5G移动通信系统 课件 第6章- 5G无线技术

5G移动通信系统第六章第六章5G无线技术全双工技术

非正交多址MassiveMIMO调制和编码技术6.16.26.36.4毫米波通信6.526.1全双工技术5G无线技术MassiveMIMO非正交多址技术全双工技术频分双工时分双工调制和编码技术毫米波通信36.1全双工技术更大的系统容量、更大的上行覆盖范围、信道干扰均衡较容易高效灵活地利用所有可用带宽，上下行链路的一致性较好目前广泛应用的通信系统均没有达到真正的全双工46.1.1全双工基本原理这种双工方式可以在同样的频谱资源和时间的基础上实现发射和接收，并采用干扰消除的方式减少发射与接收链路间的相互干扰，这一双工方式也被叫做单信道全双工方式或同频同时全双工方式。56.1.2全双工与半双工模式性能对比技术含量半双工全双工光谱效率低高（几乎是原来两倍）避免载波冲突需要载波感应不需要载波感应隐藏终端问题地址不对解决了的拥塞高低（取决于FD的MAC层调度）端到端的延时高低主要接收器的检测不可靠可靠可用的信噪比区域高信噪比低中信噪比中断概率高低误码概率高低丢包率低高链路可信度高低66.1.3.1全双工的自干扰问题这种从发射机泄漏到接收机的干扰信号称为双工干扰信号。在线性时不变系统中，发射机理论上可以完全消除干扰信号。此时，接收机可以将处理后的双工干扰信号作为导频信号进行信道估计，并提高精确性。所以，接收机可以通过精确的信道估计还原全双工自干扰信号，接着将其从接收到的信号中剔除。这样，接收机就可以完全消除双工干扰信号，得到一个纯粹的远程目标信号。76.1.3.2天线干扰消除一、利用空间衰减或介质隔离抑制自干扰对于具有独立收发天线的全双工系统，收发天线之间存在空间传播损耗。为了将自干扰消除，通常使用增加发射天线和接收天线间距离的方式。由于各种具体问题的限制，发送和接收天线之间的距离受限。分布式天线技术可以为全双工系统提供更大的空间隔离。86.1.3.2天线干扰消除二、利用天线方向性抑制自干扰如果全双工通信节点的发射和接收目标用户方向不同，可以使用两根定向天线分别对准发射和接收方向。如果要接收不同方向的数据，可以使用两根辐射方向不同的天线分别发送和接收数据。96.1.3.2天线干扰消除三、使用波束成形抑制自干扰发射天线波束成形：调整多个发射天线的相位和幅度，使得接收天线处于发射信号空间零点以降低双工干扰。这种方法原则上可以消除特定频率的干扰，但对于宽带信号，偏离该频率点的信号无法满足路程差为半波长的条件。波束成形的方法是利用发射或接收端的多天线系统，通过对信号进行加权处理获得方向性的增益或在某些方向上实现干扰抑制。106.1.3.2天线干扰消除三、使用波束成形抑制自干扰接收天线波束成形：通过调节接收天线的幅度相位对收到的信号进行加权，从而达到所需要的理想效果。如果接收波束在干扰到达方向上的接收增益非常低，则在该方向入射的干扰信号将被显著抑制。116.1.3.2天线干扰消除三、使用波束成形抑制自干扰联合天线波束成形：联合使用上述发射和接收波束成形的方法，可以获得两次干扰消除的效果。发射天线对称设置于一条直线上，接收天线对称设置于与其垂直的另一条直线上。126.1.3.2天线干扰消除四、共用收发天线的自干扰抑制方法全双工系统的天线通常采用收发天线分离的架构。近年来也有学者采用单天线进行全双工收发。实际上，在频分双工系统中就有采用环行器隔离发射和接收信号，实现单天线收发的技术，由于其同时存在收发信号的频率正交性，因而相对全双工系统更容易实现。136.1.3.3射频干扰消除由于CCFD的同频和同步收发能力，本地设备发送的信号在其自身的接收信道中会产生强烈的干扰。为了避免这种现象，模拟信道的输出需要满足ADC的动态范围要求，并避免了通过模拟域进一步去除自干扰信号后ADC的阻塞和饱和。通过这种方法，需要的弱信号通过ADC造成的量化损失可以很小。高效的射频消除显著减少了ADC的位数，并提高了后续数字干扰消除的性能。

抽头自干扰消除

模拟自干扰消除

可调装置自干扰消除146.1.3.3射频干扰消除一、单抽头和多抽头模拟的自干扰消除接收干扰延迟与参考信号延迟不同，降低了消除干扰的能力，特别是对于宽带信号。另外，如果天线周围的传播环境中存在反射体，则接收到的干扰信号中存在多径分量。即使可以调节参考信号与能量最强的直射信号，也无法去除其他路径信号，限制了干扰消除能力。多延迟抽头结构的射频干扰消除可以解决上述问题。156.1.3.3射频干扰消除二、射频模拟与基带模拟干扰消除射频模拟干扰消除指模拟参考信号取自发射机链路的射频信号部分（即含有载波的高频信号），通过从接收机的射频信号中减去射频参考信号来消除干扰。基带模拟干扰消除是从发射机的基带信号或由基带信号重构的低频信号中获取模拟参考信号，通过从变频信号中减去模拟参考信号来实现干扰消除。166.1.3.3射频干扰消除二、射频模拟与基带模拟干扰消除176.1.3.3射频干扰消除三、直接耦合自干扰消除和数字辅助自干扰消除延迟时间的调整控制算法的调整幅相控制装置的精度186.1.3.4数字干扰消除干扰信号的重建过程为干扰基带信号与信道估计的卷积，则干扰为：

干扰去除的计算可由下式算出：当射频干扰消除能力提高时，数字干扰能力随之下降。这也是由于射频干扰消除同时降低了干扰导频信号的功率，因而恶化了干扰信道的估计精度，进而影响到数字干扰消除的能力。196.1.4.1全双工中中继网络编码分布式空时码第一个编码考虑理想的自干扰消除第二个编码能够容忍一定程度的剩余自干扰信号异或网络编码可以增加通信系统的分集增益，能明显提升全双工系统的比特出错率马尔可夫低密度奇偶校验码可以有效对全双工二进制可擦除中继信道的传输性能进行提升联合网络编码和信道编码联合网络编码通过结合马尔可夫网络编码和递归联合解码，可以提供比半双工模式更好的性能增益206.1.4.2全双工中继传输协议全双工中继传输支持多种中继协议。每个协议都有自己的优点和缺点，可以根据不同的要求选择不同的协议来提高性能。一些基本的中继协议如下：放大转发AF协议解码转发DF协议压缩转发CF协议存储转发SF协议216.1.5全双工中动态资源分配一、双工模式选择226.1.5全双工中动态资源分配二、天线模式选择236.1.5全双工中动态资源分配三、功率分配功率分配需要收发链路的协同优化，对于现实来说，这种问题可以描述为在这些条件下分配的每个发射天线的功率以最大化系统和容量。由于这类问题是NP-hard问题，因此需要放宽条件，将其转化为凸优化问题。如果基站或终端的优化功率分配为零，则系统会降级功率分配实际上为切换双工模式下的优化问题246.1.5全双工中动态资源分配四、多用户系统资源的分配由于全双工系统上下行信道资源重叠，链路用户之间相互交互必须共同优化上下行信道分配优化标准可以最大化利用总吞吐量及比例公平性。考虑具有分布式基站接收天线的小区结构用户资源分配方案和遍历用户的上/下行模式的计算复杂性，各种信道分配方案提出了次优方案。25第六章5G无线技术全双工技术

非正交多址MassiveMIMO调制和编码技术6.16.26.36.4毫米波通信6.5266.2非正交多址5G移动网络上的多路访问是一个新的且具有挑战性的研究课题，因为它需要提供大量的访问，同时系统吞吐量大和延迟低，在最有希望的5G多址技术中，NOMA越来越受到关注。276.2.1什么是NOMANOMA通过多路访问来进行解决相关问题。频分多址对传统方式的提高点在于NOMA以全新的分配形式满足人们的需求，从而达到提高系统吞吐量的目的。此外，NOMA的采用大大提高了系统用户的公平性和频谱效率。与其他正交多址解决方案相比，用户可以在相同的频率和相同的时间内同时发送信息。286.2.1.1正交多址与非正交多址非正交多址允许所有用户共享所有获得的自由度。系统设计之初，是建立在各用户的信息可混叠这一基础上，且可创建别名，因此为系统设计提供了正交访问的灵活性。296.2.1.2非正交多址特性从正交/非正交的比较分析中可以看出，对于5G的广覆盖、大容量等4个需求，非正交多址相对正交多址来说都有较大优势；发展非正交多址和接入技术对于5G的应用来说是十分重要的。306.2.2NOMA应用场景分析作为新的多址技术，NOMA有很多优点：1、提高频谱效率并且增加设备访问容量2、减少功率消耗并且降低网络传输延迟3、大幅增加了可靠性4、还可以与其他技术相结合场景连续广域覆盖热点高容量低功率大容量低时延高可靠关键挑战316.2.3.1NOMA串行干扰消除技术一、串行干扰消除技术的原理SIC是众多方法中最为直接和方便的方法。SIC技术具有良好的性能、简单的结构和实现方法，满足5G系统要求。326.2.3.1NOMA串行干扰消除技术二、NOMA下行SIC检测原理UE2的信道容量为UE1的信道容量为336.2.3.1NOMA串行干扰消除技术三、NOMA上行SIC检测原理在NOMA上行链路中，检测UE1和UE2信号时，另外一股信号会被干扰，此时对应的信道容量分别为346.2.3.2NOMA功率分配技术功率域非正交多址接入（Power-domainNon-orthogonalMultipleAccess，PNMA）是指将发送端多个用户信号在功率域叠加，在接收端通过串行干扰进行消除，以此区分不同用户。356.2.3.2NOMA功率分配技术在基站的每个时域资源单元上都有n个用户信号。为了区分用户信号，基站根据终端和基站之间的信息，为这些用户发射的信号赋予不同的发射功率值，从而使得终端设备接收到的信号强度和SNR恰好相反。366.2.4多用户共享接入技术解决方案MUSA（Multi-UserSharedAccess）是满足5GMBB和未来所有互联网要求的新型多址技术。MUSA下行增强叠加编码作用是提供5GMBB多址接入技术，而MUSA上行复数多元码则面向低成本低功耗的海量连接应用。376.2.4.1MUSA上行链路设计方案MUSA上行是一种基于复数域的多元码，并且是面向低成本低功耗的海量连接应用。图6.16显示了上行链路框架。首先，访问用户使用SIC接收机扩展互相关性低的复数域多元码序列的调制符号，然后在同一资源上发送得到的扩展符号，最后接收端通过线性处理和块级SIC技术将用户信息进行分离。386.2.4.2MUSA下行链路设计方案MUSA下行链路方案的设计是通过叠加编码和扩展引入非正交性来增加系统容量。具体的设计原则如下：UE侧仅使用干扰去除SIC；去除干扰算法必须复杂性低且鲁棒性高；支持不同的调制模式。39第六章5G无线技术全双工技术

非正交多址MassiveMIMO调制和编码技术6.16.26.36.4毫米波通信6.5406.3.1什么是MassiveMIMO由于数据传送和使用人数的迅速增长，移动通讯技术在今后的发展中将会遇到很大的技术压力。MIMO理论的出现为通信技术的进一步发展提供了更好的理论依据和条件。当前，围绕MassiveMIMO技术的学术研究、标准化的推动以及实践的探索都在进行。MassiveMIMO技术在5G中的应用前景十分广阔。416.3.2应用场景大规模有源阵列天线热点覆盖热点覆盖可以在各种用户和业务量较多的室外区域使用。同时，基于大规模天线的热点覆盖也适用于用户量多的室内环境，室外宏覆盖最大限度地活用MassiveMIMO技术性能上的优点，在提供优异的覆盖性能的同时，还支持多个用户进行空分复用无线回传可以根据服务要求的变化来设置微基站，保证链路的传输质量，提高容量高层建筑的覆盖这种技术则可以很好地体现其能力优势，更好地覆盖楼内用户。同时可以克服穿透损耗的问题。426.3.3组网方案空间的自由度更高，空分多流能力更高更精细的空间分辨率和波束赋形增益多个用户和小区之间的更强的干扰抑制MassiveMIMO是由BBU、RRU及天线组成的一体化基站，减少了传统分布式宏基站网元，以便于快速部署。MassiveMIMO网络规划解决方案（容量）：436.3.4MIMO产品介绍44第六章5G无线技术全双工技术

非正交多址MassiveMIMO调制和编码技术6.16.26.36.4毫米波通信6.5456.4.1新型调制技术数字通信的调制技术，根据通信系统的发展阶段略有不同。2G系统的情况下，覆盖是主要的评价指标而到3G时期则转变为多址和调制技术466.4.2新型编码技术在香农信息论发现之前，人们总是认为信息的有效性和可靠性不能同时实现。提高可靠性意味着增加冗余，这降低了有效性。最初出现的编码是代数方法编码，更准确地说为线性分级码。代数译码后的主要突破是使用概率译码算法。还有Berrou等人Turbo码的发明，其性能突破了信道截止速率。利用一种不同于传统的调制编码技术来更好的提升链路的性能476.4.2.1极化码（PolarCodes）一、Polar-LDPC级联方式

48二、LDPC-Polar级联方案

6.4.2.1极化码（PolarCodes）49通过使用Turbo码解读信息，可以给编码和译码领域的科学家带来新的灵感。Turbo码的发明，不再是一个简单的编码和译码方案，而是一种思想，可以用来开发其他应用程序。Turbo的创意将信息理论推向新的阶段。该编码器的结构由两个并行的卷积码编码器构成。接着需要额外添加干扰，但并不会对输出有所影响，因为会在输出之前通过一种连接方式来一同输出，便可以很好的解决这个问题。6.4.2.3Turbo码506.4.2.4网络编码网络编码可以将各种信息比特转换成较小的“痕迹”，并在目标节点中进行复原，因此无需重复发送或复制整个消息，不需要额外容量和路由。但是网络编码必须将特定方案与特定场景相匹配，并针对具体情况来改善优化。516.4.3编码调制与超奈奎斯特传输的组合在通信系统的研究开发中，研究人员为了给用户提供更好的性能体验，一直追求更高的传输速度。为了在有限的频谱上提供更高速、更丰富的服务，需要持续改善频谱利用率。早在100年前，Nyquist就通过大量的推导得出了以下关系等式：理想低通信号下的最高码元传输速率=2WBaud这个基准也被称为奈奎斯特第一准则52第六章5G无线技术全双工技术

非正交多址MassiveMIMO调制和编码技术6.16.26.36.4毫米波通信6.5536.5.15G高频介绍根据世界无线电通信大会WRC-15的研究，现在6GHz以上的频谱资源丰富，因为500M的频谱带宽被持续分配，6GHz以上的带宽成为现在5G研究的热点内容。国别中国美国欧盟日本韩国