第6章-5G关键技术图文图文ppt课件

CONTENTS 5G关键技术p正交波形和多址技术p非正交波形和多址技术p双工技术p大规模MIMOp毫米波通信p频谱共享技术pD2D通信技术p超密集组网技术p网络切片p5G QQSp5G边缘计算技术pSON技术5G5G移动通信技术移动通信技术第六章 CONTENTS5G关键技术5G移动通信技术第六章5G关键技术1.正交波形和多址技术6核桃AI5G关键技术1.正交波形和多址技术6核桃AI2课程内容：FBMCUFMCGFDMF-OFDM四种新波形技术特点的比较36.1 正交波形和多址技术课程内容：36.1 正交波形和多址技术在面对5G的丰富业务场景需求时OFDM的弱点被放大：（1）CP-OFDM（Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing，带循环前缀的正交频分复用）的灵活性不足以应对5G的多场景应用。uRRLC应用场景要求端到端时延为1ms或低于1ms，同时系统必须具有极短的时域符号和极短的TTI(TransmissionTime Interval，传输时间间隔)，这就需要频域较宽的子载波带宽。（2）CP-OFDM对精确同步有严苛要求。CP-OFDM的优势主要体现在子载波间的正交性上，这就需要精确的同步，但如果在5G mMTCP场景中，要求海量的连接都采用精确的同步，那么网络将存在大量的同步信令，造成网络阻塞。（3）CP-OFDM对零散频段的利用效率不高。在LTE中，CP-OFDM使用矩形窗进行脉冲成形，因此旁瓣功率泄露较大，这会导致严重的子载波间的干扰，而且对零散频段的利用造成极大困难。在中低段频率，连续的频率资源比较稀缺，但是对于物联网应用却具备很大的优势。因此，5G可以有效利用零散频谱，提升物联网应用效果。45G新波形概述：在面对5G的丰富业务场景需求时OFDM的弱点被放大：45G新因此，为了沿袭OFDM技术而且能够适用5G技术，必须为CP-OFDM技术做出改进。当前主流的基于正交的新波形研究主要包括FBMC（Filter Bank Multicarrier，基于优化滤波器设计的滤波器组多载波）、UFMC（Universal Filtered Mutiarrie，通用滤波多载波）、GFDM（Generalized Frequency Division Mulipeing，通用频分复用）和F-OFDM（Filtered OFDM，基于子带滤波的正交频分复用）等。这些新波形的共同特点在于它们都使用了滤波器组技术。55G新波形概述：因此，为了沿袭OFDM技术而且能够适用5G技术，必须为CP-FBMC(基于优化滤波器设计的滤波器组多载波）系统的频谱效率较CP-OFDM系统更高。FBMC在各个子载波上增加了特殊设计的滤波器来改善带外衰减，同时由于带外衰减很快，各个不相邻子载波都是独立的。由于FBMC发射端使用了原型滤波器，接收端也使用了与其匹配的滤波器。所以，在设计FBMC原型滤波器时只需要频域参数的平方满足奈奎斯特（Nyquist）第一准则：l理想低通信道下的最高码元传输速率=2W Baud，其中W是理想低通信道的带宽，单位为赫兹；Baud是波特，即码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。66.1.1 FBMCFBMC(基于优化滤波器设计的滤波器组多载波）系统的频谱效率FBMC与CP-OFDM性能比较76.1.1 FBMCFBMC与CP-OFDM性能比较在4QAM调制情况下信噪比较低时FBMC系统的BER性能要优于CP-OFDM系统在高信噪比时CP-OFDM系统的性能要优于FBMC系统FBMC系统相对CP-OFDM系统具有更优良的特性：(1)无CP方案的使用带来了频谱和功率效率的提升(2)具备较强的抗ISI和ICI能力(3)FBMC系统实现相对简单(4)FBMC系统具有很低的带外功率辐射FBMC与CP-OFDM性能比较76.1.1 FBMCFB由于FBMC滤波器的帧的长度要求使得FBMC不适用于短包类通信业务以及对时延要求较高的业务，所以诞生了一种针对FBMC的改进方案通用滤波多载波技术UFMC。UFMC通过对一组连续的子载波进行滤波操作(其中子载波的个数根据实际应用进行配置)，克服了FBMC系统中存在的不足。当每组中子载波数为1时UFMC就成为FBMC，所以FBMC是UFMC的一种特殊情况，因此UFMC也被称为通用滤波的OFDM。86.1.2 UFMC由于FBMC滤波器的帧的长度要求使得FBMC不适用于短包类通关键是要研究UFMC的时频效率时域方面FBMC：对每一个子载波被进行滤波。对于长突发的传输非常有效，但是对短突发的传输却有致命的缺陷。UFMC：对一组子载波进行滤波。处理时间比FBMC短，时域开销小，适合短突发的传输，支持快速TDD切换，允许低时延模式，支持小数据包传输，能量消耗低，效率高。频域方面FBMC：子载波之间不是相互正交的。UFMC：子载波之间是相互正交的。在FBMC中，其需要一些格外的信令开销来做保护，这些信令的引入使得整个系统的效率较为低下，而这些问题在UFMC中则可避免。在10MHz系统中做仿真比起OFDM，UFMC频谱效率有10%的增益，旁瓣可以低几十个dB，干扰大为降低。96.1.2 UFMC关键是要研究UFMC的时频效率96.1.2 UFMCGFDM是一种灵活的调制方式，它将若干时隙和若干子载波上的符号块视为一帧，能够将数据扩展成时频二维块结构（每个载波上有多个符号），通过在每个子载波上使用可调节的脉冲成形滤波器，使得传输信号展现出很强的频域聚焦特性，降低旁瓣。将线性卷积转换为循环卷积，保护其块状结构的使用，并通过缩短了CP的长度，使得数据在通过多径信道传输后，在接收端可以使用简单的均衡方式GFDM的特性频谱效率较高、带外功率泄露小、每个子载波无需同步。106.1.3 GFDMGFDM是一种灵活的调制方式，它将若干时隙和若干子载波上的符 GFDM和OFDM功率谱从图中可以看到，OFDM在带外的功率泄露区域远远大于GFDM。116.1.3 GFDM GFDM和OFDM功率谱116.1.3 GFDMF-OFDM是一种可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术，是基于OFDM的改进方案。F-OFDM技术的基本思想是：将OFDM载波带宽划分成多个不同参数的子带，并对子带进行滤波，而在子带间尽量留出较少的隔离频带。比如，为了实现低功耗大覆盖的物联网业务，可在选定的子带中采用单载波波形；为了实现较低的空口时延，可以采用更小的传输时隙长度；为了对抗多径信道，可以采用更小的子载波间隔和更长的循环前缀126.1.4 F-OFDMF-OFDM是一种可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术，是 F-OFDM时频资源分配图136.1.4 F-OFDM由于F-OFDM要对不同的子带信号做滤波处理，子带滤波器的时频域特性也就决定了滤波后信号的性能：滤波器时域聚焦可以减少符号间干扰，而滤波器良好的频域聚焦性可以保证滤波后信号有较窄的频域过渡带和很低的带外频谱泄漏，所以，F-OFDM系统滤波器设计的目标是获得兼顾时域与频域聚焦性好的滤波器响应，这将直接影响F-ODMA的链路可靠性。F-OFDM时频资源分配图136.1.4 F-OFDM由于14比较项目比较项目OFDMOFDMFBMCFBMCUFMCUFMCGFDMGFDMF-OFDMF-OFDM是否有是否有CPCP有无无有有滤波粒度滤波粒度按照完整频段按照子载波按照子频段按照子载波按照子频段符号调整模式符号调整模式不限OQAM不限不限不限与与MIMOMIMO难以难以结合结合易较难较难易易6.1.5 四种新波形技术特点的比较14比较项目OFDMFBMCUFMCGFDMF-OFDM是否l由上表不难发现以下几个特点：(1)从CP的取舍来看，FBMC和UFMC都直接舍去了CP，而GFDM和F-OFDM都保留了CP。(2)从滤波粒度的大小来看，新波形相对于ODFM的最大特点在于滤波粒度更为灵活，FBMC和GFDM细化到按子载波进行滤波，UFMC和F-OFDM则是按子频段滤波。(3)从对符号调制的要求来看，FBMC必须使用OQAM调制方式来实现全速率传输，其他几种新波形对于调制方式的要求则较为宽松。(4)GFDM和F-OFDM均与MIMO较易结合，而FBMC和UFMC与MIMO的结合仍有待技术的突破。156.1.5 四种新波形技术特点的比较由上表不难发现以下几个特点：156.1.5 四种新波形技术特5G关键技术2.非正交波形和多址技术6核桃AI5G关键技术2.非正交波形和多址技术6核桃AI16课程内容：PD-NOMASCMAMUSAPDMA四种新波形技术特点的比较176.2 非正交波形和多址技术课程内容：176.2 非正交波形和多址技术NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access，非正交多址接入技术）基本思想：发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除（Serial Interference Cancellation，SIC）按收机实现正确解调。NOMA技术的本质：用提高接收机的复杂度来换取频谱效率。NOMA的子信道传输依然采用正交频分复用技术，子信道之间是正交的，互不干扰，但是一个子信道不再只分配给一个用户，而是多个用户共享。同一子信道上不同用户之间是非正交传输，这样就会产生用户间的干扰问题，这也就是在接收端要采用SIC技术进行检测的目的。在发送端，对同一子信道上的不同用户采用功率复用技术进行发送，不同的用户的信号功率按照相关的算法进行分配，这样到达接收端每个用户的信号功率都不一样。SIC接收机再根据不同用户信号功率大小按照一定的顺序进行干扰消除，实现正确解调，同时也达到了区分用户的目的。18NOMA概述：NOMA（Non-Orthogonal Multiple 目前，主流的NOMA技术主要包括：PD-NOMA(Power Domain Non-Orthogonal Multiple Access，基于功率域复用的非正交多址接入)技术、SCMA(Sparse Code Multiple Access，基于码域复用的稀疏码多址接入)技术、MUSA(Multi-Uuser Shared Access，基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享的接入)技术和PDMA(Patter Division Muliple Access，基于非正交特征图样的图样分割多址)技术等。这些NOMA技术通过开发功率域、码域等用户信息承载资源的方法，极大地拓展了无线传输带宽，使NOMA自身成为在5G mMTC上行场景多址接入的重要候选方案。19NOMA概述：目前，主流的NOMA技术主要包括：PD-NOMA(PowerPD-NOMA（Power Domain Non-Orthogonal Multiple Access，基于功率域复用的非正交多址接入技术）PD-NOMA引入了一个新的维度，即功率域。它根据用户信道质量差异，给共享相同时频空资源的不同用户分配不同的功率，在接收端通过串行干扰删除技术将干扰信号删除，从而实现多址接入和系统容量的提升。PD-NOMA相对OMA可以显著提升单用户速率以及系统和速率，尤其是小区边缘用户速率。206.2.1 PD-NOMAPD-NOMA（Power Domain Non-OrthPD-NOMA方案的发送端和接收端信号处理流程216.2.1 PD-NOMA1基站发送端假设用户1离基站较近，信噪比较高，分配较低的功率，用户2离基站较远，信噪比较低，分配较高的功率。基站将发送给两个用户的信号进行线性叠加，利用相同的物理资源发送出去。2用户1接收端由于分给用户1的功率低于用户2，若想正确译码用户1的有用信号，需先解调/译码并重构用户2的信号，然后进行删除，进而在较好的信噪比条件下译码用户1的信号。3用户2接收端虽然用户2的接收信号中存在传输给用户1的信号干扰，但这部分干扰功率低于用户2的有用信号功率，不会对用户2带来明显的性能影响。因此，可以直接将用户1的干扰当作噪声处理，直接译码得到用户的有用信号。PD-NOMA方案的发送端和接收端信号处理流程216.2.1假设链路仿真采用加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN），近端用户与远端用户的信噪比差值分别为3 dB、6 dB和9 dB。近端用户与远端用户的SNR差值越大，PD-NOMA 的性能增益越大，而当远近用户差值固定时，随着两用户的信噪比增大，PD-NOMA的性能增益也增大。在两用户SNR差值为9 dB，近端用户SNR=10 dB时，最优功率分配因子=0.257 4，此时 PD-NOMA 相对 OMA的性能增益为24%。226.2.1 PD-NOMA基于2个用户的PD-NOMA较OMA的加权和速率增益假设链路仿真采用加性高斯白噪声（Additive WhiteSCMA（Sparse Code Multiple Access，基于码域复用的稀疏码多址接入技术）通过码域稀疏扩展和非正交叠加，将稀疏编码与多维星座调制相结合，实现在相同物理资源数下容纳更多的用户，使得在不影响用户体验的前提下，增加网络总体吞吐量。SCMA是一种广义的低密度扩频技术包含单个或多个数据层，用于实现多用户复用236.2.2 SCMASCMA（Sparse Code Multiple Acce比特到码字的映射过程中，共有6个数据层，每一数据层对应每一个码本。每个码本包含4个码字，码字长度为4，每个码字包含两个非零元素和两个零元素。在映射时，根据比特对应的编号从码本中选择码字，不同数据层的码字直接叠加。比如对于用户1的编码数据00，其选择用户1对应的码本1中第1个码字，对于用户2的编码数据01，其选择其对应码本2中的码字2，其他用户依次类推。246.2.2 SCMA比特到码字的映射过程中，共有6个数据层，每一数据层对应每一个SCMA比特到码字的映射过程256.2.2 SCMASCMA比特到码字的映射过程256.2.2 SCMA采用多维星座图设计可以获得编码和成形增益基于此，SCMA 利用稀疏扩展模式设计和多维调制设计的联合优化，在整个多维星座点之间提供良好的距离特性，以实现编码/成形增益最大化。下图展示了利用多维调制星座点降阶投影后的星座设计（4点星座3点投影）。编码的数据比特首先被映射成了从 SCMA 码本中选出的稀疏码字，然后对码字进行降阶投影后的星座设计。某稀疏码字的非零单元1中映射的01和10数据进行合并，非零单元2映射的00 和 11 数据进行合并，虽然在一个单元中两个符号的非零元素相同，但是在另一单元中的非零元素不同，因此，两个符号依然可以进行区分。通过对码字的降阶投影设计，在接收端就可以减少判断的次数，由4的指数次方降到3的指数次方。266.2.2 SCMA采用多维星座图设计可以获得编码和成形增益266.2.2 S采用降阶投影的SCMA码字设计276.2.2 SCMA采用降阶投影的SCMA码字设计276.2.2 SCMAMUSA（Multi-Uuser Shared Access，基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享的接入技术）MUSA是一种基于复数域多元码的上行非正交多址接入技术MUSA中使用低相关性的短扩频码，有助于降低复杂度、时延、误码率以及功耗。286.2.3 MUSAMUSA（Multi-Uuser Shared AccessMUSA原理示意图首先，各接入用户使用基于SIC接收机的、具有低互相关的复数域多元短码序列对其调制符号进行扩展，然后各用户扩展后的符号可以在相同的时频资源里发送，最后接收端使用线性处理加上码块级SIC来分离各用户的信息。MUSA原理示意图296.2.3 MUSAMUSA原理示意图296.2.3 MUSAMUSA中使用的短随机复扩频码，其实部和虚部由一个多层次的均匀分布的实值集得到，比如-1，1或-1，0，1复扩频码的元素306.2.3 MUSA复扩频码的元素MUSA中使用的短随机复扩频码，其实部和虚部由一个多层次的均PDMA（Patter Division Muliple Access，基于非正交特征图样的图样分割多址技术)PDMA是一种发送端和接收端联合设计的NOMA技术发送端：基于在多用户间引入合理不等分集度提升容量的原理接收端：采用 BP（Error Back Propagation，误差反向传播）算法或者SIC算法进行信号分离检测316.2.4 PDMAPDMA（Patter Division Muliple APDMA基站传输单元 在共享的时频资源上有28个候选的PDMA基本传输单元，0到6对应相同导频资源和不同的PDMA图样矢量，0、7、14、21对应同一PDMA图样矢量和不同的导频资源，其他依此类推。用户进行PDMA基本传输单元映射时，考虑如下约束：基站根据部署场景下的用户数和基站处理器能力来选取PDMA图样矩阵，再根据PDMA图样矩阵的不等分集度特点，考虑终端与基站的距离远近准则，远端用户分配高分集度码字，近端用户分配低分集度码字。326.2.4 PDMAPDMA基站传输单元326.2.4 PDMA基于PDMA和SCMA的NOMA方案与 OMA 之间的离散无记忆信道容量（Discrete Memoryless Channel Capacity，DMCC）性能比较336.2.4 PDMA不同NOMA方案与OMA的DMCC性能比较基于PDMA和SCMA的NOMA方案与 OMA 之间的离散无不同于SCMA，MUSA及PDMA，PD-NOMA在发送端采用多个用户在功率域上进行线性叠加，相较于其他3种技术实现较为简单。在相同信噪比条件下，SCMA的误码率最小，性能最优，MUSA与PDMA性能相近。346.2.4 PDMA6.2.5 四种新波形技术特点的比较不同于SCMA，MUSA及PDMA，PD-NOMA在发送端采35多址技术关键技术优 势存在问题PD-NOMA1.功率域复用 1.系统中用户的公平性较好功率域复用技术待进一步研究，SIC接收机的复杂度依然很高2.SIC 2.提升了系统的频谱利用率和吞吐量SCMA1.低密度扩频1.码本具有一定的灵活性，适用场景广泛1.码本的进一步优化2.多维调制技术2.高维调制技术使星座图增加成形增益 2.降低MPA算法复杂度3.MPA算法迭代3.提升频谱效率3倍以上，上行容量为OFDMA的28倍，下行吞吐率比OFDMA提升5%8%MUSA1.采用复数域多元码序列进行扩频1.低误块率1.用户间的干扰较大2.SIC2.支持大用户数的接入2.低互相关性复数域多元码的设计如何承载更多用户3.提升频谱效率PDMA1.采用特征图样区分不同信号域进行功率域、空域、码域联合或选择性的编码，上行系统容量提升23倍，下行系统频谱效率提升1.5倍1.特征图样的设计待进一步优化2.SIC2.技术复杂度高6.2.5 四种新波形技术特点的比较35多址技术关键技术优 势存在问题PD-NOMA1.功率5G关键技术3.双工技术6核桃AI5G关键技术3.双工技术6核桃AI36课程内容：同时同频全双工灵活全双工376.3 双工技术课程内容：376.3 双工技术双工技术是指终端与网络间上下行链路协同工作的模式5G为了应对三种场景的多种应用，目前主要的双工改进技术有同时同频全双工和灵活全双工同时同频全双工技术允许在同一信道上同时接收和发送，大大提升了频谱效率灵活全双工则能从业务上灵活定义信道的全双工模式386.3 双工技术双工技术是指终端与网络间上下行链路协同工作的模式386.3 同时同频全双工技术（Co-time Co-frequency Full Duplex，CCFD）是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作，使得通信双方在上、下行可以在相同时间使用相同的频率。396.3.1 同时同频全双工同时同频全双工技术（Co-time Co-frequency 40TDDFDD同时同频全双工TDD发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行FDD采用两个对称的频率信道来分别发射和接收信号同时同频全双工通信双方在上、下行可以在相同时间使用相同的频率6.3.1 同时同频全双工三种全双工技术对比40TDDFDD同时同频全双工TDD发射和接收信号是在同一频全双工通信技术从根本上避免了半双工通信中由于信号发送/接收之间的正交性所造成的频谱资源浪费相对于半双工通信而言，全双工通信具有显著的性能优势(1)数据吞吐量增益(2)无线接入冲突避免能力(3)有效解决隐藏终端问题(4)降低拥塞(5)降低端到端延迟(6)提高认知无线电环境下的主用户检测性能等416.3.1 同时同频全双工全双工通信技术从根本上避免了半双工通信中由于信号发送/接收之在全双工模式下，如果发射信号和接收信号不正交，再加上双工器泄漏、天线反射、多径反射等因素，发射信号参杂进接收信号发射端产生的干抗信号比接收到的有用信号要强数十亿倍（大于100dB），因此全双工最核心的技术就是消除这100dB的自干扰。目前消除干扰的技术主要有：(1)天线干扰消除 天线分离方向分离偏振去耦(2)射频主动干扰抑制直接射频干扰抑制间接射频干扰抑制(3)数字干扰消除 导顿估计干扰抑制自适应干扰抑制数控天线去耦426.3.1 同时同频全双工在全双工模式下，如果发射信号和接收信号不正交，再加上双工器随着业务多样化，业务越来越多体现出上下行随时间、地点而变化等特性。目前通信系统采用相对固定的频谱资源分配将无法满足不同小区变化的业务需求。灵活双工（Flexible Full-Duplex）能够根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提高系统资源利用率。436.3.2 灵活全双工随着业务多样化，业务越来越多体现出上下行随时间、地点而变化等44FDD方案的灵活双工配置TDD方案的灵活双工配置 基站A采用的是FDD双工模式，上行频率只能配置为上行符号，下行频率只能配置为下行符号，如果我们将基站A的配置做出变化，根据业务需求配置成不同的上下行符号配比，将上行频带配置为灵活频带以适应上下行非对称的业务需求，如基站B；同样的，在TDD系统中，每个小区可以根据上下行业务量需求来决定用于上下行传输的符号数目，实现方式与FDD中上行频段采用的时域方案类似，如图所示，将会节约一定资源。6.3.2 灵活全双工44FDD方案的灵活双工配置TDD方案的灵活双工配置 45灵活双工符号配置示意3GPP协议规定的可以灵活配置的上下行符号有时域的位置要求，目前共有62种配置格式，其中015的配置格式如图所示。6.3.2 灵活全双工45灵活双工符号配置示意3GPP协议规定的可以灵活配置的上下灵活双工的主要技术难点不同通信设备上下行信号间的相互干扰问题5G系统采用新频段和新的多址方式等为了抑制相邻小区上下行信号间的互干扰，灵活双工将采用降低基站发射功率的方式，使基站的发射功率达到与移动终端对等的水平466.3.2 灵活全双工灵活双工的主要技术难点466.3.2 灵活全双工随着用来传输下行信号的空闲子帧数目的增加，系统整体吞吐量呈线性增长趋势。而且，由于宏站静默后，小站下行信号受到的干扰降低，当有8个空闲上行子帧可用于下行传输时，系统吞吐量达到之前的2倍灵活双工配置对吞吐量的影响47上行频段中下行子帧数目上行频段中下行子帧数目下行吞吐量（下行吞吐量（MbpsMbps）下行吞吐量增益下行吞吐量增益0 0111.940.00%1 1125.77612.36%2 2139.60824.71%3 3153.65437.07%4 4167.34249.40%5 5181.06661.68%6 6194.93474.15%7 7208.76986.38%8 8222.66698.76%9 9236.432111.21%6.3.2 灵活全双工随着用来传输下行信号的空闲子帧数目的增加，系统整体吞吐量呈线5G关键技术4.大规模MIMO6核桃AI5G关键技术4.大规模MIMO6核桃AI48课程内容：大规模MIMO概述大规模MIMO系统模型大规模MIMO的系统架构信道预处理大规模MIMO波束赋形大规模MIMO天线分类及性能496.4 大规模MIMO课程内容：496.4 大规模MIMOMIMO技术即多输入多输出技术是一种在发射端和接收端采用多根天线，使信号在空间获得阵列增益、分集增益、复用增益和干扰抵消等提高系统容量的多天线技术MIMO技术对于提高数据传输的峰值速率与可靠性、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量等都发挥着重要作用506.4.1 大规模MIMO概述MIMO技术即多输入多输出技术506.4.1 大规模MIMO大规模MIMO示意图大规模MIMO技术是指在基站端配置远多于现有系统中天线数若干数量级的大规模天线阵列来同时服务于多个用户516.4.1 大规模MIMO概述大规模MIMO示意图516.4.1 大规模MIMO概述大规模MIMO系统的优点主要体现在以下几个方面：(1)大大提升了系统总容量(2)改善了信道的干扰(3)提升了空间分辨率(4)有效地降低发射端的功率消耗526.4.1 大规模MIMO概述大规模MIMO系统的优点主要体现在以下几个方面：526.4.大规模MIMO系统可以进一步划分为SU-MIMO（Single-User，单用户大规模MIMO系统），以及MU-MIMO（Multi-User，多用户大规模MIMO系统）。SU-MIMO中空间复用的数据流调度给一个单独的用户，以提升该用户的传输速率和频谱效率分配给该UE的时频资源由该UE独占MU-MIMO中空间复用的数据流调度给多个用户，多个用户通过空分方式共享同一时频资源，系统可以通过空间维度的多用户调度获得额外的多用户分集增益多个UE使用相同的时频资源，彼此之间通过空分方式予以区别536.4.2 大规模MIMO系统模型大规模MIMO系统可以进一步划分为SU-MIMO（SinglSU-MIMO中，空间复用的数据流调度给一个单独的用户，以提升该用户的传输速率和频谱效率。在SU-MIMO中，分配给该UE的时频资源由该UE独占。546.4.2 大规模MIMO系统模型SU-MIMOSU-MIMO中，空间复用的数据流调度给一个单独的用户，以提MU-MIMO中，空间复用的数据流调度给多个用户，多个用户通过空分方式共享同一时频资源，系统可以通过空间维度的多用户调度获得额外的多用户分集增益。MU-MIMO中，多个UE使用相同的时频资源，彼此之间通过空分方式予以区别。556.4.2 大规模MIMO系统模型MU-MIMOMU-MIMO中，空间复用的数据流调度给多个用户，多个用户通大规模MIMO 的架构以三个主要功能模块为代表：射频收发单元阵列，射频分配网络和多天线阵列。射频收发单元阵列包含多个发射单元和接收单元发射单元获得基带输入并提供射频发送输出，射频发送输出将通过射频分配网络分配到天线阵列，接收单元执行与发射单元操作相反的工作。RDN（RF Distribution Network，射频分配网络）将输出信号分配到相应天线路径和天线单元，并将天线的输入信号分配到相反的方向。天线阵列可包括各种实现和配置，如极化、空间分离等566.4.3 大规模MIMO的系统架构大规模MIMO 的架构以三个主要功能模块为代表：射频收发单元射频收发单元阵列、射频分配网络和天线阵列的物理位置57大规模MIMO系统架构6.4.3 大规模MIMO的系统架构射频收发单元阵列、射频分配网络和天线阵列的物理位置57大规模通信系统可以根据信道状态信息进行空时编码、预编码、自适应调制、功率控制等，提升通信质量，这个过程就是信道预处理。信道预处理需要从四个方面进行：信道状态信息获取、信道估计、预编码和信号检测。586.4.4 信道预处理通信系统可以根据信道状态信息进行空时编码、预编码、自适应调制1.信道状态信息获取在移动通信系统中，信号传输的有效性依赖于信道状态信息的准确性2.信道估计就是从接收数据中将假定的某个信道模型的模型参数估计出来的过程，信道估计的精度将直接影响整个系统的性能3.预编码预编码技术主要是在发射端对传输信号进行处理的过程，其主要目的是优化传输信号，简化接收端的复杂程度，提升系统容量及抗干扰能力4.信号检测接收端信号检测器主要用于MIMO上行链路中恢复多传输天线发送的期望接收信号，设计出低功耗且低计算复杂度的接收端虽然较为复杂，但具有重大的实际意义596.4.4 信道预处理1.信道状态信息获取596.4.4 信道预处理波束赋形定义波束赋形（Beamforming）又叫波束成型、空域滤波，是一种使用传感器阵列定向发送和接收信号的信号处理技术波束赋形既可以用于信号发射端，又可以用于信号接收端大规模MIMO天线数量更多，波束赋形效果更好606.4.5 大规模MIMO波束赋形波束赋形定义606.4.5 大规模MIMO波束赋形61没有波束赋形技术的普通天线的信号覆盖图有波束赋形技术的普通天线的信号覆盖图在多个用户之间的相干区域是干扰区域通过调整天线阵元的输出，从而产生强方向性的辐射方向图，使辐射方向留的主瓣指向移动终端所在的地方，不会产生干扰6.4.5 大规模MIMO波束赋形61没有波束赋形技术的普通天线的信号覆盖图有波束赋形技术的普波束赋形管理1）波束扫描（Beam Sweeping）波束扫描是波束管理的第一步、整个波束扫描过程采用穷尽搜索法2）波束测量（Beam Measurement）评估接收信号的质量，评估指标包括参考信号接收功率、参考信号接收质量、信号与干扰加噪声比等。62一个基站发射8个波束一个波束组可以包括8个不同空间方向的波束，UE基于接收到的波束参考信号来确定波束索引（波束1-8）6.4.5 大规模MIMO波束赋形波束赋形管理62一个基站发射8个波束一个波束组可以包括8个不3）波束决策（Beam Determination）根据波束测量选择最优波束（或波束组）。UE选择最佳波束，比如测量的参考信号接受功率值最高的波束4）波束上报（Beam Reporting）UE向基站上报波束质量和波束决策信息，以建立基站与终端之间的波束定向通信63UE选择了波束6UE确定波束开始接入基站6.4.5 大规模MIMO波束赋形3）波束决策（Beam Determination）63UE波束选择原理波束赋形工作过程基站使用了8个波束覆盖其服务的小区。在下行过程中，基站依次使用不同指向的波束发射无线信号，执行波束扫描、波束测量、波束决策、波束上报的工作过程646.4.5 大规模MIMO波束赋形波束选择原理646.4.5 大规模MIMO波束赋形波束赋形工作过程：为保证最终得到足够的信号增益，大规模天线阵列所产生的波束通常需要变得很窄。为快速对准波束，5G标准采取了分级扫描的策略，即由宽到窄扫描。第一阶段为粗扫描，基站使用少量的宽波束覆盖整个小区，并依次扫描各宽波束对准的方向第二阶段为细扫描，基站利用多个窄波束逐一扫描已在第一阶段中被宽波束覆盖的方向。对单个用户而言，尽管此时的扫描波束变窄，但所需扫描的范围却已缩小，扫描次数便相应减少656.4.5 大规模MIMO波束赋形波束赋形工作过程：656.4.5 大规模MIMO波束赋形波束估计：基站可以结合用户报告信息进一步估计用户的最佳波束方向，提高现有波束扫描结果的精度并修正波束方向，从而减少或避免进一步细化扫描，可以通过波束估计算法对波束管理过程得到进一步优化。666.4.5 大规模MIMO波束赋形波束估计：基站可以结合用户报告信息进一步估计用户的最佳波束方大规模MIMO天线可以分为如下几类：1.3D-MIMO 空间立体维度全覆盖高精度波束降低干扰，精准覆盖高效空分提升频谱效率2.紧耦合阵列天线紧耦合效应的阵列天线是一种利用天线单元之间的电磁耦合来展宽天线工作带宽的天线阵列3.有源大规模MIMO有源集成天线是由有源辐射功放集成电路与天线振子或微带贴片等辐射单元集成在一起形成的，因而是一个既可产生射频功率，又可直接辐射电磁波的天线模块。676.4.6 大规模MIMO天线分类及性能大规模MIMO天线可以分为如下几类：676.4.6 大规模M5G关键技术5.毫米波通信6核桃AI5G关键技术5.毫米波通信6核桃AI68课程内容：毫米波技术概述毫米波的传播特性毫米波通信的优点5G毫米波技术毫米波基站应用场景696.5 毫米波通信课程内容：696.5 毫米波通信5G的传输速率可实现1Gb/s要实现如此大的速度提升，大体上有两种方法：其一是增加频谱利用率其二是增加频谱带宽毫米波（millimeterwave），通常指频段在30300GHz，相应波长为110mm的电磁波，它的工作频率介于微波与远红外波之间5G NR主要使用两段频率FR1频段的频率范围是450MHz6GHz，又叫sub 6GHz频段FR2频段的频率范围是24.25GHz52.6GHz，第二种就是毫米波mmWave我国工信部已确定将毫米波高频段 24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz 用于5G试验。706.5.1 毫米波技术概述5G的传输速率可实现1Gb/s706.5.1 毫米波技术概述根据通信原理，无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右，因此载波频率越高，可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中，28 GHz频段和60 GHz频段是最有希望使用在5G上的两个频段。28 GHz频段的可用频谱带宽可达1 GHz，而60 GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2 GHz，整个9 GHz的可用频谱分成了四个信道。716.5.1 毫米波技术概述各个频段可用频谱带宽比较根据通信原理，无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右毫米波通信就是指以毫米波作为传输信息的载体而进行的通信毫米波是一种典型的视距传输方式具有“大气窗口”和“衰减峰”降雨时衰减严重对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力726.5.2 毫米波的传播特性频率频率自自由由空空间间传传播播损损耗耗衍射损耗衍射损耗树树叶叶穿穿透透损损耗耗房子穿透损耗房子穿透损耗室内损耗室内损耗总损耗总损耗10GHz+12dB+5dB+4dB+8dB+2dB+31dB28GHz+20dB+10dB+8dB+14dB+5dB+57dB不同频率在不同环境下的传播损耗毫米波通信就是指以毫米波作为传输信息的载体而进行的通信726采用毫米波通信时具有以下的优点：(1)极宽的带宽：(2)波束窄(3)探测能力强(4)安全保密好(5)传输质量高(6)全天候通信(7)元件尺寸小736.5.3 毫米波通信的优点采用毫米波通信时具有以下的优点：736.5.3 毫米波通信的1极宽的带宽通常认为毫米波频率范围为26.5300 GHz，带宽高达273.5 GHz，超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135 GHz，为微波以下各波段带宽之和的5倍，这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。2波束窄在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个12 cm的天线，在9.4 GHz时波束宽度为18，而94 GHz时波速宽度仅为1.8，因此能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。3探测能力强可以利用宽带广谱能力来抑制多径效应和杂乱回波。有大量频率可供使用，有效地消除了相互干扰。在目标径向速度下可以获得较大的多谱勒频移，从而提高对低速运动物体或振动物体的探测和识别能力。6.5.3 毫米波通信的优点1极宽的带宽6.5.3 毫米波通信的优点744安全保密好毫米波通信的这个优点来自两个方面：第一，由于毫米波在大气中传播受氧、水气和降雨的吸收衰减很大，点对点的直通距离很短，超过这个距离信号就会变得十分微弱，这就增加了敌方进行窃听和干扰的难度。第二，毫米波的波束很窄且副瓣低，这又进一步降低了其被截获的概率。5传输质量高由于高毫米波频段通信基本上没有什么干扰源，电磁频谱极为干净，因此毫米波信道非常稳定可靠，其误码率可长时间保持在10-1010-12量级，可与光缆的传输质量相媲美。6全天候通信毫米波对降雨、沙尘、烟雾和等离子的穿透能力要比大气激光和红外强得多。这就使得毫米波通信具有较好的全天候通信能力，保证通信网持续可靠的工作。7元件尺寸小和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多，因此毫米波系统更容易小型化。6.5.3 毫米波通信的优点4安全保密好6.5.3 毫米波通信的优点751.高频帧结构在5G NR的帧结构中，基于不同的参数集，在一个统一的框架下能够灵活生成高频以及低频的帧结构。对于高频，定义较大的子载波间隔，有利于发挥毫米波带宽大的优势，而且高频系统更容易部署动态TDD，可以灵活地变更上下行切换的时间点。如表所示，3GPP定义了适合毫米波的子载波参数76SCSSCS（kHzkHz）50MHz-NRB50MHz-NRB100MHz-NRB100MHz-NRB200MHz-NRB200MHz-NRB400MHz-NRB400MHz-NRB606066132264N.A12012032661322646.5.4 5G毫米波技术3GPP定义的适合毫米波的子载波参数1.高频帧结构76SCS（kHz）50MHz-NRB1002.5G包含帧结构自包含帧自包含帧的意思是解码一个时隙内的数据时，所有的辅助解码信息5G NR的自包含特性同样能带来降低时延、降低接收机复杂性和降低功耗这三大好处5G NR的自包含特性降低了对终端和基站的软硬件配置要求（a）是自包含子帧，具备三个特点：同一子帧内包含DL、UL和GP同一子帧内包含对DL数据和相应的HARQ反馈同一子帧内传输UL的调度信息和对应的数据信息（b）这种方案中HARQ反馈和调度都有更多的时间余量，对终端硬件的处理能力要求较低。而且自包含子帧很容易通过信令指示终端支持这种配置。776.5.4 5G毫米波技术2.5G包含帧结构776.5.4 5G毫米波技术3.高低频混合组网在实际网络中，可以通过将5G高频锚在4G低频或者5G低频上，实现一个高低频的混合组网在这种架构下，低频承载控制面信息和部分用户面数据，高频在热点地区提供超高速率用户面数据786.5.4 5G毫米波技术 高低频混合组网3.高低频混合组网786.5.4 5G毫米波技术 高低频混1.增强高速环境下移动通信的使用体验毫米波等高频段可以应用于宏微结合场景中的微基站覆盖，并通过与双连接技术、小区拓展技术等紧密结合，实现移动性增强，进而满足5G用户体验速率和移动性的指标要求。79毫米波基站应用于高速移动场景6.5.5 毫米波基站应用场景增强高速环境下移动通信的使用体验79毫米波基站应用于高速移动2.基于毫米波的移动通信回程5G采用灵活采用传输媒介，实现多样化的回程部署。基于毫米波的移动通信回程是多样化回程部署的可行方案之一。叠加型网络的组网就将具有很大的灵活性，可以随时随地根据数据流量增长需求部署新的小基站，并可以在空闲时段或轻流量时段灵活、实时关闭某些小基站，从而可以收到节能降耗之效。80毫米波回传6.5.5 毫米波基站应用场景基于毫米波的移动通信回程80毫米波回传6.5.5 毫米波基站5G关键技术6.频谱共享技术6核桃AI5G关键技术6.频谱共享技术6核桃AI81课程内容：频谱共享的定义动态频谱共享实现技术授权的频谱共享分类和原理5G频谱共享部署826.6频谱共享技术课程内容：826.6频谱共享技术频谱共享是指由两个或两个以上用户共同使用一个指定频段的电磁频谱，参与频谱共享的用户主要分为主用和次用户两类。其中，主用户是指最初被授予频段且愿意与其他接入者共享资源的用户，次用户是指其余被允许按照共享规则使用频谱的用户。836.6.1 频谱共享的定义频谱共享是指由两个或两个以上用户共同使用一个指定频段的电磁频从用户权利上区分，频谱使用方式可以分为如下3种：独占授权使用只存在单一主用，具有使用频段的绝对优先权，其他非授权用户不得使用该频段免执照使用用户使用频段不受限制，彼此之间享有同等的使用权利但均不受到保护，需要通过技术手段避免相互产生干扰动态共享使用在保证主用户不受干扰的前提下，通过设计牌照权限，如规定接入时间、接入地点、发射功率、干扰保护等，赋予次用户相应的频谱使用权利，次用户使用数据库、频谱感知、认知无线电等技术，在空间、时间、频率等不同维度上与主用户享频谱846.6.1 频谱共享的定义从用户权利上区分，频谱使用方式可以分为如下3种：846.6.1.认知无线电 1）无线电的定义认知无线电是一个智能无线通信系统，它能感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变传输功率、载波频率和调制方式等系统参数，使系统适应外界环境的变化，从而达到很高的频谱利用率和最佳通信性能。2）认知无线电的特点对环境的感知能力对环境变化的学习能力、自适应性通信质量的高可靠性系统功能模块的可重构性856.6.2 动态频谱共享实现技术1.认知无线电856.6.2 动态频谱共享实现技术3）无线电原理由图可看出，认知无线电设备对周围环境具备探测、感知和分析的能力，环境的定义是全方位的，涉及到地形地貌、人流分布、人流移动、天气气象、温度湿度等等，因此，认知无线电是高智能的，具备人工智能的能力。有了足够的人工智能，在分析无线环境的基础上，再分析当地的频率分配情况、频率应用情况、覆盖情况、干扰情况等，最后利用过去的经验，就能智能地合理地为通信分配频率参数、信道资源、干扰参数、切换参数等等，保证通信正常进行而互不影响。866.6.2 动态频谱共享实现技术认知无线电原理图3）无线电原理866.6.2 动态频谱共享实现技术认知无线电当认知无线电用户发现频谱空洞，使用已授权用户的频谱资源时，必须保证它的通信不会影响到已授权用户的通信，一旦该频段被主用户使用，认知无线电有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，改变发射频率或调制方案，避免对主用户的干扰。6.6.2 动态频谱共享实现技术当认知无线电用户发现频谱空洞，使用已授权用户的频谱资源时，必872.LAALAA（License Assisted Access，许可频谱辅助接入），是一种实现授权频段与免授权频段高效共用的频谱使用方案LAA采用载波聚合技术，聚合授权频谱和免授权频谱88 LAA接入6.6.2 动态频谱共享实现技术2.LAA88 LAA接入6.6.2 动态频谱共享实现技术授权频段作为主载波单元传送关键信息和保证QoS，免授权频段作为辅载波单元，可配置成下行补充链路或上行和下行链路，提供额外的无线资源。免授权频谱资源由基站集中调度分配，通过媒体访问控制单元的激活/去激活操作免授权频谱的使用和释放，从而可动态地使用资源。利用LAA，当LAA基站激活免授权频谱资源时，5G在此免授权频谱上传输蜂窝数据；当LAA基站去激活免授权频谱资源时，Wi-Fi等其他接入系统便可以使用免授权频谱资源，从而实现各接入技术灵活使用免授权频谱的目的。6.6.2 动态频谱共享实现技术授权频段作为主载波单元传送关键信息和保证QoS，免授权频段作893.LSA运营商获得频谱的方式包括频谱协同、并购、拍卖、频谱存取。其中频谱存取的方式称为LSA（License Shared Access，授权共享接入），即当频谱资源无法清理，通过LSA的方式可以将闲置的频谱资源进行共享。90共享可以是静态的，如在固定区域或时段进行共享；也可以是动态共享，如按照频谱所有权的运营商的动态授权，分地域和时段共享。总之，频谱存取是基于频段、地域或时段的频谱资源共享。频谱存取的前提是制定行之有效的频谱存取协议，确保所有利益方的业务质量。6.6.2 动态频谱共享实现技术3.LSA90共享可以是静态的，如在固定区域或时段进行共享一个运营商获取了部分频谱的使用权，他可以授权另外一个运营商在满足一定条件下使用这部分频谱，这个条件就是约束条件1、约束条件2、约束条件3。比如，约束条件1是授权运营商在A地区仅仅在忙时10点到11点使用这部分频谱的后半部分频谱，那么在A地区被授权的运营商就可以在非10点到11点使用这部分频谱的后半部分。授权运营商和被授权运营商根据约束条件共同建立了LSA频谱的服务器，通过LAS控制器进行管理和分配。当被授权运营商需要使用被授权的频谱时，可以通过OAM服务访问LAS控制器，由控制器根据LAS频谱和约束条件分配频谱，实现频谱共享。LSA架构6.6.2 动态频谱共享实现技术一个运营商获取了部分频谱的使用权，他可以授权另外一个运营商在91频谱共享行为分为：基于频谱资源授权方式基于频谱资源分配行为基于次用户的接入方式基于动态频谱分配方法926.6.3 授权的频谱共享分类和原理频谱共享行为分为：926.6.3 授权的频谱共享分类和原理1.基于频谱资源授权方式：授权的频谱共享LSA是不同于传统的频谱授权或是免许可使用之外的一种新型的频谱管理方式。这种方式下每一个要使用共享频段的用户都必须获得授权，这种许可与一般的频谱使用许可不同，是非排他性的，但该频段授权的共享用户的使用必须保证不能影响此频段原所有者的服务质量。也就是说，这种对原有服务的保证与频谱使用的授权是结合在一起的。在授权频谱共享中，原频谱所有者的利益会得到充分的保证。除了要求获得共享授权的用户满足授权条件外，还可以在共享协议中规定原所有者可以在某一时段、某一区域或某一频段排他性地使用频率资源。此外，原频谱所有者可以通过这种授权获得一定经济补偿或其他方面的利益。而对于授权共享的用户而言，这种方式可以使他们在一定情况下获得更多可用的频率资源。6.6.3 授权的频谱共享分类和原理1.基于频谱资源授权方式：授权的频谱共享LSA是不同于传统的932.授权的频谱共享一般分为静态的共享和动态的共享1）静态频谱授权共享授权用户在获得授权前即通过与原频谱所有者及频谱管理机构的协商获得了原频谱所有者的频谱使用情况，从而可以确定自身在哪些区域和时间可以使用这一频段94基于时间的静态授权频谱共享6.6.3 授权的频谱共享分类和原理2.授权的频谱共享一般分为静态的共享和动态的共享94基于时间2）动态频谱授权共享动态频谱授权共享可以通过授权用户与频谱管理机构/原频谱所有者进行实时交互或自身主动实时对频谱使用进行调整的方式实现95授权共享用户通过实时交互获得频谱使用情况6.6.3 授权的频谱共享分类和原理2）动态频谱授权共享95授权共享用户通过实时交互获得频谱使用3）功能细分的授权频谱共享除了以上两种方式，还可以采用一些更细化的技术手段共享频谱(1)改变频谱划分方式，以更大带宽的频谱作为确定频谱分配的单位，而不是将频谱分成非常细小的碎片分别提供给不同应用者使用，从而可以更灵活地通过共享的方式获得较多的连续频谱，也便于用户在空闲的地区、时间或频率提供自身的服务。(2)细化小区覆盖方式。对于部分应用采用限制发射功率等方式减小其覆盖范围，即在条件允许的情况下尽可能多地采用微蜂窝覆盖，使频谱在空间上的共享更加便利。(3)采用更灵活合理的频谱使用优先级划分方式。除了原频谱所有者外，还可以将授权的频谱共享用户分为不同的接入优先级，依次对优先级从高到低的用户提供对应的服务质量保证。966.6.3 授权的频谱共享分类和原理3）功能细分的授权频谱共享966.6.3 授权的频谱共享分类频谱共享重点场景包括：运营商内RAT（Radio Access Technology，无线接入技术）间的频谱共享、运营商间频谱共享、免授权频段的频谱共享、次级接人频谱共享等运营商内RAT间频谱共享的目标频段可以是5G新增频段或现有IMT频段共享频谱的多RAT可以基于共站址宏站，也可以是宏站之间或宏站和小站之间976.6.4 5G频谱共享部署频谱共享重点场景包括：976.6.4 5G频谱共享部署(1)运营商内RAT间频谱共享的目标频段可以是5G新增频段或现有IMT频段。共享频谱的多RAT可以基于共站址宏站(安装在同一个机房的宏站)，也可以是宏站之间或宏站和小站之间。该场景可配合运营商现有的基础载波进行聚合使用。(2)运营商间频谱共享主要针对未发牌的IMT已规划频段。多个运营商可以对热点区域进行小站间的同覆盖，或者是小站与宏站间的同覆盖。(3)免授权频段的频谱共享针对2.4GHz和5GHz等频段，涉及到的站型主要为小站与目标