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第五代移動通信的進(jìn)展及其關(guān)鍵技術(shù) The fifth generation(5G) mobile Communication networks,1,5G之路 5G需求 5G關(guān)鍵,提 綱,2,一、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),3,一、5G之路,1G(the first generation)： 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),4,一、5G之路,2G(the second generation)：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),5,一、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(General Packet Radio System)：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),6,一、5G之路,EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution)：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(Wireless Application Protocol)：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),7,一、5G之路,3G (the third generation)： 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,8,一、5G之路,4G (the fourth generation)： 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,9,一、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,10,一、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-R 2020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),11,一、5G之路,日本電波產(chǎn)業(yè)協(xié)會的2020 and Beyond Ad Hoc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 LTE Rel-12 版本中已涉及到諸如Massive MIMO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,12,一、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),13,一、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（Polar Code）、Massive MIMO、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化( Network Function Virtualization)、網(wǎng)絡(luò)分片、控制功能重構(gòu)等,14,一、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),15,一、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 ……,16,一、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,17,一、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-densification HetNets) 大規(guī)模MIMO (massive multiple-input multiple-output) 同時同頻全雙工通信 (all-duplex communication) 毫米波、可見光傳輸 (mmWave transmission, 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,18,二、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,19,二、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,20,二、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,21,二、5G需求,22,三、5G關(guān)鍵,蜂窩網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘浚?減小單小區(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),23,三、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,24,三、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,25,三、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？,26,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),27,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(cooperative communication) 室外基站配置大規(guī)模MIMO (massive MIMO) 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,28,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,29,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,30,日本提出的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),幻影蜂窩(Phantom Cell)：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,31,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,32,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: Mobile and wireless communica-tions Enablers for the Twenty-twenty In-formation Society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),33,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,34,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,35,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(dú)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,36,大規(guī)模MIMO技術(shù),在IEEE802.11n中，天線配置最多為4發(fā)4收 IEEE 802.11ac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),37,大規(guī)模MIMO技術(shù),大規(guī)模MIMO(massive MIMO, large-scale MIMO)：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-cell spatial multiplexing)，也能實現(xiàn)小區(qū)間干擾抑制(inter-cell interference mitigation)，提高頻譜效率和能量效率,38,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??；利用天線增益降低發(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,39,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,40,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(dú)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,41,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 (spatial modulation) ：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,42,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,43,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),44,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),45,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),46,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,47,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,48,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,49,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,50,新型多址技術(shù),Non-orthogonal Multiple Access (NOMA)：日本 DoCoMo 提出的 單基站、兩用戶場景，下行鏈路，基站采用疊加編碼同時同頻發(fā)送兩個用戶信號，但為不同信號分配不同的發(fā)射功率，即 用戶接收信號 用戶1靠近基站，其接收信噪比高，執(zhí)行連續(xù)干擾抵消 (SIC)算法檢測出用戶2的信號并從接收信號中減去，而用戶1遠(yuǎn)離基站，接收信噪比低，不執(zhí)行SIC，將用戶1的信號看成背景噪聲，此時，信道容量為,51,新型多址技術(shù),而在OFDMA中，可用帶寬正交分配給兩個用戶，如果功率和帶寬都等分配，其信道容量為： 結(jié)果表明：NOMA比OFDMA的頻譜效率可提升30-40%,52,新型多址技術(shù),為了進(jìn)一步提高頻譜效率 (5G要求提升5-15倍) ，將 NOMA 與MIMO結(jié)合：基站生成多波束，每個波束為 2 個用戶提供服務(wù)；在接收端，采用兩種干擾抵消技術(shù)：連續(xù)干擾抵消(SIC)和干擾抑制合并(IRC)，前者用于波束內(nèi)用戶之間干擾抵消，后者用于波束間干擾抑制,53,新型多址技術(shù),Sparse Code Multiple Access (SCMA)：華為Ottawa研發(fā)中心提出 基本思想是對 CDMA改進(jìn)：CDMA 作為一種優(yōu)良的多址接入技術(shù)，在發(fā)端利用正交或準(zhǔn)正交序列對數(shù)據(jù)符號進(jìn)行擴(kuò)展，在收端再利用其正交特性從擴(kuò)展序列中提取原始數(shù)據(jù)符號。擴(kuò)頻序列設(shè)計是實現(xiàn) CDMA的關(guān)鍵，也是影響系統(tǒng)性能和實現(xiàn)復(fù)雜度的重要因素 CDMA編碼器利用給定的擴(kuò)頻序列將一個QAM符號擴(kuò)展為一個復(fù)數(shù)符號序列，CDMA 調(diào)制可看成是將編碼比特序列映射為復(fù)數(shù)符號序列的過程,54,新型多址技術(shù),可將 QAM 映射器和 CDMA 調(diào)制器合并，直接將一組數(shù)據(jù)比特映射為一個復(fù)數(shù)向量，該復(fù)數(shù)向量稱為碼字(codeword)，整個過程實際上就是一個從二進(jìn)制域到多維復(fù)數(shù)域的編碼過程，這樣，CDMA擴(kuò)頻操作就從傳統(tǒng)的序列設(shè)計轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)多維碼字設(shè)計 SCMA 具有如下性質(zhì)：1) 基于預(yù)定碼本集直接將二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼為多維復(fù)數(shù)域碼字；2) 為不同用戶設(shè)計不同碼本提供多址接入；3) 碼本中的碼字具有稀疏性，多用戶檢測 (MUD)的復(fù)雜度可降低；4) 碼本集足夠多，碼字足夠長，既能支持多用戶接入，又能獲得擴(kuò)頻增益,55,新型多址技術(shù),SCMA實現(xiàn)的關(guān)鍵： 如何設(shè)計碼本集和碼字，使其滿足稀疏性要求？ 如何構(gòu)建二進(jìn)制數(shù)據(jù)與多維復(fù)數(shù)序列之間的映射關(guān)系？ 如何描述多維星座圖？ 如何設(shè)計多用戶檢測算法？,56,謝謝！,57,