LTE移動通信系統(tǒng)第11章 第五代移動通信新技術

第11章第五代移動通信新技術第11章第五代移動通信新技術第11章第五代移動通信新技術第五代移動通信概述第五代(5G)移動通信系統(tǒng)是面向2021年以后用戶需求的新一代移動通信系統(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等方面將比現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)有顯著提升。移動互聯(lián)網和物聯(lián)網是未來移動通信開展的兩大主要驅動力，為第五代移動通信提供了廣闊的應用前景。第五代移動通信概述第五代移動通信概述標志性能力指標第五代移動通信系統(tǒng)要滿足未來十年移動互聯(lián)網流量增加1000倍廣域覆蓋下100Mbps用戶體驗速率熱點地區(qū)數(shù)十Gbps峰值速率毫秒級的端到端時延百倍以上能效提升除了業(yè)務能力指標要求外，還需要面對網絡運營方面帶來的挑戰(zhàn)，單位比特本錢比LTE降低一個或更高的量級，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)平安和用戶體驗也將得到顯著的提高。第五代移動通信概述第11章第五代移動通信新技術網絡體系架構網絡體系架構網絡體系架構未來網絡結構將進一步微型化、分布化，并通過小區(qū)間的相互協(xié)作，將干擾信號轉換為有用信號，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網絡的系統(tǒng)容量。

第11章第五代移動通信新技術空中接口技術空中接口技術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、高移動性場景下的用戶體驗和海量設備連接。高頻段(6GHz以上頻段)的新空口：滿足熱點區(qū)域極高的用戶體驗速率和系統(tǒng)容量需求?？罩薪涌诩夹g空中接口技術幀結構及信道

5G幀結構的參數(shù)可靈活配置，以效勞不同類型的業(yè)務，具體包括:帶寬、子載波間隔、循環(huán)前綴、傳輸時間間隔和上下行配比等?？罩薪涌诩夹g空中接口技術空中接口技術空中接口技術對于高速率業(yè)務，多元低密度奇偶校驗碼(M-aryLDPC)、極化碼、新的星座映射以及超奈奎斯特調制(FTN)等比傳統(tǒng)的二元Turbo+QAM方式可進一步提升鏈路的頻譜效率。對于低速率小包業(yè)務，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容量界。對于低時延業(yè)務，需要選擇編譯碼處理時延較低的編碼方式；對于高可靠業(yè)務，需要消除譯碼算法的地板效應。

此外，由于密集網絡中存在大量的無線回傳鏈路，可以通過網絡編碼提升系統(tǒng)容量?？罩薪涌诩夹g空中接口技術底層協(xié)議5G的空口協(xié)議需要支持各種先進的調度、鏈路自適應和多連接等方案，并可靈活配置，以滿足不同場景的業(yè)務需求。

5G空口協(xié)議還將支持5G新空口、4G演進空口及WLAN等多種接入方式。為減少海量小包業(yè)務造成的資源和信令開銷，可考慮采用免調度的競爭接入機制，以減少基站和用戶之間的信令交互，降低接入時延。5G的自適應HARQ(混合自動重傳)協(xié)議將能夠滿足不同時延和可靠性的業(yè)務需求。此外，5G將支持更高效的節(jié)能機制，以滿足低功耗物聯(lián)網業(yè)務需求。第11章第五代移動通信新技術大規(guī)模MIMO技術在實際大規(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個數(shù)量級以上，在同一個時頻資源上同時效勞于假設干個用戶。

在天線的配置方式上，天線可以是集中配置在一個基站上，形成集中式的大規(guī)模MIMO，也可以是分布式地配置在多個節(jié)點上，形成分布式的大規(guī)模MIMO。大規(guī)模MIMO技術大規(guī)模MIMO技術大規(guī)模MIMO技術大規(guī)模MIMO技術(1)信道狀態(tài)信息測量、反響及參考信號設計為了更好地平衡信道狀態(tài)信息測量的開銷與精度，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制之外，諸如分級CSI(信道狀態(tài)信息)測量與反響、基于Kronecker運算的CSI測量與反響、壓縮感知以及預體驗式等新型反響機制也值得考慮。大規(guī)模MIMO技術(2)下行發(fā)送與上行接收算法設計大規(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正交特性保證的。然而，在實際的信道條件中，由于設備與傳播環(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計來有效地抑制用戶間乃至小區(qū)間的同道干擾，而傳輸與檢測算法的計算復雜度那么直接與天線陣列規(guī)模和用戶數(shù)相關。大規(guī)模MIMO技術大規(guī)模MIMO技術大規(guī)模MIMO的預編碼當基站天線數(shù)目接近無窮，且天線間相關性較小時，天線陣列形成的多個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，最簡單的線性多用戶預編碼，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技術大規(guī)模MIMO的預編碼

考慮由配置

根天線的基站和

個單天線用戶構成的大規(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，其各元素獨立同分布且服從均值為0方差為1的復高斯分布，維行向量

為

大規(guī)模MIMO技術大規(guī)模MIMO的預編碼基站到用戶()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)一定的準那么進行波束成形。準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技術大規(guī)模MIMO的預編碼這里以MSINR準則為例對特征值波束成形進行分析。設用戶接收端噪聲功率為

，EBF權值矩陣為

，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技術大規(guī)模MIMO的預編碼EBF權值矩陣

應使得

最大，對

求導并使其導數(shù)為0，可知最優(yōu)的

對應于

的最大特征值

，進一步地可得最優(yōu)特征值波束成形權值矩陣

。若

，則此時用戶的接收端SINR為

大規(guī)模MIMO技術大規(guī)模MIMO的預編碼(2)匹配濾波

基站對

個用戶的匹配濾波(MF)多用戶預編碼矩陣為

若基站發(fā)射信號向量為

，

個用戶的接收噪聲向量為

，s、n各元素獨立同分布且服從均值為0方差分別為1和

的復高斯分布。

時，

個用戶的接收信號向量為用戶

的接收端SINR與特征值波束成形算法相同。

大規(guī)模MIMO技術大規(guī)模MIMO的預編碼(3)正則化迫零

正則化迫零(RZF)多用戶預編碼在萊斯信道下具有良好的性能，其預編碼矩陣為

其中，

是正規(guī)化系數(shù)。當

趨近于0時就是ZF預編碼；當

趨近于無窮大時就是MF預編碼。

時，

個用戶的接收信號向量為

同樣，利用正則化迫零預編碼時，用戶的接收端SINR與前相同。

大規(guī)模MIMO技術大規(guī)模MIMO的預編碼在基站天線數(shù)趨于無窮大且發(fā)端天線相關矩陣為單位陣時，EBF、MF與RZF性能相近且接近最優(yōu)。當基站天線相關矩陣為單位陣但天線數(shù)目有限時，可以利用大規(guī)模隨機矩陣理論(RMT)推導得到幾種線性多用戶預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章第五代移動通信新技術毫米波無線通信技術

與6GHz以下頻段相比，毫米波(mmW)具有豐富的空閑頻譜資源，能夠滿足熱點高容量場景的極高傳輸速率要求。

但是，毫米波在實際應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)長達幾秒的深衰落，嚴重影響著毫米波通信的性能。毫米波無線通信技術

毫米波通信系統(tǒng)的應用場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絡部署的靈活性。

無線回程：在5G網絡中，微/小基站的數(shù)目非常龐大，部署有線方式的回程鏈路會非常復雜，因此可以通過使用毫米波無線回程隨時隨地根據(jù)數(shù)據(jù)流量增長需求部署新的小基站，并可以在空閑時段或輕流量時段靈活、實時關閉某些小基站，從而可以收到節(jié)能降耗之效。毫米波無線通信技術

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。毫米波組網示意圖毫米波無線通信技術毫米波無線通信技術單用戶混合波束成形混合波束成形(HBF)結合數(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)實現(xiàn)復雜度，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)字波束成形中每個天線都使用大功耗寬帶數(shù)模轉換器。毫米波無線通信技術單用戶混合波束成形

假設發(fā)射機使用

個射頻(RF)鏈路、Nt根天線來發(fā)送Ns數(shù)據(jù)流()，其基帶預編碼器為

矩陣

，RF預編碼器為

矩陣

。

假設接收機具有Nr根天線，信道為

窄帶塊衰落，信道矩陣表示為

，滿足

?；径税l(fā)送的數(shù)據(jù)流通過基帶預編碼器和RF預編碼器，經信道傳輸后，在用戶端的接收信號為

毫米波無線通信技術單用戶混合波束成形RF預編碼器使用模擬移相器來實現(xiàn)，每個元素只有相位是不同的，模值相等；基帶預編碼器每個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

個用戶，設計預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多用戶混合波束成形

為了簡化，我們假定所有

個用戶具有相同的數(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)字預編碼器，其中每一列與每個用戶和數(shù)據(jù)流的數(shù)字控制矢量相對應。

毫米波無線通信技術多用戶混合波束成形

最終在

個基站天線上來自

個流上的總的發(fā)送信號

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構。接收天線數(shù)是

，每一個陣列具有

個天線陣元，每一個天線陣元有對應的移相器。采用與基站相同的方式，用戶的第k個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多用戶混合波束成形用戶第i個基帶接收信號矢量為

用戶的所有RF預編碼器可以表示為

是用戶數(shù)字合并器，

是用戶i的

信道矩陣，n是附加復高斯白噪聲矢量。定義總的

個用戶的信道矩陣為

毫米波無線通信技術多用戶混合波束成形

對于數(shù)字MU-MIMO預編碼，各用戶的基帶等效信道(在RF波束成形后)由下式給出

當基站端基帶等效信道后，那么可通過不同的方法計算MU-MIMO數(shù)字預編碼器P。毫米波無線通信技術多用戶混合波束成形

當忽略多用戶干擾，基站到第i個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多用戶混合波束成形為了考慮其他用戶對用戶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多用戶混合波束成形

于是，

個無干擾用戶和有干擾用戶的總容量分別為

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多用戶混合波束成形

多用戶混合波束成形設計：首先得到基站端和相關的用戶最佳RF波束成形矩陣；然后再從得到的RF波束成形矩陣獲得的，計算MU-MIMO數(shù)字預編碼器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。對于基站和用戶，RF碼本集的控制矢量的數(shù)目設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

個波束和用戶端RF鏈路的

個波束。

毫米波無線通信技術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，對每一個用戶，用于每一個發(fā)送機和接收機波束合并的信道響應都在上行信道探測時測量，并在接收端進行校準，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多用戶混合波束成形

采用不同的策略為同時調度的用戶選擇最正確RF波束毫米波無線通信技術多用戶混合波束成形

(2)計算數(shù)字預編碼器

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)字預編碼矩陣。MMSE算法：

毫米波無線通信技術多用戶混合波束成形

當數(shù)據(jù)流數(shù)低于用戶端的RF鏈路數(shù)()時，需要從

提取列矢量以得到最終預編碼矩陣P，此時可以采用MMSE(SVD)算法。

MMSE(SVD)預編碼矩陣為毫米波無線通信技術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該等效信道矩陣進行SVD分解

毫米波無線通信技術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角元素的對角矩陣，表示從提取的

列，形成的零空間。假定，SVD實現(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)字預編碼矩陣可以用如下的方式計算

第11章第五代移動通信新技術同時同頻全雙工技術

靈活雙工可以通過時域和頻域方案實現(xiàn)。在FDD時域方案中，每個小區(qū)可根據(jù)業(yè)務量需求將上下頻帶配置成不同的上下行時隙配比。FDD時域方案同時同頻全雙工技術

在FDD頻域方案中，可以將上行頻帶配置為靈活頻帶以適應上下行非對稱的業(yè)務需求。FDD頻域方案

同樣，在TDD系統(tǒng)中，每個小區(qū)可以根據(jù)上下行業(yè)務量需求來決定用于上下行傳輸?shù)臅r隙數(shù)目，實現(xiàn)方式與FDD中上行頻段采用的時域方案類似。同時同頻全雙工技術全雙工在第一個時隙上，基站發(fā)射給用戶1信號，接收用戶2的信號；在第二個時隙上，基站發(fā)射給用戶2信號，接收用戶1信號，總共用2個時隙完成了用戶1和用戶2各一