5G系统无线网络核心技术

5G系统无线网络核心技术
了解5G 系统关键无线技术特征 熟悉5G 系统关键无线技术优势 掌握5G 系统超大规模天线技术 掌握5G 系统关键无线传输技术 掌握5G 系统密集组网 相关策略
✓无线通信系统原理 ✓LTE 网络原理与技术 ✓通信工程与网络技术
先修课程
• 用户体验速率100Mbps
• 用户体验速率1Gbps • 用户峰值速率数十Gbps • 流量密度数十Tbps/km^2
• 低功耗/低成本/广覆盖
• 海量连接（1e6-1e7/km^2）• 空口时延：1ms
• 端到端时延：ms级
• 可靠性：接近100%
体技术带来✓海量设备带来的能耗增加为绿色通信的要求带来
⏹技术原理
–当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交。

–用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比，
从而能够在相同的时频资源共同调度更多
用户。

⏹功能和优势
–若基站配置400根天线，在20MHz带宽的同频复用TDD系统中，每小区用MU-
MIMO方式服务42个用户时，即使小区间
无协作，且接收/发送只采用简单的
MRC/MRT时，每个小区的平均容量也可
高达1800Mbps。

⏹应用场景
–城区宏覆盖、高层建筑、室内外热点、郊区、无线回传链路⏹技术方案
–面向异构和密集组网的massive MIMO网络构架与组网方案–Massive MIMO物理层关键技术
–大规模有源阵列天线技术
–大规模天线与高频段的结合
4G ：3GPP LTE-A 标准
4G ：3GPP LTE 标准
5G
3G ：WCDMA HSPA+标准
大规模天线：基站使用大规模天线阵列（几十甚至上百根天线）
支持SISO ，2×2MIMO ，4×4MIMO 。

下行峰值速率100Mb/s 。

支持2×2MIMO ，下行峰值速率42Mb/s
最多支持8×8MIMO ，下行峰值速率1Gb/s
3G ：WCDMA HSPA 标准
只能使用SISO ，下行峰值速率7.2Mb/s
MIMO C-RAN 分布MIMO
MIMO 技术的演进
用户水平+垂直分布
•
大规模天线应用场景：中心式天线系统
–适用于宏蜂窝小区，中心基站使用大规模天线
–微小区为大部分用户提供服务，而大规模天线基站为微小区范围外的用户提供服务，同时对微小区进行控制和调度
256(8*32)
MRT ZF
天线数
频谱效率
•大规模天线应用场景：分布式天线系统–多根天线分布在区域内联合处理(C-RAN)
–适用于高用户密度或者室内场景
室外密集小小
区部署
分布式大规模
天线阵列
理想回程
理想回程
室内密集小小区
理想回程
室外密集小小区
非理想回程
室内密集小小区
非理想回程
VS
三维立体信号可扩展高层楼宇室内覆盖的深度和广度
三维立体信号可针对不同用户实现垂直面空分，显著提升频谱效率
三维立体信号波束更窄，降低对邻区的干扰
平面信号可实现高层楼宇的室内覆盖
无法实现垂直面空分
平面信号无法在垂直面跟踪用户
传统MIMO 3D-MIMO
扇区天线
3D MIMO 天线
3D MIMO
每个垂直的天线阵子分割成多个阵子（天线数目大幅增加），大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置多根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束
多天线技术的标准化现状
LTE Rel-8
LTE Rel-9
LTE Rel-10
LTE Rel-11
DL MIMO Enhancement
UL MIMO
CoMP
SU-MIMO
MU-MIMO & Beamforming Dual-layer Beamforming
最多 4 层
最多8层
最多2层 最多4层 (rank1-2/UE)
SU 维度
MU 维度 优先级 SU-MIMO MU-MIMO Network MU-MIMO
• MIMO 技术的性能增益来自于多天线信道的空间自由度 • 维度扩展始终是MIMO 技术演进的重要方向
大规模天线核心技术
CSI-1
CSI-2 CSI-3 CSI-4 CSI measurement &
feedback
Transmission
3D-GoB
Active Antenna System (AAS)
•更多的基带可控通道，维度扩展成为可能
•2D AAS阵列中的水平/垂直基带可控通道•UE-specific 3D-MIMO
•垂直扇区化
•灵活的 RET
•多RAT独立tilt调整
•降低功率损耗，更高的最大发射功率
•顺应C-RAN趋势：云计算+AAS
•降低维护成本
3D MIMO有利于：
☐在密集的城市环境中对不同楼层的室内覆盖
☐降低对邻小区干扰
☐实现小区内多用户干扰协调
BBU
AAS
峰速：4Gbps
⏹技术原理
–PDMA图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Acess）是一种基
于多用户通信系统整体优化的新型
非正交多址接入技术，通过发送端
和接收端的联合设计，在发送端采
用功率/空间/编码等多种信号域的单
⏹技术方案
–发射端图样设计
–导频设计
–与MIMO结合
–低复杂度检测算法
⏹应用场景
–宏蜂窝及宏微蜂窝异构网络
图样分割多址接入
1G
2G
3G 4G
正交多址接入技术
−
已有通信标准都采用正交接入技术
发端非正交传输，接收端串行干扰抵消检测，能够达到多用户信道容量。

但是串行干扰抵消存在差错传播问题，制约了其检测性能（检测性能是达到多用户容量界的关键）。

PDMA使用发送端和接收端联合优化的设计，在发送端引入不一致的分集度，在接收端采用渐进最大似然检测，能够逼近多用户信道容量。

差
错传播问题
提高先检测用户的正确概率
改进检测算法
•先检测的用户的分集度低
发端引入不一致的分集度
•消息传递算法->渐进最大似然
稀疏编码
PDMA的最基本特征：在复用相同资源的多用户之间通过PDMA图样（稀疏）引入不一致的发送分集度。

资源 1
资源 2
资源 3
资源 4
用户 1用户 2用户 3用户 4用户 5用户 6
非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access: NOMA)
●F-OFDM 波形技术：根据业务灵活配置 ●SCMA 稀疏码本多址：多维调制、扩频
●PDMA 图样多址：功率域、空间域、码域
●MUSA 多用户多址：非线性SIC 接收机
PDMA是LTE演进和5G新空口用来提升频谱效率和系统容量的增强型技术
PDMA是一种基于发送端和接收端联合优化的新型多址接入技术，在发送端采用利于接收端使用串行干扰抵消的图样设计来区分多用户，在接收端采用低复杂度高性能的串行干扰抵消算法来逼近最大似然检测的性能。

u
可以提升上行频谱效率300%
●小基站根据上下行业务量灵活自适应 ●上下行信号对称统一消除上下行干扰 ●宏站管理、控制；小站业务、低功率
灵活双工
全双工
●自干扰抑制
空间域：天线位置、空间零陷波束、高隔离收发天线。

射频域：构建与接收自干扰信号幅相相反的对消信号。

数字域：残存线性与非线性自干扰进行重建消除。

TX
RX
灵活双工技术
基本原理
• 随着在线视频业务的增加，以及社交网络的推广，未来移动流量呈现出多变特性：上下行业务需求随时间、地点而变化等，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。

应用场景
• 低功率节点的小基站 • 低功率的中继节点
在现有基础上，理论上信道容量提升1倍
多天线对消方案
•时分双工
上下行链路同频，分时 •频分双工
上下行链路分频，同时 •
全双工
上下行链路同频，同时 目前国外已建立试验平台，国内开展研究较少
需要解决的关键技术问题：设备
• 核心问题是本地设备自己发射的同时同频信号（即自干扰）如何在本地接收机中进行有效抑制。

涉及的通信理论与工程技术研究已在业界全面展开，目前形成了空域、射频域、数字域联合的自干扰抑制技术路线，20MHz带宽信号自干扰抑制能力超过了115dB。

• 空域自干扰抑制主要依靠天线位置优化、空间零陷波束、高隔离度收发天线等技术手段实现空间自干扰的辐射隔离；
• 射频域自干扰抑制的核心思想是构建与接收自干扰信号幅相相反的对消信号，在射频模拟域完成抵消，达到抑制效果；
• 数字域自干扰抑制针对残余的线性和非线性自干扰进一步进行重建消除。

需要解决的关键技术问题：组网
• 同时同频全双工释放了收发控制的自由度，改变了网络频谱使用的传统模式，将会带来用户的多址方式、无线资源管理等技术的革新，需要与之匹配高效的网络体系架构。

• 业界普遍关注和已经初步研究的方向包括：
• 全双工基站与半双工终端混合组网的架构设计
• 终端互干扰协调策略
• 全双工网络资源管理
• 全双工LTE的帧结构
仿真条件
•
OFDM 传输波形技术
–
OFDM 是当前Wi-Fi 和LTE 标准中的高速无线通信的主要传信模式
OFDM mod. (IFFT)
CP insertion
OFDM demod. (FFT)
CP removal
•
新型传输波形技术——滤波器组多载波 （Filterbank multicarrier ：FBMC ）
OFDM mod.
(IFFT)
Tx Filter Bank
Noise
OFDM demo d. (FFT)
Rx Filter Bank
r
Receive r
传统OFDM 功率谱 FBMC 功率谱
1G
2G
3G
4G
5G
256QAM
LDPC Polar
空间调制系统
空间调制（Spatial Modulation: SM ）
☐以天线的物理位置来携带部分发送信息比特，将传统二维映射扩至三维映射，提高频谱效率。

☐每时隙只有一根发射天线处于工作状态，避免了信道间干扰与天线同步发射问题，且系统仅需一条射频链路，有效地降低了成本。

频率正交幅度调制（Frequency Quadrature-amplitude Modulation: FQAM）
☐将频移键控（FSK）与正交幅度
调制（QAM）相结合，提高频
谱效率。

☐用于多小区下行链路中，能够提
高小区边缘用户的通信质量。

⏹技术原理
–增加单位面积内小基站的密度，通过在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强、
消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量。

⏹功能和优势
–满足热点地区500-1000倍的流量增长的需求（几十Tbps/k㎡, 1百万连接/k㎡，1Gbps用户
体验速率）
⏹应用场景
–密集街区、密集住宅、办公室、公寓、大型集会、体育场、购物中心、地铁⏹技术方案
–5G高密度小区的网络架构
–干扰管理
–移动性管理
–连接管理
–多层，多RAT融合组网
–节能
–
SON
大型露天集会
超密集组网UDN场景
超密集组网关键技术
干扰抑制与管理移动性管理联合传输与反馈
信息密度非均匀新组网架构面临的主要问题
微小区
WLAN
60G
Hz
宏蜂窝问题1:异构无线网络如何协同工作
问题2:复杂环境下信道如何建模
问题3:
+
精细化覆盖是5G的重要发展方向
超密集组网的应用场景
街道
先进的联合传输
先进的干扰管理
以用户为中心的网络架构
无线回传和自组织自优化
超密集组网是LTE 演进和5G 新空口满足热点高容量的最有效方式
构建室内、室外密集组网环境
☐室外建设8个小站，覆盖300平米，容量密度超过10Tbps/km 2
•流量密度达到10Tbps/km 2
•
协作传输大幅提升边缘性能近10倍
☐提供支持分布式大规模多天线接入
☐室内超过10个小站密集组网，支持多种5G 接入网架构的试验
室外
室内。