对后4G和5G的调研

对后对后 4G4G 5G5G 技术的调研报告技术的调研报告 来自新华网的新闻 发改委近日决定组织实施移动互联网及第四代移动通 信 TD LTE 产业化专项 这一消息立即引爆了通信板块 工信部部长苗圩也对 外表示 4G 牌照将于今年年底前正式发放 2G 时代称王的中移动在进入 3G 时 代后渐处于弱势 如今 4G 牌照发布在即 通信领域格局将再次发生变革 通信 领域总是瞬息万变 技术革新则是一日千里 如今世界已经走进 4G 时代 那么 下一代无线通信技术将会是什么样的呢 结合无线通信技术特点以及需求 我 们对下一代可能成为主流的无线通信技术进行了调研学习 现将学习 调研情 况作一简要汇报 LTE ALTE A 技术技术 根据国际电信联盟在 2012 年无线电通信全会全体会议上的决议 当前国 际上采用的 4G 标准 主要分为两类 一是基于 3GPP 的 FDD LTE Advance 的技 术 另外一类是基于 IEEE 802 16m 的技术 因为当前的 3G 技术 WCDMA 网络的 升级版 HSPA 和 HSPA 均能够演化到 FDD LTE 这一状态 所以这一 4G 标准获得 了最大的支持 也将是未来 4G 标准的主流 因此本文也将研究的重点放在 LTE 这一技术标准上 LTE Long Term Evolution 长期演进 项目是 3G 的演进 它改进并增强 了 3G 的空中接入技术 采用 OFDM 和 MIMO 作为其无线网络演进的唯一标准 主 要特点是在 20MHz 频谱带宽下能够提供下行 100Mbit s 与上行 50Mbit s 的峰值 速率 相对于 3G 网络大大的提高了小区的容量 同时将网络延迟大大降低 内 部单向传输时延低于 5ms 控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于 50ms 从驻留状态到激活状态的迁移时间小于 100ms LTE Advanced 技术是 LTE 技术的升级版 其正式名称为 Further Advancements for E UTRA 它满足 ITU R 的 IMT Advanced 技术征集的需求 是 3GPP 形成欧洲 IMT Advanced 技术提案的一个重要来源 LTE Advanced 是一 个后向兼容的技术 完全兼容 LTE 是演进而不是革命 LTE Advanced 的相关 特性如下 带宽 100MHz 峰值速率 下行 1Gbps 上行 500Mbps 峰值频谱效率 下行 30bps Hz 上行 15bps Hz 针对室内环境进行优化 有效支持新频段和大带宽应用 峰值速率大幅提高 频谱效率有限的改进 严格的讲 LTE 应作为 3 9G 移动互联网技术 而 LTE Advanced 作为 4G 标 准更加确切一些 LTE Advanced 的入围 包含 TDD 和 FDD 两种制式 其中 TD SCDMA 将能够进化到 TDD 制式 而 WCDMA 网络能够进化到 FDD 制式 由于 LTE Advanced 在 4G 中的主流地位 那么下一代的无线通信技术必将 在 LTE Advanced 的技术基础上进行演进 LTE A 以 LTE 为技术基础和核心 进行扩充 增强 完善 其特点是 灵 活有效的频谱利用 更高的频谱效率 简单优化的网络架构 能够节省 TCO 提供更多的服务 因此 LTE A 是 LTE 的平滑演进 后向兼容 LTE 标准 具体 而言 LTE A 需要支持高达 100MHz 的带宽 下行峰值速率为 1Gbps 频谱效率 提高到 30bps Hz 上行峰值速率为 500Mbps 频谱效率提高到 15bps Hz 下行 天线扩展到 8 8 发射 8 天线 接收 8 天线 上行天线扩展到 4 4 这些特性的获取源于 LT E A 引入了载波聚合 CA Carrier Aggregation 多天线增强 Enhanced MIMO 多点协同传输 CoMP Coordinated Multi point Tx Rx 异构网 HetNet Heterogeneous Network 自组织网络 SON Self Organization Network 等关键技术 下面分别对这些技术进行 载波聚合 CA 为了满足峰值速率要求 即达到上行 500Mbps 下行 1Gbps 的高速率 LTE A 应该支持最大 100MHz 带宽 然而 现有可用频谱资源中很难找到如此大 的连续带宽 因此 LTE A 引入载波聚合这一关键技术 把分散在多个频段上 的频谱资源充分利用起来 这样能够获取大带宽 保证对 LTE 后向兼容 LTE 当前支持的最大带宽是 20MHz LTE A 聚合多个对 LTE 后向兼容的载波 可以支持最大 100MHz 带宽 在 LTE A 系统中 每个子载波对应一个独立的数 据流 子载波之间数据流的聚合方案可以分成两种 方案 A 子载波的数据流 在 MAC 层聚合 方案 B 子载波的数据流在物理层聚合 方案 A 每个子载波分配一个独立的传输块在空间复用的情况下 每个载 波分配两个独立的传输块 因为每个子载波占用一个独立的传输块 所以各个 子载波都能使用独立的链路自适应技术 聚合子载波可以根据实际链路状况使 用不同的调制编码方案 方案 A 中 每个子载波都有独立的 HARQ 进程和相应 的 ACK NAK 反馈 并且每个 RLC 实体可以使用 LTE 系统中定义的 PDU 方案 B 所有子载波共用一个传输块 在空间复用的情况下 所有子载波 共用两个传输块 由于所有子载波使用同一个传输块 需要重新设计 RLC 层 中 PDU 的大小 所有子载波要进行统一的调制编码 并且共用一个 HARQ 进程 和相应的 ACK NAK 反馈 这样就会与 LTE 系统原有的物理层 MAC 层 RLC 层 结构冲突 两个方案比较 方案 A 可以复用 LTE 系统的结构和设计 每个载波都有 独立的链路自适应过程 在聚合跨频带子载波的情况下 每个载波使用链路自适 应技术的效果明显 由于方案 A 的物理层 MAC 层 RLC 层与 LTE 系统完全 相同 具有良好的后向兼容性 因而可以支持 LTE 系统的软硬件设备 方案 B 中 由于所有子载波共用一个传输块传输 传输块包含的数据较多 传输块包 含的数据过多 HARQ 的使用效率变得低下 甚至完全不适合使用 HARQ 因此 方案 B 中 HARQ 的使用效率过低 完全不适合使用 HARQ 技术 同时 方案 B 不兼容 LTE 系统 也需要重新设计物理层 MAC 层 RLC 层 通过比较 可以 看出方案 A 更容易实现 LTE 向 LTE A 的平滑过渡 因此 方案 A 更适合开展 后续的研究 载波聚合不但大大提高了频谱资源的使用 而且帮助运营商灵活组合带宽 解决频谱不连续的问题 从而提高用户峰值速率和系统吞吐量 载波聚合对终 端的接收能力也没有额外要求 这使得接收能力超过 20MHz 的 LTE A 终端可以 同时接收多个成员载波 而 LTE Rel 8 的终端也可以正常接收其中一个成员载 波 多天线增强 Enhanced MIMO 鉴于频率资源日益珍贵 通过多天线技术提高信道容量已被多种标准广泛 采纳 这也是提升 LTE A 峰值频谱效率和平均频谱效率的重要途径之一 LTE Rel 8 下行支持 1 2 4 天线发射 终端侧 2 4 天线接收 下行可 支持最大 4 层传输 上行只支持终端侧单天线发送 基站侧最多 4 天线接收 LTE Rel 8 的多天线发射模式包括开环 MIMO 闭环 MIMO 波束成型 发射分 集 除了单用户 MIMO LTE 还采用了另外一种频谱效率增强的多天线传输方式 称为多用户 MIMO 即多个用户通过空分的方式复用相同的无线传输资源 在 LTE Rel 8 的基础上 LTE A 上行最多 4 天线发送 物理上行共享信道 引入单用户 MIMO 可以支持最大两个码字流和 4 层传输 物理层上行控制信道 也可以通过发射分集的方式 提高上行控制信息的传输质量以及覆盖 LTE A 下行最多 8 天线发送 两个码字流的传输和最大支持 8 层 进一步提高了下行 传输的吞吐量和频谱效率 同时 LTE A 下行支持单用户 MIMO 和多用户 MIMO 的动态切换 并通过增强型信道状态信息反馈和新的码本设计 进一步增强了 下行多用户 MIMO 的性能 LTE A 多天线技术提高了峰值频谱效率和平均频谱效率 大大增强了系统 的容量和覆盖 改善了网络性能 多点协同传输 CoMP 多点协同传输的核心思想是小区边缘用户能同时与多个小区进行信号的接 收和发送 并对信号进行协调 在下行 如果对来自多个小区的发射信号进行 协调 以规避彼此间的干扰 能大大提升下行性能 在上行 信号由多个小区 联合接收 合并 如果同时对多小区协调调度 能抑制小区间干扰 提升接收 信号的信噪比 按照进行协调的节点之间的关系 CoMP 主要分为两种方式 即站内 CoMP 和站间 CoMP 站内 CoMP 指协作发生在一个站点内 由于没有回传容量的限制 可以在同一个站点的多个小区间交互大量的信息 站间 CoMP 指协作发生在多个 站点间 对回传容量和时延提出了更高要求 反过来说 站间 CoMP 性能也受限 于当前 Backhaul 的容量和时延能力 CoMP 包括下行 CoMP 发射和上行 CoMP 接收 上行 CoMP 接收 通过多个 小区对用户数据的联合接收 来提高小区边缘用户吞吐量 下行 CoMP 发射 根据业务数据是否在多个协调点上获取 采用 联合处理 和 协同调度 波束 赋形 两种协同方式 联合处理指多个小区通过协调的方式共同为终端服务 就像虚拟的单小区 一样 这种方式通常能更好获取传输增益 但对 Backhaul 的容量和时延提出了 更高要求 协同调度 波束赋形指多个小区间进行动态信息交互 协调相应的调度和 发射权重等 尽可能减少多个小区间的互干扰 终端要对多个小区的信道进行 测量和反馈 反馈的信息既包括终端期望的来自服务小区的预编码向量 也包 括邻近的强干扰小区的干扰预编码向量 然后多个小区的调度器经过协调 使 各小区在发射波束时尽量不对邻小区造成强干扰 尽可能保证本小区用户期望 的信号强度 CoMP 作为 LTE A 的一项关键技术 有效提高了系统的平均吞吐量以及小区 边缘用户的信噪比 虽然 CoMP 会增加系统的复杂性 但它在提高系统容量和覆 盖增益上的优势在很大程度上弥补了这个不足 异构网 HetNet 有统计表明 未来 80 90 的系统吞吐量发生在室内和热点游牧场景 室 内 低速 热点将成为移动互联网时代更重要的应用场景 因此 运营商需要 应用新技术 增强传统蜂窝网络在热点场景的用户体验 在传统的宏蜂窝网络 运营商可以掌握更多的频谱或增加更多的基站 如 小区分裂 以提高供应能力 运营商还可以部署更多的基站天线 实现高阶 MIMO 技术 这些措施会带来一定的成本开支和部署困难 因此传统宏小区的网 络性能进化潜力很有限 异构网是一种显著提升系统吞吐量和网络整体效率的技术 其策略是将低 功率节点布放在宏基站覆盖区域内 形成同覆盖的不同节点类型的异构系统 低功率节点包括 Micro Pico RRH Remote Radio Head Relay 和 Femto 等 这种增加低功率小站的方式 有效提升了整网的系统容量 还具有部署灵活 成本低等优势 这一方面是因为小站精确吸收了宏网络的热点 另一方面是小 站补充覆盖了宏网络的盲点区域 异构网的关键是宏微协同 尤其是具有干扰 协调 互操作等特性 通过对 LTE A 各项关键技术的学习研究 我们可以发现 LTE A 关键技术的 研究方向主要是针对当前频率资源日益珍贵 现有可用频谱资源中很难找到能 够满足 4G 技术标准的连续带宽的现状 获取更好的传输增益 有效提升系统吞 吐量和网络整体效率 由此 我们找到了一项可能成为下一代移动通信技术的研究方向 Massive MIMO 技术 Massive MIMO 提供了优于传统的点对点的 MIMO 它使用廉价的单天线终端 而不需要丰富的散射环境 因为每个活动的终端利用所有的时频箱 所以资源 分配更加简化 然而 多用户 MIMO 由于最初所设想的大约相同数量的服务天 线和终端和频分双工操作不是一个可伸缩的技术 Massive MIMO 通过使用大量 的活跃的在终端和时分双工系统上的天线 与当前的普遍做法划清界限 额外 的天线使得集中精力投入到更小的空间区域 进而有效的提高吞吐量和系统效 率 相比现在最先进的技术 向上扩展一个量级 Massive MIMO 的其它优