一用戶與每一 dido天 線之間的信道狀態(tài)信息csi ；基于該測(cè)量的csi對(duì)用戶群集內(nèi)的每一 dido天線 與每一用戶之間的數(shù)據(jù)發(fā)射進(jìn)行預(yù)編碼?！痹倏纯磒cell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（右）：ga oi c=dadjacentpcell c-randata centerpwavegioi