无线传感器网络简明教程 第4版 课件 第7章5G无线网络

第7章5G无线网络本章内容7.15G基础知识7.2多天线技术7.2.1MIMO系统7.2.2大规模MIMO系统本章内容7.3毫米波通信7.3.1毫米波通信技术7.3.2面向5G的毫米波通信7.4面向5G的车联网技术7.4.1车联网7.4.2面向5G的V2X网络7.15G基础知识性能指标上的特点：5G无线网络具有多个频段,其中：6GHz以下的频段多用于广域联接，支撑物联网的发展；

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100GHz频段主要支持超高速通信。“高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗”国际电联无线电通信部门确定5G通信的法定名称为IMT-2020”，关键参数如下：体验速率真实网络环境下用户可获得的最低传输速率指标数值为下行100Mb/s、上行50Mb/s峰值速率单个用户可获得的最高传输速率指标数值为下行20Gb/s、上行10Gb/s移动性满足一定性能要求的收、发双方之间的最大相对移动速度指标数值为500km/h时延从源结点开始传输数据包，直到目的结点正确接收的时间指标数值为1ms连接密度单位面积支持的在线设备总数指标数值为106/km2流量密度单位面积区域内的总流量指标数值为10Mbps/m2可靠性1ms内传输32字节数据的丢包率指标数值为0.001%5G网络的基本结构核心网宏基站微基站微基站宏基站微基站微基站高速率理论上峰值最高速率在10

20Gbps之间高容量支持每平方公里100万个每平方米100Mbps数据传输高可靠性0.001%的丢包率，达到光纤通信的丢包率指标低延时最低要求是1毫秒，甚至更低低功耗支持高休眠活动比以及无数据传输时的长时间休眠典型应用场景

面向高带宽需求的增强移动宽带

面向高用户数需求的海量机器类通信

面向低时延与高可靠性需求的超可靠低时延通信7.2多天线技术7.2.1MIMO系统1.MIMO信道容量单信道通信的数学模型为r=hs+n

h:平坦衰落信道的增益r:接收信号s:发射信号n:白噪声MIMO：美国人通常读作/maimo/；英国人通常读作/mimo/单信道容量为:带宽信号功率噪声功率系统方程——对于M根发射天线、N根接收天线r=Hs+nH称为信道增益矩阵或信道响应矩阵。hij表示第i根接收天线与第j根发射天线之间的增益参量(i=1,

…,

N;j=1,

…,

M)。MIMO的系统结构2.分集技术分集(diversity)技术是MIMO系统的典型特征，即发射端的多根天线只发送一个数据流来提高传输可靠性。通常假定MIMO天线信道是独立的瑞利衰落信道，如果发射和接收天线数目分别为M、N，则共计有M*N条独立的衰落路径。当所有发射天线都发送相同的数据时，那么该数据经过多条路径到达接收端。独立衰落路径的数量称作分集的阶，也称为分集增益。Alamouti时空分组编码方案

Alamouti编码方案的巧妙之处在于系统信道矩阵被正交化，因而能采用多种方法估计出原始信号数据。优点：提高链路可靠性。缺点：不能增加数据传输速率。衡量分集性能的标准是分集增益。解决方案：空时编码方案作为基本的发送技术。3.复用技术

1）定义

发送端将数据流分成多个子数据流，从不同的天线发送，从而提高传输速率，同时并不需要增加信号传输的功率和带宽，这种MIMO技术称为空间复用。

2）方法常用的空间复用方法是分层空时码。

3）两种分层空时码贝尔实验室1996年1998年对角结构的分层空时码D-BLAST垂直结构的分层空时码V-BLAST4)D-BLAST复用技术

发送天线数目M=5，编码后五路数据流在5根天线上循环发送：对于第一路数据流，第1个数据a1在天线1和时间T1发送，第2个数据a2在天线2和时间T2发送，5个时间段完成一个循环。每一层在时间和空间上呈对角线形状。数据在空间和时间上呈对角线形状，在数据发送开始和结束时，部分空时单元未被填入数据而被浪费。缺点

所有层的数据通过不同的路径发送给接收机，提高了链路的可靠性。优点发射天线数目M=5，编码后的五路数据流分别在5根天线上并行发送，第一路数据a1,a2,a3,…等在天线1上发送，第二路数据b1,b2,b3,…等在天线2上发送，其余依次类推。5)V-BLAST复用技术4.波束赋形一种使用传感器阵列定向发送和接收信号的技术。

通过调整阵列中每根天线的加权系数来产生指向性的波束，从而获得对应辐射方向的阵列增益，降低其他辐射方向的干扰。1)MIMO预编码信道容量取决于信道结构矩阵H的秩基站的具体选择，通常是基于最大信噪比或最大容量准则。MIMO系统同时发送的数据个数取决于信道矩阵的秩。最理想的信道矩阵是正交的，信道容量是单天线容量的min{M,N}倍。接收端的天线数量可能并不多，且会引起降秩，还会导致秩不稳定的。LTE解决方法:由接收端通过信道估计来获得信道矩阵参数，然后判断秩的数值，并选择码本反馈给发送端。2)天线阵列技术对天线阵列接收的空间信号所进行的分析与处理统称为阵列信号处理，主要任务是估计出诸如波达方向之类的信号源参数。波束赋形是阵列信号处理的关键技术，目的是确定阵列方向图的主瓣，使其指向所需的信号方向。

假设天线间距为d，且信号源与天线的距离足够远，可认为抵达各天线的信号为相互平行的平面波，此信号也称为远场信号。远场信号到达各天线的直射线与阵列法线方向之间的夹角相等，即为波达方向角。相邻天线在波达方向的传播路程差为dsin(θ)，窄带信号的相位之差(假定为ω)确定如下：

要求：天线间距d满足半波长的条件，即d≤λ/2，否则ω可能大于π产生所谓的方向模糊。波达方向的计算条件无法区分！无噪声理想情况下的终端接收信号为:线性均匀阵列的方向图(8根天线)由此构造的几何曲线图形称为方向图，代表导向向量与加权向量的内积。7.2.2大规模MIMO系统贝尔实验室Marzetta博士，在2009年最先提出大规模MIMO无线通信的构想。这项技术旨在基站端配置远多于现有系统天线数若干量级的大规模天线阵列，同时服务多个用户。在基站覆盖区域配置数十根甚至数百根天线，比4G通信系统的4(或8)根天线增加一个量级以上。1.大规模MIMO特点大规模MIMO系统分布式MIMO集中式MIMO增加垂直维度的覆盖，信号呈电磁波束的辐射状水平方向移动垂直方向不能移动大规模MIMO特点：(1)天线数目的急剧增长，不同用户之间的信道将呈现出渐进正交特性，干扰可得到有效甚至完全消除，大大提升了系统总容量。(2)基站天线数目的增加，信道快衰落和热噪声被有效均分，以极大概率避免用户陷入深衰落，缩短空中接口的等待延迟，简化了调度策略。(3)大量天线的使用使得波束能量可聚焦对准到窄小的空间区域，空间分辨率得到提升。(4)大量额外的自由度用于发射信号波束赋形，有效降低发射信号的峰均比，从而使得射频前端能采用低成本的功放，降低系统部署成本。(5)巨量天线使得阵列增益增加，有效降低了发射端的功率消耗，使得系统总能效提升多个数量级。

大规模MIMO系统是以MIMO技术为基础，充分利用空间资源，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍提高系统的信道容量。2.大规模MIMO信道估计

信道信息获取成为大规模MIMO系统的关键。

时分双工(TimeDivisionDuplex,TDD)系统，在相干时间内基站可利用上行信道估计信息来设计下行的预编码，减少下行导频以及用户端信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)的反馈开销。3.大规模MIMO应用部署高层楼宇的无线网络覆盖

利用大规模MIMO技术的垂直维度对高层楼宇进行覆盖。相对于传统方法来说，高层覆盖所需的站点较少，且能减少干扰和导频污染。7.3毫米波通信7.3.1毫米波通信技术

毫米波是指频率在30GHz～300GHz之间、波长在10mm～1mm之间的电磁波。

毫米波的频率介于微波与光波之间，属于甚高频段,以直射波方式在空间传播，波束很窄，具有良好的方向性。

毫米波通信是以毫米波作为传输信息的载体而进行的通信方式，具有设备体积小、重量轻、天线面不大等特点。1.毫米波通信简介

毫米波传播受大气影响，传播能量的衰减与大气高度、温度和湿度有关。

大气衰减的吸收谱线主要是氧气分子作用的60GHz、119GHz和水蒸气作用的183GHz三个衰减峰频率。通常毫米波通信应避开这三个大气衰减峰频率。毫米波频段低端毗邻厘米波、高端衔接红外光，既有厘米波的全天候应用特点，又有红外光的高分辨率优点，还具有光通信直线传播的特点，能使室外通信具有高稳定性、室内通信避免室间干扰。毫米波波导通信无线地面通信卫星通信毫米波通信分类2.毫米波传播的特性(1)路径损耗路径损耗由发射信号的辐射扩散和信道的传播特性造成的。自由空间的路径损耗模型通常表示为：L为路径损耗值，单位为dBd是信号传播的距离，单位为kmf是信号频率，单位为MHz(2)穿透损耗信号在穿透物体时都会产生一定的损耗。低频信号容易穿透建筑物材料，损耗较小，而毫米波穿透建筑物的损耗较大。高穿透损耗可能导致信号传播无法穿透建筑物进入室内，或者导致室内信号变得非常微弱。(3)雨衰雨衰是毫米波通信必须考虑的因素，因为这会降低无线系统的传播距离，影响系统的可靠性。较大的雨量会对毫米波通信产生严重干扰，另外雨滴的大小几乎与发射信号波长相当，容易产生散射。毫米波通信的距离受限，30GHz毫米波的传播距离约为十几公里，60GHz毫米波只能传播0.8公里，毫米波技术适合热点场所的密集型基站布局。7.3.2面向5G的毫米波通信1.毫米波天线毫米波天线具有两个重要特征：高增益和小波束角天线类型通信技术增益(dB)波束角(

)基站毫米波43.01.2LTE24.610.0移动终端毫米波19.517.8LTE1.1148.9毫米波和LTE（长期演进技术标准）的基站/移动终端天线性能参数2.基于毫米波通信的5G网络方案大基站对应于LTE宏站小基站对应于LTE微站5G基站的一些形状泰山“石头”基站上海“塔吊”基站广州“企鹅”基站7.4面向5G的车联网技术7.4.1车联网1.车联网芯片高性能芯片是车联网汽车的“心脏”可扩展计算架构的NXPS32系列汽车处理器平台华为7nm的智能化汽车芯片2.车联网操作系统车联网是移动互联网的延伸，区别在于车联网必须去APP化，以提升人机交互过程中的安全性（用户不能边开车边操作APP）。车联网应用的核心是安全问题。

车载APP的使用应该释放人手、减少或摒弃手工操作，才能有效提升驾驶安全。2.车联网操作系统目前车辆正从传统交通工具型向移动“伴侣”和“助理”型转变。汽车产业链的全生命周期服务需要从传统的门店服务，向在线的数字化服务转型，这将激发大量在线应用程序的诞生。车载操作系统的特性生态汇聚性安全性车载操作系统特性友好的人机交互性实时性车载操作系统的性能比较平台优点缺点MicrosoftEmbeddedAutomotive7技术稳定，品牌效应道路地图兼容性差，功能偏少，可扩展性不足；支持的硬件平台单一，系统不易移植，难以定制，价格昂贵，公开的文档资料少QNX(即QuickUNIX)使用的车型和模块多，开发支持费用相对低廉平台扩展成本高Android(Linux)应用开发方便，很多特性符合车载信息娱乐系统的需求系统启动时间长，尽管开源但受控于谷歌公司3.车联网内容服务整合汽车厂商提供的原始设备制造商信息；向用户提供远程服务。7.4.2面向5G的V2X网络1.V2X通信技术有关国家授权的V2X通信专用频段如下：北美为5.850~5.925GHz；日本为5.79~5.81GHz和5.8~5.85GHz两个频段；欧洲为5.795~5.815GHz；我国为5.905~5.925GHz。V2X（X代表Everything）通信技术是以欧洲、美国和日本推行的专用短程通信为主，基于IEEE802.11协议扩充的IEEE802.11p协议，也称作车辆环境中的无线接入，侧重于车辆之间的无线通信。2.V2X网联智能技术分类英文全称中文全称应用场景V2VVehicle-to-Vehicle车-车前方碰撞告警、车辆失控告警、紧