移动通信先进技术及其未来发展2010

1、蜂窝移动通信系统增强技术简介彭木根,北京邮电大学 信息与通信工程学院,2010年11月23日,主要内容,认知无线电 多频带聚合 协同中继 网络编码 多天线技术 COMP 家庭基站,认知无线电技术-背景,当前无线通信的特点 多种网络共存 同频段信号相互干扰 不同频段互不干扰 静态频谱分配,认知无线电技术-背景,静态频谱分配 频段静态分配给授权用户,认知无线电技术-背景,频谱空洞 频率：所有频段并不是同时被使用 Opportunity in frequency domain 时间：同一频段也不一定一直被使用 Opportunity in specific band in time 功率：取决于经度

2、、纬度、海拔，与主要用户的距离等因素 Opportunity in geographical space,主要用户（Primary User ） 授权用户 次要用户 （ Secondary User ） 非授权用户 机会使用频谱空洞 又称感知用户,认知无线电技术-背景,认知无线电与软件无线电,软件定义的无线电(Software Defined Radio) 频率：所有频段并不是同时被使用 1991年由Mitola提出 多频段的无线电 通过软件支持多空中接口air interface 认知无线电(Cognitive Radio) 1998年由Mitola提出 基于软件定义的无线电平台 具备情景感

3、知能力(context-aware) 感知频谱、传播环境 具备自动可重构能力 自适应调制、编码、天线波束、功率调整等,认知无线电关键技术-无线环境认知,频谱感知 基于信号能量、波形特征、循环平稳特征等的感知方法研究 基于多用户协同感知的方法研究 环境感知 用户位置信息、周围电波传播环境 干扰位置信息,认知无线电关键技术-智能学习、决策,知识抽象 频谱知识、无线传播环境知识等知识的抽象表达以便计算机处理 学习算法 人工神经网络、机器学习理论等 决策算法 进化算法、基因算法等,认知无线电-标准化进程,IEEE802.22 ：2004 年11 月，IEEE802.22 工作组正式成立，其主要任务是开

4、发和建立一套基于认知无线电（Cognitive Radio 简称CR）技术,2007年4月21日新成立的IEEE SCC41取代了IEEE 1900标准组，主要负责动态频谱接入方面的标准化工作。标准组分为4个WG工作组(IEEE 1900.X)和1个研究组。,国际电信联盟（ITU-R）和SCC41认知无线电标准化进程表,IEEE 802.11h （针对WiFi 5GHz ） IEEE 802.11y （针对WiFi 3.65GHz3.7GHz ） 动态频率选择 传输功率控制,主要内容,认知无线电 多频带聚合 协同中继 网络编码 多天线技术 COMP 家庭基站,载波聚合技术简介,上下行非对称CA

5、,非对称CA造成的影响 随机接入时DL CC的模糊性问题 ACK/NAK的映射问题以及编码方式,PDCCH, PBCH, PHICH 以PDCCH为例，其分布可分为两种方案： PDCCH(s) 分布在多个CC上 PDCCH(s) 分布在某一个特定的CC上 两种编码方案 各 PDCCH单独编码 各 PDCCH联合编码,资源分配与协调,TDD上下行时隙干扰 由于邻小区之间上下行配置的不同导致在某些时隙上产生干扰。 消除方式 小区间以协作方式工作，采用自适应的帧配置方案 当前研究 CA情形下多个CC上的自适应帧配置方案； 在中继环境下多频带聚合是的CC分配以及帧配置方案。,主要内容,认知无线电 多频

6、带聚合 协同中继 网络编码 多天线技术 COMP 家庭基站,无线中继技术,机会中继的基本概念,机会中继 从可能的中继节点中选择最好的一个中继节点来进行源节点数据的转发 什么是最好？ 对于译码转发（DF）中继，最好的中继就是可以正确解码源端数据，同时到目的节点的信道状况最好 对于放大转发（AF）中继，最好的中继就是源到目的端的等效信噪比最大 机会中继的优点： 不存在分布式空时码的同步问题和功率分配问题 不存在重复转发协作策略存在的带宽扩展问题 从分集性能上可以获得和分布式空时码相同的分集度,异构协同和网络融合,一种无线协同中继网络示意图,协同分集复用自适应研究,研究背景 对于无线中继系统来说，通

7、过多个中继节点的相互协同，每个节点类似协同MIMO中的一根天线，也可以获得协同MIMO增益，提高无线中继系统的性能。 引入无线中继系统协同理论模型，结合压缩转发（CF）、编码转发（DF）等中继转发方式，分析不同中继处理能力（全双工/半双工）和网络几何结构（成簇/非成簇）下，协同中继系统的分集复用折中（DMT）情况。 结论 中继策略中自由度的增加对DMT性能的影响。多天线中继系统和其相应的单天线中继系统之间存在基本的差异。单天线系统中，DF方案可以达到最佳DMT性能，而多天线系统中，DF无法实现最佳DMT。 半双工DMT上界通常低于全双工DMT上界。 成簇的网络结构可以在复用度为的范围内，改善D

8、F方案的DMT性能，使其达到最佳。 MARC信道中，当所有的用户均发生中断为主导中断事件时，CF方案可在高复用度下达到最佳DMT性能。 无线协同中继系统的复用度受限，其DMT性能要次于真正MIMO的DMT性能。,技术挑战,非理想信道状况对机会中继的影响？ 目前讨论的机会中继都是在信道状态信息完全已知的情况下进行，如果信道状态信息非理想（比如有延时，有错误）时，机会中继的性能会下降多少？此时是否采用其它中继方法可以获得更好的性能？ 中继选择公平性和分集性能的折中？ 中继选择的公平性和分集性能之间是否存在折中，如果存在，怎样控制它？ 机会中继中最优中继不可用时的性能损失？ 如果最优中继不可用，那么

9、机会中继选用其它相对次好中继时，可以获得的分集性能是怎样的？ 一般衰落信道下机会中继的性能？ 很多衰落信道，特别是一些通用衰落信道下的机会中继性能还是空白，可以作为后续研究的一个方面,主要内容,认知无线电 多频带聚合 协同中继 网络编码 多天线技术 COMP 家庭基站,网络编码原理,网络编码技术特点 允许中继对多个数据包处理之后再发送 网络编码数学描述 局部编码向量代表中继节点的局部处理方式 全局编码向量代表链路上所传信息与原始信息的关系 网络编码解码机制 接收端获得多条路径的独立信息，通过高斯消去求解线性方程组来恢复原始信息 网络编码性能优势 提高网络吞吐量； 提高系统鲁棒性； 改善网络负载

10、均衡；,网络编码关键技术,双向中继网络中的网络编码性能研究 单源上行中继网络的时域网络编码研究 基于实时网络状态的网络编码机制 结合机会中继和网络编码的网络编码机制 多用户多天线上行中继网络的空域网络编码研究 存在源和基站之间的直射路径 不存在源和基站之间的直射路径 六芒星模型下基于轮询的网络编码性能研究,双向中继网络中的网络编码性能研究,传输机制 传统模式四个时隙，即两个源依次发送，中继依次转发 DF网络编码模式三个时隙，即中继将两个源的信息编码后发送 PNC模式两个时隙，即两个源同时发送，中继转发接收到的和信息 性能分析 吞吐量-PNC模式下能达到直射的频谱效率 鲁棒性-多中继的场景下分集

11、度为中继个数,多用户多天线的空域网络编码研究-1,系统模型 用户单天线，中继基站多天线，且多天线的个数与源个数相等，均为N 传输机制 多个用户占用N个时隙依次广播自身信息，中继和基站均监听 中继选择最佳天线将所有用户信息异或编码之后再发送，基站通过直射和中继综合解码 性能分析 遍历容量 中断概率 分集度,多用户多天线的空域网络编码研究-2,系统模型 MIMO双跳系统，用户单天线，中继基站均为多天线 传输方案 多用户广播完各自数据后，中继节点将接收到的数据进行网络编码处理后再进行AF转发,性能分析 1) 通过对系统的编码矩阵和信道增益矩阵进行特征值分解，对系统的互信息进行化简 2) 根据Wish

12、art矩阵的统计特 性，给出特征值的概率密度函数 3) 给出系统遍历容量和中断概率的闭式解，并对系统的性能进行数值仿真,技术挑战（未来的研究点等。）,功率分配机制 多用户之间资源调度 联合信道编码和网络编码处理 联合星座映射和网络编码机制 网络编码机制的误码率理论分析 无线链路不可靠导致的网络编码错误传播 多天线配置下不同方式的网络编码性能理论分析 适合网络编码应用的系统模型，实际场景,主要内容,认知无线电 多频带聚合 协同中继 网络编码 多天线技术 COMP 家庭基站,增强上下行MIMO技术,多天线技术发展趋势,下行多天线技术： 多流Beamforming：SU-MIMO或MU-MIMO（S

13、DMA） 8天线发送：可实现性存在疑问。 只要能满足IMT-A需求，则限制在4天线以内。 上行多天线技术： 上行SU-MIMO和发送分集：2天线发送比较现实，4天线应暂缓考虑。 上行MU-Beamforming。,主要内容,认知无线电 多频带聚合 协同中继 网络编码 多天线技术 COMP 家庭基站,干扰协调技术-COMP,CoMP类型,联合传输(JP),协作调度(CS/CB),系统仿真,主要内容,认知无线电 多频带聚合 协同中继 网络编码 多天线技术 COMP 家庭基站,Femtocell背景,定义：Femtocell 被称为毫微微小区，是一种小型、低功率蜂窝基站，主要用于家庭及办公室等室内场

14、所，因为也被称为家庭基站，作为蜂窝网在室内覆盖的补充，为用户提供话音及数据业务。,优点： 满足高速业务的需求，解决室内深度覆盖问题 接入方式简单 低成本 低功率 运营商的竞争力增强,缺点： 引入来自宏蜂窝和家庭基站小区的干扰,WCDMA femtocell网络架构,Femtocell关键技术,干扰场景 上行干扰 家庭基站UE对宏基站的干扰 宏基站UE对家庭基站的干扰 家庭基站UE对家庭基站的干扰 宏基站UE对宏基站的干扰,下行干扰 家庭基站对宏基站UE的干扰 宏基站对家庭基站UE的干扰 家庭基站对家庭基站UE的干扰 宏基站对宏基站UE的干扰,Femtocell关键技术,功率控制 作用：通过控制

15、家庭基站以及用户的发射功率来减少干扰 分类 上行功控 下行功控 方法 固定功率发射 通过路损估算发射功率 调整最大发射功率 特定的算法联合调度宏基站和家庭基站的发射功率,Femtocell关键技术,频率分配 动态 静态 要解决的问题 宏基站和家庭基站的频率分配方式 家庭基站之间的频率分配方式,Co-channel,Orthogonal,同频 异频,Femtocell关键技术,自配置 选择合适的载频 选择适当的 LAC /RAC 设置合适的上下行发射功率 生成cell list 完成UE的测量,测量 家庭基站自己感知可用资源 家庭基站间直接交互信息 UE转发测量报告,测量方法,Femtocell关键技术,切换 分类 家庭基站和家庭基站之间的切换 家庭基站向宏小区的切换 宏小区向家庭基站的切换 存在的问题 家庭基站和家庭基站之间的切换及家庭基站向宏小区小区的切换不存在问题，只要在家庭基站中设置相应的邻区列表即可。但宏小区小区向家庭基站的切换中，由于家庭基站数目众多，宏小区邻区列表有限，同时还有相当一部分用于宏小区之间的邻区列表，因此宏小区向家庭基站的切换目前还在讨论当中。 同步 家庭基站需