5G移動通信系統(tǒng)（新形態(tài)教材）課件 第3章 5G空口關(guān)鍵技術(shù)

第3章5G空口關(guān)鍵技術(shù)無線空口關(guān)鍵技術(shù)目錄CONTENTS空口技術(shù)概述信道編碼與調(diào)制技術(shù)OFDM新波形及多址接入多天線技術(shù)全雙工技術(shù)無線空口技術(shù)概述5G空口關(guān)鍵技術(shù)5G空口包括4G演進(jìn)空口和5G新空口(5GNR)。5G的無線技術(shù)創(chuàng)新有著更為豐富的含義。信道編碼與調(diào)制技術(shù)Turbo編碼Turbo碼最常見的形式是并行級聯(lián)卷積碼(PCCC)，即反復(fù)迭代的含義。Turbo碼將卷積碼和隨機(jī)交織器合并在一起，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)編碼，并采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼。LDPC碼低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)是一種線性分組碼，1962年由Gallager首次提出。LDPC碼可以用雙向二分圖(Tanner圖)來表示。Tanner圖是校驗(yàn)矩陣的圖形表示，所以Tanner圖也可以表征LDPC碼。Polar碼Polar碼(極化碼)也是一種線性分組碼，由土耳其畢爾肯(Bilkent)大學(xué)的ErdalArikan教授提出，他從理論上第一次嚴(yán)格證明了在二進(jìn)制輸入對稱離散無記憶信道下，Polar碼在理論上可達(dá)到香農(nóng)容量，并有較低的編碼和譯碼復(fù)雜度。Polar碼即極化碼，也是一種線性分組碼，由土耳其畢爾肯(Bilkent)大學(xué)的ErdalArikan教授提出，他從理論上第一次嚴(yán)格證明了在二進(jìn)制輸入對稱離散無記憶信道下，Polar碼在理論上可以達(dá)到香農(nóng)容量，并且有較低的編碼和譯碼復(fù)雜度。

QAM調(diào)制4G和5G中采用的正交振幅調(diào)制(QAM)。QAM調(diào)制可分為矩型和星型。矩形QAM信號星座由兩個相位正交載波加兩個脈沖振幅調(diào)制信號產(chǎn)生，具有容易產(chǎn)生和解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。64矩型QAMvs64星型QAM自適應(yīng)編碼調(diào)制4G和5G中采用了自適應(yīng)編碼調(diào)制(AMC)技術(shù)。自適應(yīng)編碼調(diào)制系統(tǒng)中，收發(fā)信機(jī)根據(jù)用戶瞬時信道質(zhì)量狀況和可用資源的情況選擇最合適的鏈路調(diào)制和編碼方式，從而最大限度地提高系統(tǒng)吞吐率。OFDM新波形及多址接入OFDM基本原理正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種多載波調(diào)制方式。OFDM的基本思想是把高速率的信息變換成低速率的多路并行數(shù)據(jù)流，然后用多個相互正交的載波進(jìn)行調(diào)制，再將調(diào)制后的信號相加得到發(fā)射信號。OFDM的FFT實(shí)現(xiàn)OFDM信號可以用輸入信號的反離散傅里葉變換(IDFT)表示，在實(shí)際中可用IFFT來實(shí)現(xiàn)。CP-OFDMA為避免多徑帶來的符號間干擾，在發(fā)送端每個OFDM符號還要添加循環(huán)前綴(CP)，并通過加窗降低帶外輻射。接收端解調(diào)則可在去CP并經(jīng)FFT轉(zhuǎn)換后檢測信號?；跒V波器組的多載波技術(shù)(FBMC)FBMC沒有擴(kuò)展循環(huán)前綴，傳輸效率得到了提高；通過頻域?yàn)V波器組大大降低了旁瓣功率，減少了帶外泄漏，適合于碎片化的頻譜場景；此外，對系統(tǒng)同步要求不是很嚴(yán)格，適合一些非同步傳輸?shù)膱鼍埃以诟咭苿有詧鼍氨憩F(xiàn)良好?；谕ㄓ脼V波多載波技術(shù)(UFMC)UFMC是對子載波組進(jìn)行濾波處理，其濾波器的通帶較寬，濾波器長度可相對較短，在小文件包的場景下頻譜效率相對較高；對于時間和頻率的同步要求不嚴(yán)格；不需要循環(huán)前綴，傳輸效率得以提高；比CP-OFDM更好地應(yīng)用于碎片化頻譜的場景；可以在子載波組內(nèi)動態(tài)地調(diào)整子載波間隔，從而可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整符號長度以匹配信道的相關(guān)時間。廣義頻分復(fù)用(GFDM)GFDM基于獨(dú)立的塊調(diào)制，具有靈活的幀結(jié)構(gòu)，適用于不同的業(yè)務(wù)類型。帶外泄漏低。適合在非連續(xù)頻帶上傳輸。5G新波形在RAN1#84bis會議上，與會者經(jīng)過討論達(dá)成了如下的一致意見：新波形將基于OFDM，且支持多種靈活的參數(shù)集；5GNR在小于40GHz的頻譜范圍，針對eMBB業(yè)務(wù)，下行支持CP-OFDM，上行支持CP-OFDM和DFT-S-OFDM波形。CP-OFDM波形可用于單流和多流數(shù)據(jù)傳輸，DFT-S-OFDM僅限于單數(shù)據(jù)流傳輸(主要針對鏈路預(yù)算受限的場景)?；诜荗FDM的波形可應(yīng)用于某些比較特殊的場景需求(如mMTC),具體的方式仍將進(jìn)一步研究討論確定。非正交多址接入非正交多址接入(NOMA)允許多個用戶在相同的時間和頻率資源上進(jìn)行通信，在功率域或碼域上區(qū)分不同用戶，提升用戶連接數(shù)，提高系統(tǒng)頻譜效率，增加系統(tǒng)容量。此外，還可以通過免調(diào)度競爭接入，大幅度降低時延。功率域NOMA在發(fā)送端根據(jù)用戶的信道條件為用戶分配不同的功率，在接收端采用SIC技術(shù)逐步解碼和消除其他用戶的信號，從而提取出目標(biāo)用戶的信號。碼域NOMA在碼域上為不同用戶分配不同的擴(kuò)頻碼(非正交碼)區(qū)分信號，接收端利用特定的解碼策略來分離出各個用戶的信號。NOMA技術(shù)可用于提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，并能夠滿足場景密集環(huán)境的用戶接入以及大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)連接的需求。多天線技術(shù)大規(guī)模MIMO技術(shù)大規(guī)模MIMO(LargeScaleMIMO，也稱MassiveMIMO)的概念是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Marzetta在2010年提出的，通過大規(guī)模天線所提供的空間自由度，可以提升多用戶間的頻譜復(fù)用的能力以及抵抗小區(qū)間干擾的能力。毫米波波束管理技術(shù)5G移動通信系統(tǒng)引入了6GHz以上的高頻空口，支持毫米波段的無線傳輸。毫米波在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)性問題：毫米波傳播路徑損耗大，覆蓋范圍比Sub-6GHz小。此外，毫米波通信可能出現(xiàn)深衰落，影響毫米波通信的性能。應(yīng)用場景：用戶和微基站間的接入鏈路和無線回程鏈路。毫米波波束管理技術(shù)為了支持多用戶多流傳輸，毫米波系統(tǒng)往往采用混合波束成形的方法。智能反射面智能可調(diào)節(jié)超表面(RIS)也稱智能反射面(IRS)，其主要思想是通過引入可調(diào)節(jié)超表面有效控制入射信號的波形(例如相位、幅度、頻率和極化方式)，創(chuàng)建智能無線環(huán)境，實(shí)現(xiàn)覆蓋增強(qiáng)和能效提升。軌道角動量軌道角動量(OAM)電磁波通過多種OAM模式為移動通信系統(tǒng)提供了一種新型信道復(fù)用方法，利用自身的模式正交性可以實(shí)現(xiàn)以相同頻率發(fā)射但不同OAM模式編碼的獨(dú)立信道。如何產(chǎn)生蝸旋電磁波束是實(shí)現(xiàn)OAM通信的關(guān)鍵，在微波頻段利用圓形陣列天線是一種產(chǎn)生OAM波束的常用方法，并作為各種OAM通信實(shí)驗(yàn)以及鏈路分析的基本模型。反射和透射陣列天線以及超表面天線由于可以改變陣面的相位分布實(shí)現(xiàn)波束賦形，也可用來產(chǎn)生OAM波束因而得到廣泛的關(guān)注。隨著6G通信研究的不斷深入，對多模、多頻/寬帶、多極化等OAM電磁波束的研究也將進(jìn)入一個新的階段。同時同頻全雙工技術(shù)全雙工方式雙工方式主要是解決系統(tǒng)中用戶雙向通信的問題，常見的雙工方式包括頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)。近年來，為了進(jìn)一步提高頻譜效率，業(yè)界提出了同時同頻全雙工的概念。在同頻全雙工無線系統(tǒng)中，發(fā)射信號會對本地接收機(jī)產(chǎn)生很強(qiáng)的自干擾。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部干擾包括單個小區(qū)內(nèi)的干擾和多小區(qū)間的干擾。全雙工系統(tǒng)的干擾抑制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)。空域抑制方法空域抑制方法是將發(fā)射天線與接收天線在空中接口處分離，從而降低發(fā)射機(jī)信號對接收機(jī)信號的干擾。(a)配置多發(fā)射天線(b)配置多接收天線射頻干擾消除射頻干擾消除將發(fā)射信號分成2路，一路經(jīng)過天線輻射給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，另一路作為參考信號經(jīng)過幅度調(diào)節(jié)和相位調(diào)節(jié)，使接收天線空中接口收到的雙工干擾幅度相等、相位相反，并在合路器中實(shí)現(xiàn)雙工干擾的消除。數(shù)字干擾消除數(shù)字干擾消除器包括一個數(shù)字信道估計(jì)器和一個FIR數(shù)字濾波器。信道估