靈活的實體層設計 | 帶你讀《5G系統關鍵技術詳解》之二

第 1 章 5G 系統新技術的概況

1.4 非正交多址接入

1.5 靈活的實體層設計

如 1.1 節所述，5G 網絡旨在不僅支援語音和移動網際網路應用，還支援 IoT、M2M、 觸覺網際網路和車載通信等應用。這些應用在延遲、可靠性和功耗方面都有不同的要求。 在過去十年裡，正交頻分複用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和 OFDMA 已經成為用于為 IEEE 802.11 無線區域網路（WLAN，Wireless Local Area Networks）、全球微波互聯接入（WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave Access） 和 LTE-A 等全球主要寬帶無線通信系統提供高資料速率業務的主要實體層技術。然而， OFDM/OFDMA 系統具有以下缺點： （1）基于 OFDM 的系統具有高的峰值與平均功率比 （PAPR，Peak-to-Average Power Ratio），其需要在發射機處使用功率低效的線性功率放大 器；（2）OFDM 符号的矩形脈沖形狀導緻大的頻譜旁瓣和高帶外輻射； （3）副載波正交 性對載波頻偏和相位噪聲敏感。是以，現有的 OFDM 技術可能不太适合傳輸一些 5G 應 用的資料。是以，已經提出了幾種替代的非正交波形，并且将考慮用于 5G 實體層。有希 望的備選是濾波器組多載波（FBMC，Filterbank Multicarrier）、通用濾波多載波（UFMC， Universal Filtered Multicarrier）和廣義頻分複用（GFDM，Generalized Frequency Division Multiplexing）[25]。這些非正交信令方案通過嘗試将新特征引入到信号和幀結構中來克服 OFDM/OFDMA 的限制。例如，GFDM 基于獨立塊的調制，每個塊由多個子載波和子符 号組成。在 GFDM 中，采用循環前（CP，Cyclic Prefixes）和循環濾波。特别是，GFDM 通過循環濾波利用“咬尾”技術減小信号脈沖尾部的長度，GFDM 的循環信号結構也使 得能夠在包含多個 GFDM 符号的整個資料塊中使用一個 CP，相比于傳統的 OFDM 技術 改善了頻譜效率。實際上，GFDM 是一種靈活的實體層方案，因為在特殊情況下它涵蓋 了 CP-OFDM 和單載波頻域均衡（SC-DFE，Single-Carrier Frequency Domain Equalization） 。 此外，GFDM 允許根據信道屬性和應用類型調整每個資料符号的時間和頻率間隔。在第 7 章中将介紹包括接收機設計和硬體實作在内的 GFDM 的細節。

1.6 大規模MIMO

多天線技術是目前和未來無線通信系統的關鍵要素。為傳統的 MIMO 通信系統設想 的天線數量已經被限制在相對較小的範圍，比如 20 或更少。然而，近期已經表明，如果 基站的天線數量增加到數百甚至數千個，多使用者 MIMO 通信系統會表現出若幹有利的特 性[26]，進而産生所謂的大規模 MIMO 系統。是以，自 2010 年以來，一直在對大規模 MIMO 系統進行大量的理論和實驗研究。

衆所周知，與傳統的單輸入單輸出（SISO，Single-Input Single-Output）系統相比， MIMO 通信系統在頻譜、功率和能效方面都實作了實質性的增長。實際上已經有研究表 明在理想條件下具有 T N 個發射天線和 R N 個接收天線的點對點 MIMO 系統的容量随着 { } TRmin , NN 線性縮放，這在文獻[27, 28]中被稱為複用增益。然而，點對點 MIMO 系 統在實踐中具有兩個缺點：第一，由于尺寸、功耗和成本限制，移動終端（例如智能電 話）可容納的天線數量受到限制，這對可實作的複用增益有不利影響；第二，在強幹擾 （例如在小區邊緣）、不利的信道條件（例如不充分的散射）以及由移動終端的尺寸限制 規定的窄天線間隔等的影響下，多路複用增益可能消失。點對點 MIMO 系統的缺點可 以通過多使用者 MIMO 系統來克服[29~31]。在多使用者 MIMO 系統中，具有多個天線（例如 基站）的中心節點服務大量的具有較少天線的（移動）使用者。是以，可以使得移動終端 的信号處理複雜度較低，尤其是單天線終端的情況。此外，由于使用者在整個小區的空間 分布，終端的角度間隔通常超過陣列的瑞利分辨率，并且不同使用者的信道可以被認為是獨立的。然而，系統中的多使用者引入了中間使用者幹擾，需要分别通過對用于下行鍊路（即 基站到使用者）和上行鍊路（即使用者到基站）傳輸的發射機和接收機進行适當的處理以減 輕幹擾。上行鍊路信道可以認為是經典的多址信道，從 CDMA 系統大量的文獻中可以 知道許多合适的線性和非線性接收機處理技術[32]。是以，雖然計算相對複雜，但是非 線性接收機結構要比線性結構的性能更好。下行鍊路信道是廣播信道，在發射機處需要 合适的預編碼技術以實作高性能。髒紙編碼是高斯 MIMO 廣播信道實作佳容量的預 編碼技術[29, 30]，然而，它在實際實作時需要很高的計算複雜度。是以，兼顧性能和複 雜度的預編碼方案，如迫零（ZF，Zero-Forcing）預編碼、小均方誤差（MMSE，Minimum Mean-Square Error）預編碼和正則化迫零預編碼的線性預編碼技術已經引起了相當多的 關注[33, 34]。

對對于上行鍊路和下行鍊路傳輸，基站 CSI 的可用性對利用多使用者 MIMO 系統的全部 潛能至關重要。這對上行鍊路并不是十分重要，使用者可以簡單地通過資料分組發送導頻 符号。在下行鍊路中，信道估計更具挑戰性，佳信道估計方法取決于所使用的雙工類 型。在頻分雙工（FDD，Frequency Division Duplex）系統中，在上行鍊路和下行鍊路傳 輸中使用不同的載波頻率，并且上下行鍊路信道是互相統計獨立的。是以，每個基站天 線必須首先發送導頻，這使得使用者能夠估計它們各自的下行鍊路信道。随後，每個使用者 必須将其信道估計回報給基站。假設 K 個使用者，所需回報符号的數量以 TNK線性增長。 此外，對于時分雙工（TDD，Time Division Duplex）系統，在上行鍊路和下行鍊路中使 用相同的載波頻率。是以，假設相幹時間足夠大，上行鍊路和下行鍊路信道是互逆的， 基站可以基于使用者發送的導頻估計上行鍊路信道以獲得下行鍊路信道估計。在這種情況 下，所需的導頻數量随着使用者數量 K 而線性增加，但與基站天線的數量無關。

與使用相對較少數量的基站天線（例如少于 20 個）的傳統多使用者 MIMO 系統不同， 大規模 MIMO 系統将采用數百甚至數千個基站天線。雖然天線數量的大幅增加在收發器 設計和實作方面帶來了新的挑戰，但它在信号處理和通信方面具有一些優勢。例如，如 果基站天線的數量比系統中的使用者數量大得多，則在基站處的簡單比對濾波（MF， Matched-Filter）預編碼（下行鍊路）和 MF 檢測（上行鍊路）接近優性能，便于基站 和使用者終端的低複雜度信号處理。然而，如第 8 章所述，随着使用者數量的增加，ZF 和 MMSE 預編碼和檢測方案可以實作顯著的性能提升。此外，随着基站天線數量的增加， 如小尺度衰落和噪聲的随機損耗被平均化。在大規模 MIMO 系統中為了保持 CSI 采集的 信令開銷可管理，TDD 系統是較優的，因為對于 FDD 系統，CSI 回報量随着基站天線數 量的增加而增加。然而，大規模 MIMO 系統的主要危害是所謂的導頻污染，導頻污染是由不同小區中相同（或線性相關）導頻序列的重用造成的。這種重用是不可避免的，因 為對于給定的導頻序列長度，線性獨立導頻序列的數量是有限的。近，已經提出了幾 種有效的技術來解決導頻污染問題[35, 36]。

大規模 MIMO 也具有顯著提高能效的潛力。在參考文獻[37]中已經表明，如果 T N 增 長很快，并且所有其他系統參數被假定為恒定，多使用者大規模 MIMO 系統中每個使用者的 發射功率對完善和不完善的 CSI 資訊會分别按比例縮小到 T 1/N 和 T 1/ N ，但是不影響吞 吐量和可靠性。是以，大量 MIMO 系統為更節能和“更環保”的通信網絡提供了一個簡 單的途徑。此外，未來無線通信系統的主要關注點是安全性和隐私性，大規模 MIMO 非 常适合解決這些問題。實際上，由于有大量的空間自由度，大規模 MIMO 可以保護蜂窩 系統免遭被動[38]和主動[39]的竊聽。

由于其良好的性能，大規模 MIMO 将成為 5G 系統的核心技術之一[3]。然而，大規 模 MIMO 仍然存在許多具有挑戰性的開放研究問題。例如，由于大規模 MIMO 系統的規 模龐大，需要使用便宜的硬體元件節約成本。然而，這反過來又引起了如相位噪聲、同 相/正交相位不平衡和放大器非線性等硬體損耗，這些必須被适當地處理以避免性能下降[40]。 此外，由大規模的基站天線引起的信道硬化效應需要設計新的資源配置設定和使用者關聯算法。 大規模 MIMO 系統和排程協定将分别在第 8 章和第 15 章中詳細讨論。

1.7 全雙工通信