LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)第11章 第五代移動(dòng)通信新技術(shù)

第11章第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第11章第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第11章第五代移動(dòng)通信新技術(shù)第五代移動(dòng)通信概述第五代(5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)是面向2021年以后用戶需求的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。超高的頻譜利用率和超低的功耗。在傳輸速率、資源利用、無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。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來移動(dòng)通信開展的兩大主要驅(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)要滿足未來十年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍廣域覆蓋下100Mbps用戶體驗(yàn)速率熱點(diǎn)地區(qū)數(shù)十Gbps峰值速率毫秒級(jí)的端到端時(shí)延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)方面帶來的挑戰(zhàn)，單位比特本錢比LTE降低一個(gè)或更高的量級(jí)，其無線覆蓋性能、傳輸時(shí)延、系統(tǒng)平安和用戶體驗(yàn)也將得到顯著的提高。第五代移動(dòng)通信概述第11章第五代移動(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)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)未來網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步微型化、分布化，并通過小區(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11章第五代移動(dòng)通信新技術(shù)空中接口技術(shù)空中接口技術(shù)5G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：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。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?？罩薪涌诩夹g(shù)空中接口技術(shù)幀結(jié)構(gòu)及信道

5G幀結(jié)構(gòu)的參數(shù)可靈活配置，以效勞不同類型的業(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)空中接口技術(shù)空中接口技術(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)中存在大量的無線回傳鏈路，可以通過網(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)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(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11章第五代移動(dòng)通信新技術(shù)大規(guī)模MIMO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)效勞于假設(shè)干個(gè)用戶。

在天線的配置方式上，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MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO技術(shù)(1)信道狀態(tài)信息測(cè)量、反響及參考信號(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響和基于信道互易性的反響機(jī)制之外，諸如分級(jí)CSI(信道狀態(tài)信息)測(cè)量與反響、基于Kronecker運(yùn)算的CSI測(cè)量與反響、壓縮感知以及預(yù)體驗(yàn)式等新型反響機(jī)制也值得考慮。大規(guī)模MIMO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)計(jì)來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)雜度那么直接與天線陣列規(guī)模和用戶數(shù)相關(guān)。大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO的預(yù)編碼當(dāng)基站天線數(shù)目接近無窮，且天線間相關(guān)性較小時(shí)，天線陣列形成的多個(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，EigenvaluesBeamforming)、匹配濾波(MF，MatchingFilter)、正那么化迫零(RZF，RegularizationZeroForcing)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MIMO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

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

大規(guī)模MIMO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。

(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)那么進(jìn)行波束成形。準(zhǔn)那么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MIMO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。

大規(guī)模MIMO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

大規(guī)模MIMO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

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SINR與特征值波束成形算法相同。

大規(guī)模MIMO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。

大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO的預(yù)編碼在基站天線數(shù)趨于無窮大且發(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)得到幾種線性多用戶預(yù)編碼算法下的近似系統(tǒng)容量。通過理論分析和仿真說明，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11章第五代移動(dòng)通信新技術(shù)毫米波無線通信技術(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線回程的目的是提高網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性。

無線回程：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，因此可以通過使用毫米波無線回程隨時(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、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。毫米波組網(wǎng)示意圖毫米波無線通信技術(shù)毫米波無線通信技術(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防止數(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。毫米波無線通信技術(shù)單用戶混合波束成形

假設(shè)發(fā)射機(jī)使用

個(gè)射頻(RF)鏈路、Nt根天線來發(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

。基站端發(fā)送的數(shù)據(jù)流通過基帶預(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

毫米波無線通信技術(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鏈路來接收發(fā)射端發(fā)送來的數(shù)據(jù)流，其中是RF合并矩陣，其元素具有單位范數(shù)；是基帶合并矩陣。那么可獲得的數(shù)據(jù)速率為

毫米波無線通信技術(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：

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)。

毫米波無線通信技術(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

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

毫米波無線通信技術(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)基站端基帶等效信道后，那么可通過不同的方法計(jì)算MU-MIMO數(shù)字預(yù)編碼器P。毫米波無線通信技術(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

毫米波無線通信技術(shù)多用戶混合波束成形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

定義為毫米波無線通信技術(shù)多用戶混合波束成形

于是，

個(gè)無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。毫米波無線通信技術(shù)多用戶混合波束成形

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)牡玫降腞F波束成形矩陣獲得的，計(jì)算MU-MIMO數(shù)字預(yù)編碼器P。(1)最正確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。

毫米波無線通信技術(shù)多用戶混合波束成形

控制矢量

通過假定上行(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。毫米波無線通信技術(shù)多用戶混合波束成形

采用不同的策略為同時(shí)調(diào)度的用戶選擇最正確RF波束毫米波無線通信技術(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MMSE和BD算法來得到數(shù)字預(yù)編碼矩陣。MMSE算法：

毫米波無線通信技術(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線通信技術(shù)多用戶混合波束成形

BD算法首先是形成除用戶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

毫米波無線通信技術(shù)多用戶混合波束成形

BD算法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11章第五代移動(dòng)通信新技術(shù)同時(shí)同頻全雙工技術(shù)

靈活雙工可以通過時(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。FDD時(shí)域方案同時(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)量需求來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)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