無線接入部分

1. 大規(guī)模MIMO 技術(shù)

MIMO技術(shù)將傳統(tǒng)的時域、頻域、碼域三維擴展為了時域、頻域、碼域、空域四維，新增緯度極大的提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。隨著天線能力和芯片處理能力的增強，目前MIMO技術(shù)從2*2MIMO發(fā)展為了8*8MIMO，從單用戶MIMO發(fā)展為了多用戶MIMO和協(xié)作MIMO。目前MIMO技術(shù)的新進展包括三個方面：從無源到有源，從二維(2D)到三維(3D)，從高階MIMO到大規(guī)模陣列。

有源天線系統(tǒng)（AAS）在天線系統(tǒng)中集成射頻電路功能，從而提高能量效率，降低系統(tǒng)的功耗；提高波束賦行能力，進一步提高系統(tǒng)的容量性能；降低站址維護和租賃費用：

3D MIMO支持多用戶波束智能賦型，減少用戶間干擾，結(jié)合高頻段毫米波技術(shù)，將進一步改善無線信號覆蓋性能。

大規(guī)模陣列MIMO提供了更強的定向能力和賦形能力：

多維度的海量MIMO技術(shù)，將顯著提高頻譜效率，降低發(fā)射功率，實現(xiàn)綠色節(jié)能，提升覆蓋能力，而如今大規(guī)模MIMO仍舊面臨一些問題，如大規(guī)模天線信道測量與建模、陣列設(shè)計與校準、導(dǎo)頻信道、碼本及反饋機制、天線的規(guī)模尺寸、實際工程安裝和使用場景等問題，這些問題的探討和成果會成為未來5G的重要發(fā)展方向。

MIMO技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于WIFI、LTE等。理論上，天線越多，頻譜效率和傳輸可靠性就越高。大規(guī)模MIMO技術(shù)可以由一些并不昂貴的低功耗的天線組件來實現(xiàn)，為實現(xiàn)在高頻段上進行移動通信提供了廣闊的前景，它可以成倍提升無線頻譜效率，增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋和系統(tǒng)容量，幫助運營商最大限度利用已有站址和頻譜資源。

我們以一個20平方厘米的天線物理平面為例，如果這些天線以半波長的間距排列在一個個方格中，則：如果工作頻段為3.5GHz，就可部署16副天線；如工作頻段為10GHz，就可部署169根天線。。。。。

3D-MIMO技術(shù)在原有的MIMO基礎(chǔ)上增加了垂直維度，使得波束在空間上三維賦型，可避免了相互之間的干擾。配合大規(guī)模MIMO，可實現(xiàn)多方向波束賦型。

多天線技術(shù)作為提高系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段, 已經(jīng)應(yīng)用于多種無線通信系統(tǒng), 如3G 系統(tǒng)、LTE、LTE-A、WLAN 等. 根據(jù)信息論, 天線數(shù)量越多, 頻譜效率和可靠性提升越明顯. 尤其是, 當發(fā)射天線和接收天線數(shù)量很大時, MIMO 信道容量將隨收發(fā)天線數(shù)中的最小值近似線性增長.因此, 采用大數(shù)量的天線, 為大幅度提高系統(tǒng)的容量提供了一個有效的途徑. 由于多天線所占空間、實現(xiàn)復(fù)雜度等技術(shù)條件的限制, 目前的無線通信系統(tǒng)中, 收發(fā)端配置的天線數(shù)量都不多, 比如在LTE 系統(tǒng)中最多采用了4 根天線, LTE-A 系統(tǒng)中最多采用了8 根天線[4]. 但由于其巨大的容量和可靠性增益, 針對大天線數(shù)的MIMO 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究吸引了研究人員的關(guān)注, 如單個小區(qū)情況下, 基站配有大大超過移動臺天線數(shù)量的天線的多用戶MIMO 系統(tǒng)的研究等[5]. 進而, 2010 年, 貝爾實驗室的Marzetta 研究了多小區(qū)、TDD (time division duplexing) 情況下, 各基站配置無限數(shù)量天線的極端情況的多用戶MIMO 技術(shù), 提出了大規(guī)模MIMO (large scale MIMO, 或者稱Massive MIMO) 的概念[6],發(fā)現(xiàn)了一些與單小區(qū)、有限數(shù)量天線時的不同特征. 之后, 眾多的研究人員在此基礎(chǔ)上研究了基站配置有限天線數(shù)量的情況[7]. 在大規(guī)模MIMO 中, 基站配置數(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) 的天線, 在同一個時頻資源上同時服務(wù)若干個用戶. 在天線的配置方式上, 這些天線可以是集中地配置在一個基站上, 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. 值得一提的是, 我國學(xué)者在分布式MIMO 的研究一直走在國際的前列[8_10].

大規(guī)模MIMO 帶來的好處主要體現(xiàn)在以下幾個方面: 第一, 大規(guī)模MIMO 的空間分辨率與現(xiàn)有MIMO 相比顯著增強, 能深度挖掘空間維度資源, 使得網(wǎng)絡(luò)中的多個用戶可以在

同一時頻資源上利用大規(guī)模MIMO 提供的空間自由度與基站同時進行通信, 從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率. 第二, 大規(guī)模MIMO 可將波束集中在很窄的范圍內(nèi), 從而大幅度降低干擾. 第三, 可大幅降低發(fā)射功率[7], 從而提高功率效率. 第四, 當天線數(shù)量足夠大時, 最簡單的線性預(yù)編碼和線性檢測器趨于最優(yōu), 并且噪聲和不相關(guān)干擾都可忽略不計.

近兩年針對大規(guī)模MIMO 技術(shù)的研究工作主要集中在信道模型、容量和傳輸技術(shù)性能分析、預(yù)編碼技術(shù)、信道估計與信號檢測技術(shù)等方面[1114], 但還存在一些問題: 由于理論建模和實測模型工作較少, 還沒有被廣泛認可的信道模型; 由于需要利用信道互易性減少信道狀態(tài)信息獲取的開銷, 目前的傳輸方案大都假設(shè)采用TDD 系統(tǒng), 用戶都是單天線的, 并且其數(shù)量遠小于基站天線數(shù)量. 導(dǎo)頻數(shù)量隨用戶數(shù)量線性增加, 開銷較大, 信號檢測和預(yù)編碼都需要高維矩陣運算, 復(fù)雜度高, 并且由于需要利用上下行信道的互易性, 難以適應(yīng)高速移動場景和FDD (frequency division duplexing) 系統(tǒng); 在分析信道容量及傳輸方案的性能時, 大都假設(shè)獨立同分布信道, 從而認為導(dǎo)頻污染是大規(guī)模MIMO 的瓶頸問題, 使得分析結(jié)果存在明顯的局限性, 等等. 因此, 為了充分挖掘大規(guī)模MIMO 的潛在技術(shù)優(yōu)勢,需要深入研究符合實際應(yīng)用場景的信道模型, 分析其對信道容量的影響, 并在實際信道模型、適度的導(dǎo)頻開銷、可接受的實現(xiàn)復(fù)雜度下, 分析其可達的頻譜效率、功率效率, 并研究最優(yōu)的無線傳輸方法、信道信息獲取方法、多用戶共享空間無線資源的聯(lián)合資源調(diào)配方法.

針對以上問題的研究, 存在諸多的挑戰(zhàn), 但隨著研究的深入, 大規(guī)模MIMO 在5G 中的應(yīng)用被寄予了厚望[15], 可以預(yù)計, 大規(guī)模MIMO 技術(shù)將成為5G 區(qū)別于現(xiàn)有系統(tǒng)的核心技術(shù)之一.

1. 同時同頻全雙工

同時同頻全雙工技術(shù)是指在相同的頻譜上，通信的雙方同時發(fā)送和接收信號，與傳統(tǒng)的TDD和FDD雙工方式相比，從理論上可以提高空口頻譜效率1倍。

全雙工技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制。然而，全雙工意味著干擾的產(chǎn)生，對干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)，同時還存在相鄰小區(qū)

同頻干擾問題。在多天線及組網(wǎng)場景下，全雙工技術(shù)的應(yīng)用難度更大。

全雙工通信技術(shù)指同時、同頻進行雙向通信的技術(shù). 由于在無線通信系統(tǒng)中, 網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)存在固有的發(fā)射信號對接收信號的自干擾, 現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)中, 由于技術(shù)條件的限制, 不能實現(xiàn)同時同頻的雙向通信, 雙向鏈路都是通過時間或頻率進行區(qū)分的, 對應(yīng)于TDD 和FDD 方式. 由于不能進行同時、同頻雙向通信, 理論上浪費了一半的無線資源(頻率和時間).

由于全雙工技術(shù)理論上可提高頻譜利用率一倍的巨大潛力, 可實現(xiàn)更加靈活的頻譜使用, 同時由于器件技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展, 同頻同時的全雙工技術(shù)逐漸成為研究熱點, 是5G 系統(tǒng)充分挖掘無線頻譜資源的一個重要方向[31_34]. 但全雙工技術(shù)同時也面臨一些具有挑戰(zhàn)性的難題. 由于接收和發(fā)送信號之間的功率差異非常大, 導(dǎo)致嚴重的自干擾(典型值為70 dB), 因此實現(xiàn)全雙工技術(shù)應(yīng)用的首要問題是自干擾的抵消[35]. 近年來, 研究人員發(fā)展了各類干擾抵消技術(shù), 包括模擬端干擾抵消、對已知的干擾信號的數(shù)字端干擾抵消及它們的混合方式、利用附加的放置在特定位置的天線進行干擾抵消的技術(shù)等[36;37], 以及后來的一些改進技術(shù)[38]. 通過這些技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用, 在特定的場景下, 能消除大部分的自干擾. 研究人員也開發(fā)了實驗系統(tǒng), 通過實驗來驗證全雙工技術(shù)的可行性[37;39], 在部分條件下達到了全雙工系統(tǒng)理論容量的90%左右. 雖然這些實驗證明了全雙工技術(shù)是可行的, 但這些實驗系統(tǒng)都基本是單基站、小終端數(shù)量的, 沒有對大量基站和大量終端的情況進行實驗驗證, 并且現(xiàn)有結(jié)果顯示, 全雙工技術(shù)并不能在所有條件下都獲得理想的性能增益. 比如, 天線抵消技術(shù)中需要多個發(fā)射天線, 對大帶寬情況下的消除效果還不理想, 并且大都只能支持單數(shù)據(jù)流工作, 不能充分發(fā)揮MIMO的能力, 因此, 還不能適用于MIMO 系統(tǒng); MIMO 條件下的全雙工技術(shù)與半雙工技術(shù)的性能分析還大多是一些簡單的、面向小天線數(shù)的仿真結(jié)果的比較, 特別是對大規(guī)模MIMO 條件下的性能差異還缺乏深入的理論分析[40;41], 需要在建立更合理的干擾模型的基礎(chǔ)上對之進行深入系統(tǒng)的分析; 目前, 對全雙工系統(tǒng)的容量分析大多是面向單小區(qū)、用戶數(shù)比較少, 并且是發(fā)射功率和傳輸距離比較小的情況,缺乏對多小區(qū)、大用戶數(shù)等條件下的研究結(jié)果, 因此在多小區(qū)大動態(tài)范圍下的全雙工技術(shù)中的干擾消除技術(shù)、資源分配技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、容量分析、與MIMO 技術(shù)的結(jié)合, 以及大規(guī)模組網(wǎng)條件下的實驗驗證, 是需要深入研究的重要問題.

3. 基于濾波器組的多載波技術(shù) FBMC

在OFDM系統(tǒng)中，各個子載波在時域相互正交，它們的頻譜相互重疊，因而具有較高的頻譜利用率。OFDM技術(shù)一般應(yīng)用在無線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中，在OFDM系統(tǒng)中，由于無線信道的多徑效應(yīng)，從而使符號間產(chǎn)生干擾。為了消除符號問干擾(ISI)，在符號間插入保護間隔。插入保護間隔的一般方法是符號間置零，即發(fā)送第一個符號后停留一段時間(不發(fā)送任何信息)，接下來再發(fā)送第二個符號。在OFDM系統(tǒng)中，這樣雖然減弱或消除了符號間干擾，由于破壞了子載波間的正交性，從而導(dǎo)致了子載波之間的干擾(ICI)。因此，這種方法在OFDM系統(tǒng)中不能采用。在OFDM系統(tǒng)中，為了既可以消除ISI，又可以消除ICI，通常保護間隔是由CP（Cycle Prefix，循環(huán)前綴來)充當。CP是系統(tǒng)開銷，不傳輸有效數(shù)據(jù),從而降低了頻譜效率。

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5G通信關(guān)鍵技術(shù)解密.pdf