搜索
5G的关键技术无线接入部分1.大规模MIMO技术MIMO技术将传统的时域、频域、码域三维扩展为了时域、频域、码域、空域四维，新增纬度极大的提高了数据传输速率。随着天线能力和芯片处理能力的增强，目前MIMO技术从2*2MIMO发展为了8*8MIMO，从单用户MIMO发展为了多用户MIMO和协作MIMO。目前MIMO技术的新进展包括三个方面：从无源到有源，从二维(2D)到三维(3D)，从高阶MIMO到大规模阵列。有源天线系统（AAS）在天线系统中集成射频电路功能，从而提高能量效率，降低系统的功耗；提高波束赋行能力，进一步提高系统的容量性能；降低站址维护和租赁费用：3DMIMO支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖性能。大规模阵列MIMO提供了更强的定向能力和赋形能力：多维度的海量MIMO技术，将显著提高频谱效率，降低发射功率，实现绿色节能，提升覆盖能力，而如今大规模MIMO仍旧面临一些问题，如大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制、天线的规模尺寸、实际工程安装和使用场景等问题，这些问题的探讨和成果会成为未来5G的重要发展方向。------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------___________________________________________________________________________MIMO技术已经广泛应用于WIFI、LTE等。理论上，天线越多，频谱效率和传输可靠性就越高。大规模MIMO技术可以由一些并不昂贵的低功耗的天线组件来实现，为实现在高频段上进行移动通信提供了广阔的前景，它可以成倍提升无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源。我们以一个20平方厘米的天线物理平面为例，如果这些天线以半波长的间距排列在一个个方格中，则：如果工作频段为3.5GHz，就可部署16副天线；如工作频段为10GHz，就可部署169根天线。。。。。3D-MIMO技术在原有的MIMO基础上增加了垂直维度，使得波束在空间上三维赋型，可避免了相互之间的干扰。配合大规模MIMO，可实现多方向波束赋型。______________________________________________________________________________________________________________________________________________________多天线技术作为提高系统频谱效率和传输可靠性的有效手段,已经应用于多种无线通信系统,如3G系统、LTE、LTE-A、WLAN等.根据信息论,天线数量越多,频谱效率和可靠性提升越明显.尤其是,当发射天线和接收天线数量很大时,MIMO信道容量将随收发天线数中的最小值近似线性增长.因此,采用大数量的天线,为大幅度提高系统的容量提供了一个有效的途径.由于多天线所占空间、实现复杂度等技术条件的限制,目前的无线通信系统中,收发端配置的天线数量都不多,比如在LTE系统中最多采用了4根天线,LTE-A系统中最多采用了8根天线[4].但由于其巨大的容量和可靠性增益,针对大天线数的MIMO系统相关技术的研究吸引了研究人员的关注,如单个小区情况下,基站配有大大超过移动台天线数量的天线的多用户MIMO系统的研究等[5].进而,2010年,贝尔实验室的Marzetta研究了多小区、TDD(timedivisionduplexing)情况下,各基站配置无限数量天线的极端情况的多用户MIMO技术,提出了大规模MIMO(largescaleMIMO,或者称MassiveMIMO)的概念[6],发现了一些与单小区、有限数量天线时的不同特征.之后,众多的研究人员在此基础上研究了基站配置有限天线数量的情况[7].在大规模MIMO中,基站配置数量非常大(通常几十到几百根,是现有系统天线数量的1_2个数量级以上)的天线,在同一个时频资源上同时服务若干个用户.在天线的配置方式上,这些天线可以是集中地配置在一个基站上,形成集中式的大规模MIMO,也可以是分布式地配置在多个节点上,形成分布式的大规模MIMO.值得一提的是,我国学者在分布式MIMO的研究一直走在国际的前列[8_10].大规模MIMO带来的好处主要体现在以下几个方面:第一,大规模MIMO的空间分辨率与现有MIMO相比显著增强,能深度挖掘空间维度资源,使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信,从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率.第二,大规模MIMO可将波束集中在很窄的范围内,从而大幅度降低干扰.第三,可大幅降低发射功率[7],从而提高功率效率.第四,当天线数量足够大时,最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优,并且噪声和不相关干扰都可忽略不计.近两年针对大规模MIMO技术的研究工作主要集中在信道模型、容量和传输技术性能分析、预编码技术、信道估计与信号检测技术等方面[1114],但还存在一些问题:由于理论建模和实测模型工作较少,还没有被广泛认可的信道模型;由于需要利用信道互易性减少信道状态信息获取的开销,目前的传输方案大都假设采用TDD系统,用户都是单天线的,并且其数量远小于基站天线数量.导频数量随用户数量线性增加,开销较大,信号检测和预编码都需要高维矩阵运算,复杂度高,并且由于需要利用上下行信道的互易性,难以适应高速移动场景和FDD(frequencydivisionduplexing)系统;在分析信道容量及传输方案的性能时,大都假设独立同分布信道,从而认为导频污染是大规模MIMO的瓶颈问题,使得分析结果存在明显的局限性,等等.因此,为了充分挖掘大规模MIMO的潜在技术优势,需要深入研究符合实际应用场景的信道模型,分析其对信道容量的影响,并在实际信道模型、适度的导频开销、可接受的实现复杂度下,分析其可达的频谱效率、功率效率,并研究最优的无线传输方法、信道信息获取方法、多用户共享空间无线资源的联合资源调配方法.针对以上问题的研究,存在诸多的挑战,但随着研究的深入,大规模MIMO在5G中的应用被寄予了厚望[15],可以预计,大规模MIMO技术将成为5G区别于现有系统的核心技术之一.2.同时同频全双工同时同频全双工技术是指在相同的频谱上，通信的双方同时发送和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可以提高空口频谱效率1倍。全双工技术能够突破传统FDD和TDD方式的频谱资源使用限制。然而，全双工意味着干扰的产生，对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时还存在相邻小区同频干扰问题。在多天线及组网场景下，全双工技术的应用难度更大。______________________________________________________________________________________________________________________________________全双工通信技术指同时、同频进行双向通信的技术.由于在无线通信系统中,网络侧和终端侧存在固有的发射信号对接收信号的自干扰,现有的无线通信系统中,由于技术条件的限制,不能实现同时同频的双向通信,双向链路都是通过时间或频率进行区分的,对应于TDD和FDD方式.由于不能进行同时、同频双向通信,理论上浪费了一半的无线资源(频率和时间).由于全双工技术理论上可提高频谱利用率一倍的巨大潜力,可实现更加灵活的频谱使用,同时由于器件技术和信号处理技术的发展,同频同时的全双工技术逐渐成为研究热点,是5G系统充分挖掘无线频谱资源的一个重要方向[31_34].但全双工技术同时也面临一些具有挑战性的难题.由于接收和发送信号之间的功率差异非常大,导致严重的自干扰(典型值为70dB),因此实现全双工技术应用的首要问题是自干扰的抵消[35].近年来,研究人员发展了各类干扰抵消技术,包括模拟端干扰抵消、对已知的干扰信号的数字端干扰抵消及它们的混合方式、利用附加的放置在特定位置的天线进行干扰抵消的技术等[36;37],以及后来的一些改进技术[38].通过这些技术的联合应用,在特定的场景下,能消除大部分的自干扰.研究人员也开发了实验系统,通过实验来验证全双工技术的可行性[37;39],在部分条件下达到了全双工系统理论容量的90%左右.虽然这些实验证明了全双工技术是可行的,但这些实验系统都基本是单基站、小终端数量的,没有对大量基站和大量终端的情况进行实验验证,并且现有结果显示,全双工技术并不能在所有条件下都获得理想的性能增益.比如,天线抵消技术中需要多个发射天线,对大带宽情况下的消除效果还不理想,并且大都只能支持单数据流工作,不能充分发挥MIMO的能力,因此,还不能适用于MIMO系统;MIMO条件下的全双工技术与半双工技术的性能分析还大多是一些简单的、面向小天线数的仿真结果的比较,特别是对大规模MIMO条件下的性能差异还缺乏深入的理论分析[40;41],需要在建立更合理的干扰模型的基础上对之进行深入系统的分析;目前,对全双工系统的容量分析大多是面向单小区、用户数比较少,并且是发射功率和传输距离比较小的情况,缺乏对多小区、大用户数等条件下的研究结果,因此在多小区大动态范围下的全双工技术中的干扰消除技术、资源分配技术、组网技术、容量分析、与MIMO技术的结合,以及大规模组网条件下的实验验证,是需要深入研究的重要问题.——————————————————————————————————————————————————————————————————3.基于滤波器组的多载波技术FBMC在OFDM系统中，各个子载波在时域相互正交，它们的频谱相互重叠，因而具有较高的频谱利用率。OFDM技术一般应用在无线系统的数据传输中，在OFDM系统中，由于无线信道的多径效应，从而使符号间产生干扰。为了消除符号问干扰(ISI)，在符号间插入保护间隔。插入保护间隔的一般方法是符号间置零，即发送第一个符号后停留一段时间(不发送任何信息)，接下来再发送第二个符号。在OFDM系统中，这样虽然减弱或消除了符号间干扰，由于破坏了子载波间的正交性，从而导致了子载波之间的干扰(ICI)。因此，这种方法在OFDM系统中不能采用。在OFDM系统中，为了既可以消除ISI，又可以消除ICI，通常保护间隔是由CP（CyclePrefix，循环前缀来)充当。CP是系统开销，不传输有效数据,从而降低了频谱效率。而FBMC利用一组不交叠的带限子载波实现多载波传输，FMC对于频偏引起的载波间干扰非常小，不需要CP（循环前缀），较大的提高了频率效率。——————————————————————————————————————————————————————————————————由于在频谱效率、对抗多径衰落、低实现复杂度等方面的优势,OFDM(orthogonalfrequencydi-visionmultiplexing)技术被广泛应用于各类无线通信系统,如WiMaX、LTE和LTE-A系统的下行链路,但OFDM技术也存在很多不足之处.比如,需要插入循环前缀以对抗多径衰落,从而导致无线资源的浪费;对载波频偏的敏感性高,具有较高的峰均比;另外,各子载波必须具有相同的带宽,各子载波之间必须保持同步,各子载波之间必须保持正交等,限制了频谱使用的灵活性.此外,由于OFDM技术采用了方波作为基带波形,载波旁瓣较大,从而在各载波同步不能严格保证的情况下使得相邻载波之间的干扰比较严重.在5G系统中,由于支撑高数据速率的需要,将可能需要高达1GHz的带宽.但在某些较低的频段,难以获得连续的宽带频谱资源,而在这些频段,某些无线传输系统,如电视系统中,存在一些未被使用