5G關鍵技術ppt課件

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第五代移動通信的進展及其關鍵技術 The fifth generation(5G) mobile Communication networks,1,5G之路 5G需求 5G關鍵,提 綱,2,一、5G之路,眾所周知，在近30年的時間內，全球移動通信已從20世紀80年代的第一代發(fā)展到目前的第四代。我國的移動通信產業(yè)經歷了全過程，從第一代的引進、第二代的跟進、第三代的參與、到第四代的自主研發(fā)，力圖在第五代達到引領，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了9張網絡：A、B、C、G、D、3G(3張)和目前正在大力建設的TD-LTE(4G),3,一、5G之路,1G(the first generation)： A網和B網，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，形成了 A網和 B網，兩張網用戶不能互通，A網地區(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網聯(lián)網，能在全國30個省(市、自治區(qū))自動漫游，但從A網區(qū)到B網區(qū)，需要用戶在手機上操作轉網(1999年A網和B網同時關閉),4,一、5G之路,2G(the second generation)：C網、G網和D網，數(shù)字體制、TDMA，不同用戶同頻分配不同時隙 C網：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，電信運營商重組前由中國聯(lián)通擁有 G網：GSM， 20世紀90 年代中期開始建設，能提供許多新業(yè)務，具有漫游范圍廣的特點，稱為“全球通”。G 網工作于900MHz頻段，頻帶比較窄。隨著移動用戶的迅猛增長， G 網已達到容量飽和，為此又建設了“D”網,5,一、5G之路,D網：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。如果使用雙頻手機，也能在G網漫游、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網相同的頻段、帶寬、調制模式和TDMA幀結構，數(shù)據(jù)傳輸速率可達115kbps，支持隨時在線，按流量或時間計費,6,一、5G之路,EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution)：將 GPRS 發(fā)揮到極限，可透過無線網絡提供寬帶多媒體服務，數(shù)據(jù)傳輸速率可達 384kbps，支持無線多媒體、電子郵件、網絡娛樂、視頻會議等 WAP(Wireless Application Protocol)：移動通信與互聯(lián)網結合的第一階段性產物。用戶可用手機上網，但要求網站以WML(無線標記語言)編寫，相當于Internet上的HTML(超文件標記語言),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，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，靜止狀態(tài)2Mb/s。其設計目標是提供比 2G更大的系統(tǒng)容量、更好的通信質量，能在全球范圍內實現(xiàn)無縫漫游，為用戶提供話音、數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務，并與2G系統(tǒng)兼容。3G的主流標準有：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量視頻業(yè)務，視頻質量與高清電視相當。4G系統(tǒng)能提供100Mbps的下行速率，上行速率也高達20Mbps，能滿足幾乎所有用戶對無線服務的要求。我國2013年12月向3家運營商同時頒發(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2020年的主要原因是： 近幾年，移動通信網承載的IP數(shù)據(jù)業(yè)務年均增幅超過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)，預計 2020 年將超過 500 艾字節(jié) 目前需求最大的業(yè)務是視頻流，但到2020年可能會有新的業(yè)務形態(tài)出現(xiàn)(如互動業(yè)務) 終端數(shù)量和數(shù)據(jù)速率也將持續(xù)呈指數(shù)增長，預計2020年通信終端將達到數(shù)十億 - 數(shù)百億臺(D2D、M2M) 必須發(fā)展新的通信技術來應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標準的大致輪廓，并開展相關關鍵技術研究： 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,日本電波產業(yè)協(xié)會的2020 and Beyond Ad Hoc論壇 韓國的5G論壇 歐洲電信標準化組織設立的下一代移動網絡論壇(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候選技術研究，但針對5G標準化工作尚無時間表，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構想 ITU-R將在今年的世界無線電通信大會WRC-15上確定5G藍圖，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移動通信國際標準和核心技術,13,一、5G之路,2015年5月29日，中國 IMT-2020(5G) 推進組在北京召開了第三屆IMT-2020(5G) 峰會，發(fā)布中國《5G無線技術架構》和《5G網絡技術架構》白皮書 ，包含的5G關鍵技術有Filtered-OFDM（可變子載波OFDM）、稀疏碼多址（SCMA）、極化編碼（Polar Code）、Massive MIMO、網絡功能虛擬化( Network Function Virtualization)、網絡分片、控制功能重構等,14,一、5G之路,未來的無線通信需要實現(xiàn)三大突破： 構建協(xié)同異構融合的無線網絡架構,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、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、免申請頻譜接入 ……,16,一、5G之路,建立以業(yè)務為驅動的信息傳輸模式：不同業(yè)務采用不同傳輸技術，實現(xiàn)信源與信道的跨層匹配、認知和自適應，增強傳輸能力,17,一、5G之路,盡管目前5G尚未形成標準，需求指標尚不明確，基礎理論也不完善，關鍵技術有待攻克，但公認5G的核心技術至少應包括： 高密度異構網絡 (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，還包括傳輸波形設計、網絡架構虛擬化、頻譜效率和能量效率提升技術等,18,二、5G需求,研究和部署5G移動通信網絡，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要求 峰值速率：網絡能提供的最大數(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)務的傳輸要求，但 5G 系統(tǒng)支持的業(yè)務包括互動游戲、新的觸屏業(yè)務、虛擬現(xiàn)實(Google眼鏡、穿戴式計算機)、D2D等，要求往返時延是 1ms。為此，需要減小子幀時長，并改進相關協(xié)議和核心網架構 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關鍵,蜂窩網絡總容量： 減小單小區(qū)覆蓋區(qū)域，提高頻譜復用度(宏蜂窩、小蜂窩、微蜂窩、中繼站、飛蜂窩異構網絡分層重疊部署) 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、空間調制技術、協(xié)同MIMO技術、分布式天線系統(tǒng)、干擾管理機制等) 利用各種途徑尋求可用頻譜資源(如認知無線電、毫米波通信、可見光通信等) 進一步提高頻譜效率(如高階調制、自適應調制編碼),23,三、5G關鍵,高密度異構網絡 密集部署異構網絡，利用更高的頻譜復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絡容量，如在 1G 系統(tǒng)中，單蜂窩覆蓋區(qū)域達到數(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關鍵,縮小蜂窩尺寸的好處： 提高頻率復用度 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，資源管理和回程連接非常簡單 缺點是建網成本增大；蜂窩結構復雜；移動切換頻繁；異構多網混疊，干擾協(xié)調壓力大等,25,三、5G關鍵,高密度部署異構網絡面臨的技術挑戰(zhàn)包括： 如何設計高密度異構多網體系架構和共存協(xié)調機制，在獲得頻譜效率、能量效率、系統(tǒng)容量提升的同時，避免網間干擾？ 如何設計新型的無線接入技術，優(yōu)化邊緣數(shù)據(jù)速率？ 如何支持用戶高速業(yè)務和高移動性需求？ 如何降低組網、運維和回程(backhaul)鏈路成本？,26,中國提出的蜂窩網絡架構,統(tǒng)計表明：無線用戶在室內的時間約占 80%，在室外的時間僅占 20%，而目前的蜂窩通信網絡是在小區(qū)中心部署一個室外基站，與移動用戶進行通信，無論該用戶是位于室內，還是室外。室內用戶與室外基站通信，電波必須穿透建筑物外墻，會產生嚴重的穿透損耗，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 蜂窩架構的基本思想：將室內和室外分離，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備，提供強大的天線增益(分布部署、集中處理),27,中國提出的蜂窩網絡架構,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無線接入點(WAP)連接,28,中國提出的蜂窩網絡架構,基于該架構，室內用戶僅需利用室內部署的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)全網用戶互聯(lián)互通 室內通信采用短程通信技術提供高的數(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，無法用于室外遠距離通信，但其具有的高帶寬卻可對室內用戶提供短距離高速數(shù)據(jù)傳輸,29,中國提出的蜂窩網絡架構,該蜂窩網絡架構是異構的：宏蜂窩、微蜂窩、小蜂窩、中繼站等 為滿足高速運動車輛(如高鐵、動車)內用戶的通信需求，在網絡架構中引入新的網元——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，部署在車廂箱體內部，為車內用戶提供通信服務，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用戶的歸屬基站 特點：短期內基礎實施建設成本高，但從長遠考慮，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,日本提出的蜂窩網絡架構,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,日本提出的蜂窩網絡架構,幻影蜂窩用到大量新技術： 非正交多址 (NOMA) 接入技術：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，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提出的蜂窩網絡架構,METIS 尚未提出完整的 5G蜂窩網絡架構，但圍繞需求分析、架構設計和關鍵技術做了大量研究。5G以提升用戶體驗為目標，應加強多種技術整合，如將宏蜂窩、微蜂窩、熱點小基站以及 WiFi等多種網絡融合，為不同場景的用戶提供最佳服務。除了通過提高無線傳輸能力承載更高數(shù)據(jù)速率外，其網絡架構應是分布式、扁平化的，以消除網絡流量瓶頸和傳輸時延，并符合移動互聯(lián)網業(yè)務特征,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移動通信的相關技術和標準,33,未來網絡形態(tài)和趨勢,基于云組網技術：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，涉及兩個關鍵技術： 網絡功能虛擬化(NFV)：網絡功能從傳統(tǒng)的與硬件設備綁定改變?yōu)榛谠朴嬎愕臄?shù)據(jù)中心架構，既可在核心網實現(xiàn)，也可在接入網實現(xiàn)，如構建云接入網(cloud-RAN) 軟件定義網絡(SDN)：將控制面和數(shù)據(jù)面分離，其關鍵包括：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)外部應用如何調用和控制網絡實體 利用這兩項技術可實現(xiàn)移動通信網絡革命性改變,34,未來網絡形態(tài)和趨勢,融入“人”的網絡（Everything-in-the-loop） 用戶行為與需求成為網絡的一部分，并影響和改變網絡形態(tài)和信息傳遞 “群落化”網絡結構 根據(jù)用戶行為與需求，網絡構成一個個類似生物學上的群落，形成邏輯群落，邏輯群落中具有頻繁的信息交互 “聯(lián)邦”自治式網絡 固定的物理位置(如寫字樓、商場)或相對位置(如車聯(lián)網)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,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技術是上世紀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)計獨立，利用空間維度能實現(xiàn)復用和分集，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,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)作構建MIMO系統(tǒng),37,大規(guī)模MIMO技術,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)內空間復用(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,大規(guī)模MIMO技術優(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；利用波束形成技術使發(fā)送信號具有良好的指向性，空間干擾?。焕锰炀€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重影響,39,大規(guī)模MIMO技術,提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性：波束形成(下行預編碼)獲得的電波空間指向性能抑制多徑效應、陰影效應造成的衰落，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,設計大規(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, 反饋機制) ？ 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道響應矩陣各元素不一定是獨立同分布的，即存在相關性和互耦效應(MC)，會降低信道容量，且相關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)間導頻復用會產生導頻污染，如何解決？(設計高效、合理的導頻分配機制) 如何構建信道模型？(非平穩(wěn)、三維、衰落) 如何設計陣列結構？(共形天線設計) 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,空間調制(SM),設計 MIMO 系統(tǒng)的難點：一是信道間干擾(相關、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 空間調制 (spatial modulation) ：一種新的 MIMO 技術，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，通過空間復用，提高數(shù)據(jù)速率。SM 既具有較低的實現(xiàn)復雜度，又不降低系統(tǒng)性能 SM利用簡單的調制和編碼機制就能實現(xiàn)低復雜度的收發(fā)信機設計和高效的頻譜效率,42,空間調制(SM),空間調制原理：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關系，利用陣元位置承載信息,43,空間調制(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)(與調制方式有關) 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，Stanford大學和Rice大學設計了一種帶內全雙工通信系統(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,46,毫米波和可見光通信,關于毫米波通信：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頻段構建高速WiFi——WiGiG，在28, 38, 71-76和80-86GHz頻段構建超短距離固定無線通信系統(tǒng)等 但隨著半導體技術和工藝的發(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。缺點是傳輸距離進一步縮短，優(yōu)點是在高密度異構組網時，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40dB，且還有15-40dB的附加阻塞損失 斯坦福大學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光調制在發(fā)端基于強度調制(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、干擾協(xié)調技術等是否可直接移植，尚需驗證,50,新型多址技術,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,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： 結果表明：NOMA比OFDMA的頻譜效率可提升30-40%,52,新型多址技術,為了進一步提高頻譜效率 (5G要求提升5-15倍) ，將 NOMA 與MIMO結合：基站生成多波束，每個波束為 2 個用戶提供服務；在接收端，采用兩種干擾抵消技術：連續(xù)干擾抵消(SIC)和干擾抑制合并(IRC)，前者用于波束內用戶之間干擾抵消，后者用于波束間干擾抑制,53,新型多址技術,Sparse Code Multiple Access (SCMA)：華為Ottawa研發(fā)中心提出 基本思想是對 CDMA改進：CDMA 作為一種優(yōu)良的多址接入技術，在發(fā)端利用正交或準正交序列對數(shù)據(jù)符號進行擴展，在收端再利用其正交特性從擴展序列中提取原始數(shù)據(jù)符號。擴頻序列設計是實現(xiàn) CDMA的關鍵，也是影響系統(tǒng)性能和實現(xiàn)復雜度的重要因素 CDMA編碼器利用給定的擴頻序列將一個QAM符號擴展為一個復數(shù)符號序列，CDMA 調制可看成是將編碼比特序列映射為復數(shù)符號序列的過程,54,新型多址技術,可將 QAM 映射器和 CDMA 調制器合并，直接將一組數(shù)據(jù)比特映射為一個復數(shù)向量，該復數(shù)向量稱為碼字(codeword)，整個過程實際上就是一個從二進制域到多維復數(shù)域的編碼過程，這樣，CDMA擴頻操作就從傳統(tǒng)的序列設計轉換為復數(shù)多維碼字設計 SCMA 具有如下性質：1) 基于預定碼本集直接將二進制數(shù)據(jù)編碼為多維復數(shù)域碼字；2) 為不同用戶設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，又能獲得擴頻增益,55,新型多址技術,SCMA實現(xiàn)的關鍵： 如何設計碼本集和碼字，使其滿足稀疏性要求？ 如何構建二進制數(shù)據(jù)與多維復數(shù)序列之間的映射關系？ 如何描述多維星座圖？ 如何設計多用戶檢測算法？,56,謝謝！,57,