專題講座G關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)于專題講座G關(guān)鍵技術(shù)一、5G之路眾所周知，在近30年的時間內(nèi)，全球移動通信已從20世紀(jì)80年代的第一代發(fā)展到目前的第四代。我國的移動通信產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了全過程，從第一代的引進(jìn)、第二代的跟進(jìn)、第三代的參與、到第四代的自主研發(fā)，力圖在第五代達(dá)到引領(lǐng)，得益于國家政策的大力支持和通信人的不懈努力我國移動通信先后建設(shè)了9張網(wǎng)絡(luò)：A、B、C、G、D、3G(3張)和目前正在大力建設(shè)的TD-LTE(4G)第2頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路1G(thefirstgeneration)：A網(wǎng)和B網(wǎng)，模擬體制、FDMA，不同用戶同時分配不同頻點由愛立信和摩托羅拉建設(shè)，形成了A網(wǎng)和B網(wǎng)，兩張網(wǎng)用戶不能互通，A網(wǎng)地區(qū)是北京、天津、上海以及除河北、山東以外的全國各地；B網(wǎng)地區(qū)是北京、天津、上海、河北、遼寧、江蘇、浙江、四川、黑龍江、山東等地。1996年1月，A、B網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，能在全國30個省(市、自治區(qū))自動漫游，但從A網(wǎng)區(qū)到B網(wǎng)區(qū)，需要用戶在手機(jī)上操作轉(zhuǎn)網(wǎng)(1999年A網(wǎng)和B網(wǎng)同時關(guān)閉)第3頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路2G(thesecondgeneration)：C網(wǎng)、G網(wǎng)和D網(wǎng)，數(shù)字體制、TDMA，不同用戶同頻分配不同時隙C網(wǎng)：CDMA1X，接通率高、噪聲小、發(fā)射功率小，能實現(xiàn)移動電話的各種智能業(yè)務(wù)，電信運(yùn)營商重組前由中國聯(lián)通擁有G網(wǎng)：GSM，20世紀(jì)90年代中期開始建設(shè)，能提供許多新業(yè)務(wù)，具有漫游范圍廣的特點，稱為“全球通”。G網(wǎng)工作于900MHz頻段，頻帶比較窄。隨著移動用戶的迅猛增長，G網(wǎng)已達(dá)到容量飽和，為此又建設(shè)了“D”網(wǎng)第4頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路D網(wǎng)：DCS1800，基本體制與GSM900系統(tǒng)一致，但工作于1800MHz頻段，需要用全球通1800手機(jī)。如果使用雙頻手機(jī)，也能在G網(wǎng)漫游、自動切換。許多城市是DCS1800系統(tǒng)和GSM900系統(tǒng)同時覆蓋一個地區(qū)，稱為全球通雙頻系統(tǒng)，其容量能成倍增長2.5G：2G到3G的銜接，典型代表有：GPRS(GeneralPacketRadioSystem)：提供分組數(shù)據(jù)交換，采用與G網(wǎng)相同的頻段、帶寬、調(diào)制模式和TDMA幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)115kbps，支持隨時在線，按流量或時間計費(fèi)第5頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路EDGE(EnhancedDataratesforGlobalEvolution)：將GPRS發(fā)揮到極限，可透過無線網(wǎng)絡(luò)提供寬帶多媒體服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)384kbps，支持無線多媒體、電子郵件、網(wǎng)絡(luò)娛樂、視頻會議等WAP(WirelessApplicationProtocol)：移動通信與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的第一階段性產(chǎn)物。用戶可用手機(jī)上網(wǎng)，但要求網(wǎng)站以WML(無線標(biāo)記語言)編寫，相當(dāng)于Internet上的HTML(超文件標(biāo)記語言)第6頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路3G(thethirdgeneration)：TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000和WiMAX，不同用戶同時同頻分配不同碼字可提供豐富的移動多媒體業(yè)務(wù)，傳輸速率在高速移動環(huán)境144kb/s，步行慢速移動環(huán)境384kb/s，靜止?fàn)顟B(tài)2Mb/s。其設(shè)計目標(biāo)是提供比2G更大的系統(tǒng)容量、更好的通信質(zhì)量，能在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)無縫漫游，為用戶提供話音、數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)，并與2G系統(tǒng)兼容。3G的主流標(biāo)準(zhǔn)有：WCDMA(中國聯(lián)通)、CDMA2000(中國電信)與TD-SCDMA(中國移動)，我國2009年1月頒發(fā)3張3G牌照第7頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路4G(thefourthgeneration)：TD-LTE和FDD-LTE，不同用戶分配不同子載波組集3G與WLAN于一體并能傳輸高質(zhì)量視頻業(yè)務(wù)，視頻質(zhì)量與高清電視相當(dāng)。4G系統(tǒng)能提供100Mbps的下行速率，上行速率也高達(dá)20Mbps，能滿足幾乎所有用戶對無線服務(wù)的要求。我國2013年12月向3家運(yùn)營商同時頒發(fā)了TD-LTE牌照第8頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路隨著4G的全球商用，針對第五代移動通信(5G)

的研究已成為近幾年通信業(yè)界共同關(guān)注的熱點，業(yè)界致力于2020年全面開展5G商用人們將時間節(jié)點瞄準(zhǔn)2020年的主要原因是：近幾年，移動通信網(wǎng)承載的IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)年均增幅超過100%，從2010年的3艾字節(jié)(1艾字節(jié)=1016字節(jié))增長到2018年將超過190艾字節(jié)，預(yù)計2020年將超過500艾字節(jié)目前需求最大的業(yè)務(wù)是視頻流，但到2020年可能會有新的業(yè)務(wù)形態(tài)出現(xiàn)(如互動業(yè)務(wù))終端數(shù)量和數(shù)據(jù)速率也將持續(xù)呈指數(shù)增長，預(yù)計2020年通信終端將達(dá)到數(shù)十億-數(shù)百億臺(D2D、M2M)必須發(fā)展新的通信技術(shù)來應(yīng)對未來移動通信新的需求第9頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路目前全球已有多個區(qū)域論壇和專項提出了5G標(biāo)準(zhǔn)的大致輪廓，并開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究：歐盟第七框架計劃(FP7)專項METIS國際電信聯(lián)盟ITU-R2020工作組

英國的5GNOW論壇英國的5G創(chuàng)新中心5GIC中英科學(xué)橋計劃中的B4G無線移動通信專項中國的IMT-2020(5G)第10頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路日本電波產(chǎn)業(yè)協(xié)會的2020andBeyondAdHoc論壇韓國的5G論壇歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織設(shè)立的下一代移動網(wǎng)絡(luò)論壇(NGMN)無線世界研究論壇(WWRF)3GPP組織雖然在LTERel-12版本中已涉及到諸如MassiveMIMO等5G候選技術(shù)研究，但針對5G標(biāo)準(zhǔn)化工作尚無時間表，擬計劃成立5GPP工作組開展工作在企業(yè)界，愛立信、諾基亞、三星、華為、大唐電信、阿爾卡特朗訊、中國移動、DoCoMo等先后發(fā)布了5G白皮書和研究報告第11頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路2014年2月，國際電信聯(lián)盟無線通信部門(ITU-R)的WP5D移動通信系統(tǒng)工作組在越南召開了第18次會議，中國、歐洲、韓國、日本等國家和地區(qū)提出了各自的5G構(gòu)想ITU-R將在今年的世界無線電通信大會WRC-15上確定5G藍(lán)圖，在2018年的世界無線電通信大會WRC-18上決定5G頻率，在2015-2018年前后正式確立5G移動通信國際標(biāo)準(zhǔn)和核心技術(shù)第12頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路2015年5月29日，中國IMT-2020(5G)推進(jìn)組在北京召開了第三屆IMT-2020(5G)峰會，發(fā)布中國《5G無線技術(shù)架構(gòu)》和《5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)》白皮書，包含的5G關(guān)鍵技術(shù)有Filtered-OFDM（可變子載波OFDM）、稀疏碼多址（SCMA）、極化編碼（PolarCode）、MassiveMIMO、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(

NetworkFunctionVirtualization)、網(wǎng)絡(luò)分片、控制功能重構(gòu)等第13頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路未來的無線通信需要實現(xiàn)三大突破：構(gòu)建協(xié)同異構(gòu)融合的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)第14頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路發(fā)展面向不同需求的多種接入手段2G、3G、4G、WiFi接入蜂窩、短距離、室內(nèi)、室外接入超短波、微波、毫米波、可見光集中式和分布式接入授權(quán)、免申請頻譜接入……第15頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路建立以業(yè)務(wù)為驅(qū)動的信息傳輸模式：不同業(yè)務(wù)采用不同傳輸技術(shù)，實現(xiàn)信源與信道的跨層匹配、認(rèn)知和自適應(yīng)，增強(qiáng)傳輸能力第16頁,共56頁，2024年2月25日，星期天一、5G之路盡管目前5G尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，需求指標(biāo)尚不明確，基礎(chǔ)理論也不完善，關(guān)鍵技術(shù)有待攻克，但公認(rèn)5G的核心技術(shù)至少應(yīng)包括：高密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

(ultra-densificationHetNets)

大規(guī)模MIMO(massivemultiple-inputmultiple-output)同時同頻全雙工通信

(all-duplexcommunication)毫米波、可見光傳輸

(mmWavetransmission,VLT)此外，還包括傳輸波形設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)虛擬化、頻譜效率和能量效率提升技術(shù)等第17頁,共56頁，2024年2月25日，星期天二、5G需求研究和部署5G移動通信網(wǎng)絡(luò)，首先需要明確5G的需求是什么？5G的工程需求主要包括數(shù)據(jù)速率、頻譜效率、能量效率、傳輸時延、可靠性等數(shù)據(jù)速率總數(shù)據(jù)速率或區(qū)域容量：至少是4G的1000倍邊緣速率或5%速率：至少是4G的100倍，即用戶體驗速率為0.1-1Gbps，足以滿足高清視頻流的傳輸服務(wù)要求峰值速率：網(wǎng)絡(luò)能提供的最大數(shù)據(jù)速率為數(shù)十Gbps第18頁,共56頁，2024年2月25日，星期天二、5G需求傳輸時延4G系統(tǒng)的往返時延是15ms(子幀時長1ms，含數(shù)據(jù)、資源分配和接入控制等開銷)，該時延能滿足目前大多數(shù)業(yè)務(wù)的傳輸要求，但5G系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)包括互動游戲、新的觸屏業(yè)務(wù)、虛擬現(xiàn)實(Google眼鏡、穿戴式計算機(jī))、D2D等，要求往返時延是1ms。為此，需要減小子幀時長，并改進(jìn)相關(guān)協(xié)議和核心網(wǎng)架構(gòu)資源效率頻譜效率：提高5-15倍能量效率：提高100倍成本價格：下降100倍第19頁,共56頁，2024年2月25日，星期天二、5G需求其他支持能力支持不同類型大量終端設(shè)備的并發(fā)接入支持1百萬/km2的連接數(shù)密度數(shù)十Tbps/km2的流量密度500km/hr以上的移動性第20頁,共56頁，2024年2月25日，星期天二、5G需求性能指標(biāo)取值用戶體驗速率0.1-1Gbps連接數(shù)密度時延數(shù)ms移動性>500km/h峰值移動速率數(shù)十Gbps流量密度效率指標(biāo)改善倍數(shù)頻譜效率5-15倍能量效率>100倍成本效率>100倍第21頁,共56頁，2024年2月25日，星期天三、5G關(guān)鍵蜂窩網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘浚簻p小單小區(qū)覆蓋區(qū)域，提高頻譜復(fù)用度(宏蜂窩、小蜂窩、微蜂窩、中繼站、飛蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分層重疊部署)充分利用空間資源，增加物理傳輸信道規(guī)模(如大規(guī)模MIMO技術(shù)、空間調(diào)制技術(shù)、協(xié)同MIMO技術(shù)、分布式天線系統(tǒng)、干擾管理機(jī)制等)利用各種途徑尋求可用頻譜資源(如認(rèn)知無線電、毫米波通信、可見光通信等)進(jìn)一步提高頻譜效率(如高階調(diào)制、自適應(yīng)調(diào)制編碼)第22頁,共56頁，2024年2月25日，星期天三、5G關(guān)鍵高密度異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)密集部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，利用更高的頻譜復(fù)用度來提高頻譜效率和系統(tǒng)容量減小蜂窩尺寸能提高網(wǎng)絡(luò)容量，如在1G系統(tǒng)中，單蜂窩覆蓋區(qū)域達(dá)到數(shù)百平方公里，隨著用戶數(shù)的增加，系統(tǒng)容量需求越來越大，已逐漸將單蜂窩覆蓋區(qū)域縮小為幾平方公里廣泛部署的皮蜂窩(picocell)蜂窩半徑小于100米；飛蜂窩(femtocell)蜂窩半徑只有20多米；分布式天線系統(tǒng)(DAS)類似于皮蜂窩，不同天線組覆蓋不同區(qū)域，但集中執(zhí)行基帶處理，共用ID第23頁,共56頁，2024年2月25日，星期天三、5G關(guān)鍵縮小蜂窩尺寸的好處：提高頻率復(fù)用度減少用戶接入沖突隨著通信距離縮短，路徑損耗降低，功耗降低，能效提高、電磁污染減小極端情況下，一個基站只為一個終端提供接入服務(wù)，資源管理和回程連接非常簡單缺點是建網(wǎng)成本增大；蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)雜；移動切換頻繁；異構(gòu)多網(wǎng)混疊，干擾協(xié)調(diào)壓力大等第24頁,共56頁，2024年2月25日，星期天三、5G關(guān)鍵高密度部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)包括：如何設(shè)計高密度異構(gòu)多網(wǎng)體系架構(gòu)和共存協(xié)調(diào)機(jī)制，在獲得頻譜效率、能量效率、系統(tǒng)容量提升的同時，避免網(wǎng)間干擾？如何設(shè)計新型的無線接入技術(shù)，優(yōu)化邊緣數(shù)據(jù)速率？如何支持用戶高速業(yè)務(wù)和高移動性需求？如何降低組網(wǎng)、運(yùn)維和回程(backhaul)鏈路成本？第25頁,共56頁，2024年2月25日，星期天中國提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)統(tǒng)計表明：無線用戶在室內(nèi)的時間約占80%，在室外的時間僅占20%，而目前的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)是在小區(qū)中心部署一個室外基站，與移動用戶進(jìn)行通信，無論該用戶是位于室內(nèi)，還是室外。室內(nèi)用戶與室外基站通信，電波必須穿透建筑物外墻，會產(chǎn)生嚴(yán)重的穿透損耗，從而降低無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率、頻譜效率和能量效率中國提出的5G蜂窩架構(gòu)的基本思想：將室內(nèi)和室外分離，以避免建筑物墻體造成的穿透損耗采用分布式天線系統(tǒng)(DAS)，圍繞小區(qū)在不同空間位置分布部署數(shù)十至數(shù)百根天線單元，這些天線單元通過光纖接至基站設(shè)備，提供強(qiáng)大的天線增益(分布部署、集中處理)第26頁,共56頁，2024年2月25日，星期天中國提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)室外用戶僅配置少量天線單元，通過彼此協(xié)作，形成虛擬大規(guī)模MIMO鏈路(cooperativecommunication)室外基站配置大規(guī)模MIMO(massiveMIMO)系統(tǒng)，并在每座建筑物的外墻也安裝大規(guī)模天線陣列，用于與室外基站或分布式天線系統(tǒng)通信，這些大規(guī)模天線陣列通過電纜與室內(nèi)無線接入點(WAP)連接第27頁,共56頁，2024年2月25日，星期天中國提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于該架構(gòu)，室內(nèi)用戶僅需利用室內(nèi)部署的WAP實施通信，而WAP與建筑物外墻上安裝的大規(guī)模陣列天線連接，通過與室外基站通信，實現(xiàn)全網(wǎng)用戶互聯(lián)互通室內(nèi)通信采用短程通信技術(shù)提供高的數(shù)據(jù)速率，如WiFi、Femtocell、超寬帶(UWB)、毫米波和可見光通信(VLC)等毫米波通信和可見光通信由于頻率高，穿透能力差，空氣、雨霧、氣壓等自然環(huán)境因素均會對其形成吸收和散射，無法用于室外遠(yuǎn)距離通信，但其具有的高帶寬卻可對室內(nèi)用戶提供短距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?8頁,共56頁，2024年2月25日，星期天中國提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)該蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是異構(gòu)的：宏蜂窩、微蜂窩、小蜂窩、中繼站等為滿足高速運(yùn)動車輛(如高鐵、動車)內(nèi)用戶的通信需求，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中引入新的網(wǎng)元——移動飛蜂窩(MFemtocell)移動飛蜂窩融合了移動中繼和飛蜂窩的特點，部署在車廂箱體內(nèi)部，為車內(nèi)用戶提供通信服務(wù)，而大規(guī)模天線部署在廂體外部與室外基站實施通信，大規(guī)模天線系統(tǒng)再通過電纜與車廂內(nèi)的飛蜂窩接入點連接，移動飛蜂窩可看成是室外基站的一個用戶單元，而移動飛蜂窩的接入點又可看成是車廂箱內(nèi)用戶的歸屬基站特點：短期內(nèi)基礎(chǔ)實施建設(shè)成本高，但從長遠(yuǎn)考慮，卻能有效改善蜂窩平均吞吐量、頻譜效率、能量效率和數(shù)據(jù)速率第29頁,共56頁，2024年2月25日，星期天日本提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)幻影蜂窩(PhantomCell)：將宏蜂窩和小蜂窩重疊部署，利用低頻段提供寬覆蓋范圍和控制信令交互，并支持移動性，而利用高頻段為小蜂窩提供數(shù)據(jù)通信，即利用SHF頻段(3-30GHz)和EHF頻段(30GHz以上)構(gòu)建小蜂窩，配置在地鐵及公交車等移動體上形成“移動蜂窩小區(qū)”或部署在無線熱點地區(qū)，根據(jù)用戶的移動性和各蜂窩小區(qū)的需求分配無線資源第30頁,共56頁，2024年2月25日，星期天日本提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)幻影蜂窩用到大量新技術(shù)：非正交多址(NOMA)接入技術(shù)：將一個時頻資源塊分配給多個用戶，可使無線接入宏蜂窩的總吞吐量提高50%(在宏蜂窩中采用)在SHF的低段(6GHz以下)部署的小蜂窩采用區(qū)域重疊和協(xié)作傳輸多點傳輸(CoMP)抑制相互干擾，而在SHF的高段(6-30GHz)和EHF頻段部署的小蜂窩采用大規(guī)模MIMO技術(shù)，為多個數(shù)據(jù)流分別形成定向波束CoMP是LTE-A系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，其基本思想是利用不同小區(qū)的多個基站協(xié)同發(fā)送一個終端用戶數(shù)據(jù)或聯(lián)合接收一個終端用戶數(shù)據(jù)，在提升小區(qū)邊緣用戶頻譜效率的同時，降低協(xié)作小區(qū)間干擾第31頁,共56頁，2024年2月25日，星期天METIS提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)METIS尚未提出完整的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但圍繞需求分析、架構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)做了大量研究。5G以提升用戶體驗為目標(biāo)，應(yīng)加強(qiáng)多種技術(shù)整合，如將宏蜂窩、微蜂窩、熱點小基站以及WiFi等多種網(wǎng)絡(luò)融合，為不同場景的用戶提供最佳服務(wù)。除了通過提高無線傳輸能力承載更高數(shù)據(jù)速率外，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)是分布式、扁平化的，以消除網(wǎng)絡(luò)流量瓶頸和傳輸時延，并符合移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征METIS:Mobileandwirelesscommunica-tionsEnablersfortheTwenty-twentyIn-formationSociety是由歐盟第七框架資助的一個研究計劃聯(lián)盟，致力于研究5G移動通信的相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)第32頁,共56頁，2024年2月25日，星期天未來網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和趨勢基于云組網(wǎng)技術(shù)：將數(shù)據(jù)中心置于云平臺上，能在任意地點和各種終端方便獲取，涉及兩個關(guān)鍵技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)：網(wǎng)絡(luò)功能從傳統(tǒng)的與硬件設(shè)備綁定改變?yōu)榛谠朴嬎愕臄?shù)據(jù)中心架構(gòu)，既可在核心網(wǎng)實現(xiàn)，也可在接入網(wǎng)實現(xiàn)，如構(gòu)建云接入網(wǎng)(cloud-RAN)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)：將控制面和數(shù)據(jù)面分離，其關(guān)鍵包括：1)如何為控制面和數(shù)據(jù)面實體之間提供一種開放接口；2)外部應(yīng)用如何調(diào)用和控制網(wǎng)絡(luò)實體利用這兩項技術(shù)可實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)革命性改變第33頁,共56頁，2024年2月25日，星期天未來網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和趨勢融入“人”的網(wǎng)絡(luò)（Everything-in-the-loop）用戶行為與需求成為網(wǎng)絡(luò)的一部分，并影響和改變網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和信息傳遞“群落化”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)用戶行為與需求，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個個類似生物學(xué)上的群落，形成邏輯群落，邏輯群落中具有頻繁的信息交互“聯(lián)邦”自治式網(wǎng)絡(luò)固定的物理位置(如寫字樓、商場)或相對位置(如車聯(lián)網(wǎng))形成物理群落，物理群落具有一定的自主管控能力第34頁,共56頁，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)MIMO：在收發(fā)兩端均配置多個天線單元，通過增加天線數(shù)量，獲得更大的信道自由度(除時域和頻域外，增加大量空域自由度)。

MIMO技術(shù)是上世紀(jì)90年代末的研究成果，2006年率先用于WiFi，隨后也用于3G系統(tǒng)(WiMAX)如果陣元間距滿足要求，通過交叉極化和角度配置，能保證信道矩陣統(tǒng)計獨立，利用空間維度能實現(xiàn)復(fù)用和分集，支持高速數(shù)據(jù)傳輸MIMO系統(tǒng)能有效改善傳輸可靠性、頻譜效率和能量效率第35頁,共56頁，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)在IEEE802.11n中，天線配置最多為4發(fā)4收IEEE802.11ac和LTE-A中，天線配置最多為8發(fā)8收在實際應(yīng)用中，由于移動終端體積、重量、功耗等限制，一般配置1-2根天線在單用戶MIMO(SU-MIMO)系統(tǒng)中，天線數(shù)受限于終端，而在多用戶MIMO(MU-MIMO)系統(tǒng)中，可將多個用戶終端天線組合，克服天線數(shù)受限的瓶頸；在協(xié)作多點(CoMP)系統(tǒng)中，也可通過多個基站協(xié)作構(gòu)建MIMO系統(tǒng)第36頁,共56頁，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO(massiveMIMO,large-scaleMIMO)：收發(fā)兩端配置多根天線，特別是在基站側(cè)配置大量天線單元，獲得空間自由度(DoF)，既能實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)空間復(fù)用(intra-cellspatialmultiplexing)，也能實現(xiàn)小區(qū)間干擾抑制(inter-cellinterferencemitigation)，提高頻譜效率和能量效率第37頁,共56頁，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO技術(shù)優(yōu)勢：提高系統(tǒng)容量、頻譜效率和能量效率：大量基站天線能提供豐富的空間自由度，支持空分多址，基站能利用相同的時頻資源為數(shù)十個移動終端提供接入服務(wù)；利用波束形成技術(shù)使發(fā)送信號具有良好的指向性，空間干擾?。焕锰炀€增益降低發(fā)射功率、提高系統(tǒng)能效、減小電磁污染降低硬件成本，提高系統(tǒng)魯棒性：大規(guī)模MIMO總發(fā)射功率固定，單根天線的發(fā)射功率很小，選用低成本功放即可滿足要求；由于基站天線數(shù)量大，部分陣元故障不會對通信性能造成嚴(yán)重影響第38頁,共56頁，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性：波束形成(下行預(yù)編碼)獲得的電波空間指向性能抑制多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)造成的衰落，降低數(shù)據(jù)傳輸差錯率簡化多址接入?yún)f(xié)議：基于大規(guī)模MIMO+OFDMA，子載波信道增益基本相同，可省略資源調(diào)度，減少控制開銷；支持NOMA，基站利用相同的時頻資源為特定用戶發(fā)送分離信號第39頁,共56頁，2024年2月25日，星期天大規(guī)模MIMO技術(shù)設(shè)計大規(guī)模MIMO系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)：基站部署大量天線單元，如何降低下行鏈路信道狀態(tài)信息估計開銷(TDD,信道互易性；FDD,反饋機(jī)制)？大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道響應(yīng)矩陣各元素不一定是獨立同分布的，即存在相關(guān)性和互耦效應(yīng)(MC)，會降低信道容量，且相關(guān)信道傳輸不支持最大比合并(MRC)和最大比發(fā)送(MRT)，如何解決？在多小區(qū)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，小區(qū)間導(dǎo)頻復(fù)用會產(chǎn)生導(dǎo)頻污染，如何解決？(設(shè)計高效、合理的導(dǎo)頻分配機(jī)制)如何構(gòu)建信道模型？(非平穩(wěn)、三維、衰落)如何設(shè)計陣列結(jié)構(gòu)？(共形天線設(shè)計)二維波束形成算法：水平面方位角和垂直面俯仰角形成三維定向波束第40頁,共56頁，2024年2月25日，星期天空間調(diào)制(SM)設(shè)計MIMO系統(tǒng)的難點：一是信道間干擾(相關(guān)、互耦)問題；二是天線間同步問題；三是大量無線鏈路造成的體積、成本和功耗問題空間調(diào)制(spatialmodulation)：一種新的MIMO技術(shù)，利用天線陣列的每根天線空間位置發(fā)送部分已編碼數(shù)據(jù)，即發(fā)送信號包括信號星座圖和天線位置星座圖，通過空間復(fù)用，提高數(shù)據(jù)速率。SM既具有較低的實現(xiàn)復(fù)雜度，又不降低系統(tǒng)性能SM利用簡單的調(diào)制和編碼機(jī)制就能實現(xiàn)低復(fù)雜度的收發(fā)信機(jī)設(shè)計和高效的頻譜效率第41頁,共56頁，2024年2月25日，星期天空間調(diào)制(SM)空間調(diào)制原理：將信息比特映射到兩個信息載體單元中，一個信息載體單元是在數(shù)字星座圖中選取的數(shù)字調(diào)制符號，另一個信息載體單元是由發(fā)送天線組成的空間星座圖中選擇的發(fā)送天線序號任何時隙只有一根發(fā)射天線處于激活狀態(tài)：無信道間干擾、無需天線間同步，只需一個射頻鏈路通過建立天線位置與傳輸比特之間的對應(yīng)關(guān)系，利用陣元位置承載信息第42頁,共56頁，2024年2月25日，星期天空間調(diào)制(SM)將發(fā)送信號流按照比特分組，Nt為發(fā)射天線數(shù)，M為信號星座圖中的點數(shù)(與調(diào)制方式有關(guān))每組比特由SM映射器分為兩部分：和，分別用來選擇發(fā)射天線空間位置和數(shù)字星座圖中的符號，在被選天線執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送的時隙其他天線處于靜默狀態(tài)第43頁,共56頁，2024年2月25日，星期天同時同頻全雙工通信在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中，由于存在干擾，在相同頻段同時進(jìn)行接收和發(fā)送是不可能的，即電臺在相同信道上只能工作于半雙工模式，要么發(fā)送，要么接收，不能同時收發(fā)為何同時同頻全雙工通信困難？主要原因是當(dāng)電臺發(fā)送信號時，其自身接收單元能收到部分信號功率，由于收發(fā)單元之間距離很近，這部分自干擾功率會比期望接收信號功率強(qiáng)得多(高100dB以上)，為了避免自干擾，電臺只能在同一信道上工作于半雙工狀態(tài)，無法同時收發(fā)第44頁,共56頁，2024年2月25日，星期天同時同頻全雙工通信利用自干擾抵消技術(shù)，Stanford大學(xué)和Rice大學(xué)設(shè)計了一種帶內(nèi)全雙工通信系統(tǒng)全雙工通信的好處：增加鏈路容量頻譜虛擬化任意分雙工新型中繼方案簡化干擾協(xié)調(diào)第45頁,共56頁，2024年2月25日，星期天毫米波和可見光通信關(guān)于毫米波通信：毫米波頻段位于30-300GHz范圍，20-30GHz頻段的傳播特性相對較好毫米波頻段一直未用于移動通信的主要原因是：該頻段傳播特性差，路徑損失嚴(yán)重，受環(huán)境、氣候、溫度、濕度、氣壓等影響大，繞射能力和穿透能力差，加之嚴(yán)重的相位噪聲和昂貴的器件成本，該頻段僅用于超短距離無線傳輸，如在60GHz頻段構(gòu)建高速WiFi——WiGiG，在28,38,71-76和80-86GHz頻段構(gòu)建超短距離固定無線通信系統(tǒng)等但隨著半導(dǎo)體技術(shù)和工藝的發(fā)展和成熟，器件成本和功耗大幅降低，充分利用毫米波頻段的主要障礙僅剩下傳播特性問題，通過探尋有效的傳輸技術(shù)也能逐漸克服第46頁,共56頁，2024年2月25日，星期天毫米波和可見光通信路徑損失：大尺寸傳播模型(Friis公式)傳輸距離不變，頻率升高10倍(如從3GHz升高至30GHz)，路徑損失增大20dB此外，受氣壓、雨霧等影響，毫米波頻段還會有15dB/km的額外損失。缺點是傳輸距離進(jìn)一步縮短，優(yōu)點是在高密度異構(gòu)組網(wǎng)時，可降低對隔離度的要求第47頁,共56頁，2024年2月25日，星期天毫米波和可見光通信遮擋阻塞：毫米波的反射和繞射能力差，傳輸環(huán)境中存在阻礙物遮擋時會形成阻塞，必須基于LOS傳輸

實測結(jié)果表明：在LOS傳輸條件下，收發(fā)間距離增加10倍，路徑損失增加20dB，而在NLOS傳輸條件下，收發(fā)間距離增加10倍，路徑損失高達(dá)40dB，且還有15-40dB的附加阻塞損失

斯坦福大學(xué)提出的毫米波路徑損失模型第48頁,共56頁，2024年2月25日，星期天毫米波和可見光通信可見光通信：用LED作為信號發(fā)射器，用本征光電二極管(PD)或雪崩光電二極管(APD)作為信號接收器可見光通信既可用作照明，也可同時用于提供寬帶無線通信連接信息由光功率承載，OFDM光調(diào)制在發(fā)端基于強(qiáng)度調(diào)制(IM)，在收端采用直接檢測(DD)試驗表明：單只LED就能提供3.5Gbps的數(shù)據(jù)速率。由于可見光波長較傳輸距離小得多，所以可見光通信幾乎不受快衰落影響在可見光通信中，現(xiàn)有的多址接入技術(shù)、干擾協(xié)調(diào)技術(shù)等是否可直接移植，尚需驗證第49頁,共56頁，2024年2月25日，星