5G空时信号处理

第1章 绪论 　　本章是全书的开篇，首先概述第五代( 5G)移动通信的主要特点，归纳总结 5G物理层与网络层技术的发展趋势，然后梳理总结 5G移动通信系统的关键技术以及网络结构，*后对 5G中的大规模 MIMO技术进行概要总结。 　　1.1 5G移动通信概述 　　移动通信是通信领域中*具有活力、*具有发展前途的一种通信方式。它是当今信息社会中*具有个性化特征的通信手段。蜂窝式移动通信，就正式商业运营而言，至今也不过 30多年的历史，就其发展历程看，大约每十年更新一代。它的发展与普及改变了社会，也改变了人类的生活方式，它让人们体会到现代化与信息化的气息。目前正处于第四代(4G)与第五代(5G)交接期，而第六代( 6G)也正在进行技术预研。 　　自20世纪 80年代我国引入模拟移动通信网以来，经过短短 30多年的发展，截至 2022年 3月底，全国移动电话用户数已达到 16.6亿，其中 5G用户达 4.03亿，约占移动电话用户总数的 24.3%，居全球**。截止到 2022年 3月底，我国移动通信基站总数达到 1004万个，其中 5G基站总数达 155.9万个，占全球基站总数 60%以上。我国已经建成世界上规模*大、技术*先进的移动通信网络，实现了“3G跟跑、4G并跑、 5G领先”的通信产业发展目标。 　　5G移动通信系统大幅度扩展了移动通信的应用场景，渗透到工业应用、智能交通等各种垂直行业。图 1-1给出了 5G移动通信的三大典型场景，包括增强型移动宽带( enhance mobile broadband，eMBB)、大规模机器通信( massive machine type of communication， mMTC)和低时延高可靠通信( ultra-reliable and low latency communication，uRLLC)。5G提出了“万物互联”的愿景，**次将人 -机-物纳入统一的服务体系中[1]。 　　图1-1 5G移动通信的三大应用场景 　　5G需要实现系统峰值速率、用户体验数据速率、频谱效率、移动性管理、时延、连接密度、网络能效以及区域业务容量性能的全方位提升。其主要实现措施如下。 　　(1)为了支持eMBB场景高速数据传输，将大规模 MIMO(massive MIMO，M-MIMO)技术与滤波 OFDM(filtered-OFDM，F-OFDM)技术相结合，进一步提高了系统频谱效率。 　　(2)为了支持mMTC场景海量用户接入，提出了非正交多址接入( NOMA)概念，包括功率域 NOMA、稀疏编码多址接入( SCMA)、图样分割多址接入( PDMA)、多用户共享接入(MUSA)等多种具有代表性的 NOMA技术，大幅度提升了系统容量。 　　(3)为了满足uRLLC场景的超高可靠性、超低时延特性，以及提高 eMBB场景的信令可靠性，采用逼近信道容量的新一代信道编码 ——极化码( polar code)。 　　(4)为了满足eMBB场景高速数据传输，采用高性能的信道编码 ——低密度校验码 (LDPC code)替代了 3G/4G系统的 Turbo码。 　　(5)为了满足eMBB场景近距离超高速传输，采用毫米波( mmwave)传输、信号带宽扩展到 400MHz～1GHz。 　　目前，第四代( 4G)移动通信系统已经完全普及，第五代( 5G)移动通信系统正在大规模商用化。分析 4G、5G移动通信的发展，可以发现其客观上应遵循的规律，具体而言，包括物理层与网络层两方面的技术演进趋势 [2]。 　　1.1.1 物理层技术趋势 　　5G移动通信的物理层关键技术是在动态环境与条件的限制下满足用户在数量上不断增长、在质量上不断提高的要求，同时要保证用户通信的安全保密性能。它主要包含七个方面的改进与发展。 　　(1)对现有物理层关键技术进一步改进、完善与实用化。 　　例如，在信道编码方面：从串行级联码 →Turbo码→LDPC码/极化码，不断完善；在多址技术方面：从一般场景的 OFDMA演进到大连接场景的 NOMA，新的多址划分技术要实现性能与复杂性的合理折中；同时充分挖掘空间维度满足超高速数据传输需求。 　　(2)重点突出适应高速数据业务的多载波传输技术。 　　作为 4G移动通信的物理层关键技术，正交频分复用( OFDM)已经被普遍应用，采用有效措施能够逐步克服 OFDM系统存在的主要缺点。例如，峰值功率与平均功率的比值过大，频率扩散下正交性能的恶化，同步性能要求高且抗频率扩散性能差，还要求获得精确的信道状态(信道估值准确)等问题。另外，还有多种 OFDM的替代技术值得关注。例如，单载波频域均衡( SC-FDE)技术具有低峰平比、抗干扰能力强的技术优势；非正交的多载波调制技术，包括 FBMC、UFMC以及 GFDM等，可以放松对于时频同步精度的要求，降低接收机复杂度，取消循环前缀( CP)，降低带外泄漏，提高频谱效率；超 Nyquist信号(FTN)传输，能够突破奈奎斯特频带利用率，也具有良好前景。 　　(3)5G移动通信物理层的关键技术的另一个研究重点是突出对物理层的自适应传输技术的研究。其内容涉及如下几方面： 　　①根据接收信号的信噪比，自适应地调整接收机的门限阈值电平； 　　②根据无线信道时变动态特性与用户移动的动态特性，测量与反馈信道质量指标 (CQI)、空间信号流数( RI)、预编码码本序号( PMI)等信道参数，自适应地分配业务、速率、功率、 MIMO模式与码本以及相应调制与编码方式； 　　③根据不同业务的 QoS需求，分配带宽、信道以及相应的调制与编码方式； 　　④综合并统一协调上述各类自适应要求及其实现方式。 　　(4)加强对信道、用户、业务与网络动态性的监测与估计，为匹配系统动态性提供基础。其中：①对信道动态性监测、估值已有一定的基础，今后主要是寻求快速、准确的估值算法； 　　②对用户、业务的动态性的监测，实现对用户实时定位技术的研究与实用化。 　　(5)加强空域与传统的时域、频域相结合的研究，开发空域在移动通信中的巨大潜力，具体实现的技术路线有两条： 　　①从目前的扇区天线出发 →智能式扇区天线 →切换式智能天线 →自适应式波束成形→协作多点传输( CoMP)/无定形(cell free)小区。它是以抑制或滤除干扰、集中信号能量、跟踪用户来改善性能，提高抗干扰性并增大容量。这一思路是受雷达技术中自适应阵列理论与技术的启发与引导而提出的，但是应注意两个领域中的相同点与相异点，不能生搬硬套。 　　②从目前的接收端空间分集技术出发 →发送端分集技术 →空时码与发送分集相结合→MIMO与 OFDMA相结合→多用户 MIMO→网络 MIMO→大规模 MIMO。它是基于无线通信中传统的分集机制，提高发送与接收的综合效应来改善性能、提高抗干扰性，并起到增大容量、改善质量的作用。 　　(6)在5G移动通信系统的优化中，一个值得注意的方向是，在传统的单一部件如在信道编码、调制技术、多用户检测技术等逐个优化的基础上，逐步扩大联合(组合)优化的范围。例如，可以将 Turbo码重复迭代的思想推广至解调、解码的联合迭代中，还可以进一步将其推广至整个接收端乃至整个发、收系统。又如，将极化编码的设计思想推广到整个通信的广义极化设计与优化中，逼近信道容量极限。 　　(7)在5G移动通信的物理层具体实现技术中将逐步向软件无线电方向过渡。 　　①实现硬件设备基带全数字化，以达到数字无线电的目标； 　　②逐步实现软件定义的无线电，即将数字化逐步拓广至中频乃至部分射频，尽可能以软件技术实现原来硬件所完成的功能。 　　③在上述基础上，逐步推出软基站设备和软移动终端设备，实现单一软件平台下综合多媒体软终端的基本功能。然后进一步向多体制、多波段发展。 　　④为了提高无线频谱的利用率，解决无线频率资源紧张的问题，毫米波技术将成为下一代移动通信的物理层关键技术之一。 　　1.1.2 网络层技术趋势5G移动通信的业务拓广和重点业务的转移，在原有移动通信传统的用户和信道二重动态性的基础上又叠加上业务与网络动态性，由于应用场景的扩展，又叠加了通信对象的动态性。这三个动态性的引入不仅在上述物理层上引起很大的变化，而且在网络层上也提出了很多新要求，可以概括为以下五个方面的发展趋势。 　　(1)选定全IP方向，因为它更适合于今后的主流业务移动互联网以及数据和多媒体业务。 　　①这里的全 IP是指信息结构 IP化，协议 IP化，传输、处理、网络全过程均 IP化； 　　②移动全 IP化实现是从核心网 IP化开始，逐步延伸至无线(移动)接入网和空中接口 IP化，直至移动终端 IP化。 　　(2)基于软件定义网络( SDN)架构，实现适用于不同场景的网络切片。 　　①针对三大场景需求，设计基于软件定义网络( SDN)与网络功能虚拟( NFV)的网络架构； 　　②基于 SDN/NFV网络架构，在相同的基础设施上“切”出多个虚拟网络，组织从无线接入、承载到核心网逻辑隔离的网络切片，实现端到端按需定制，适配不同业务的 QoS要求； 　　③深度融合通信与计算，在端-云移动网络架构下，实现高性能的边缘计算。 　　(3)5G移动通信网络的核心技术是网络智能化，它应满足： 　　①配合物理层主要关键技术，特别在网络层配合物理层的自适应传输技术以及其他核心、关键技术的实现； 　　②逐步实现动态智能化无线资源管理，包含对无线资源的估计、呼叫接纳控制、队列调度以及动态无线资源分配全过程的动态智能化管理； 　　③逐步实现动态智能化移动性管理，包含对用户安全性能鉴权、加密，用户登记、显示，信息调用以及用户越区切换与漫游功能管理的全过程智能化管理； 　　④统一协调上述三方面智能化管理。 　　(4)5G移动通信对网络结构也提出了新要求，希望建立分布式天线与多层次小区混合的蜂窝网系统。 　　①在宏蜂窝 /微蜂窝/微微蜂窝 /家用基站等多层次蜂窝网的基础上，在一些特殊地区，如业务密集地区( eMBB场景)、高速公路沿线，可利用分布式天线构成不同形状的小区群，小区群内资源相同不切换，小区群间可实现群切换和滑动式群切换； 　　②引入 Relay节点、分布式天线，以分布式光纤接入网为基础，构建自组织结构网络，目前大城市中光纤到大楼已初步实现，使得在大楼上处处建立分布式天线已成为可能，在此基础上，建立云无线接入网( C-RAN)、无定形小区( cell free)与雾接入网( fog RAN)，实现泛在移动边缘计算。 　　(5)就移动网络技术的长远发展而言，有如下发展倾向： 　　①电信网、计算机网与有线电视网将逐步实现三网融合并*终走向三网合一； 　　②就电信网而言，将逐步从目前的有线(固网)、无线(移动网)两个平行发展网络走向无线侧重于接入网，有线侧重于核心骨干网的分工、协作的统一网络的发展方向，以 IP技术为基础的固网与移动网络融合( FMC)是大势所趋。 　　1.2 5G移动通信系统 　　2017年 12月，3GPP标准组织发布了**版的 5G NR标准，即 3GPP R15标准。这里 NR指 New Radio，即新空口。NR有两种运行模式： SA与 NSA。SA(standalone)指的是 5G单独组网运行的方式，而 NSA(non-standalone)是指 5G非单独组网，需要依靠 LTE进行初始接入与移动性管理。这两种运行方式主要影响高层协议与核心网接口，对于无线接入技术没有影响。