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5G之后,值得关注的四大无线技术

时间:2019-12-03 阅读:
今天,主流5G部署采用5G中频段,其折中了容量与覆盖优势,兼顾了室外与室内覆盖,并通过Massive MIMO技术进一步提升了小区容量和覆盖,让运营商可以基于现有4G站址建设一张广覆盖的5G网络。但面向未来流量成倍增长,单靠有限的中频段资源肯定是不够的,为此运营商不得不扩展到毫米波频段,但毫米波信号覆盖范围不过一两百米,根本无法从室外抵达室内,这给网络建设投资带来了空前的压力。怎么办?

5G NR本是一个矛盾的综合体,容量与覆盖难以兼得。5G通过扩展频谱带宽来提升系统容量,频段范围从4G时代的3GHz以下扩展到毫米波频段,单载波带宽从20MHz提升到100MHz以上。但频段越高,基站覆盖范围越小,运营商不得不建设更多基站。pTVednc

今天,主流5G部署采用5G中频段,其折中了容量与覆盖优势,兼顾了室外与室内覆盖,并通过Massive MIMO技术进一步提升了小区容量和覆盖,让运营商可以基于现有4G站址建设一张广覆盖的5G网络。但面向未来流量成倍增长,单靠有限的中频段资源肯定是不够的,为此运营商不得不扩展到毫米波频段,但毫米波信号覆盖范围不过一两百米,根本无法从室外抵达室内,这给网络建设投资带来了空前的压力。pTVednc

怎么办?pTVednc

唯有通过技术创新,不断提升频谱效率,让每Hz承载更多的bit,尽可能让5G部署又好又省。今天我们就来介绍在后5G时代,乃至6G时代,值得关注的几大无线技术。pTVednc

NOMA

多址接入是移动通信的核心技术,从1G到5G,我们经历了FDMA、TDMA、CDMA和OFDMA,这些多址接入方案都采用正交设计,来避免多用户之间互相干扰。移动通信领域一直致力于通过无线电波的正交性来提升频谱效率,我们已经采用了频分、时分、空分、码分等各种正交办法,但当正交空间耗尽时,我们该怎么办?pTVednc

是时候该NOMA出场了。pTVednc

NOMA,即非正交多址,是一种计划用于5G(R16版)的多址技术,可显著提升移动通信网络的频谱效率。pTVednc

众所周知,4G和目前5G采用的是OFDMA(正交频分多址),每个用户占用的时频资源是分开的、相互正交的,由于受正交性的约束,每个UE分配一定的子载波,每个UE占用部分频率资源。而NOMA与OFDMA不同,它基于非正交性设计,每个UE可以使用所有的资源。pTVednc

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NOMA与OFDMApTVednc

那么,问题来了,NOMA是如何避免多用户之间的互干扰呢?pTVednc

NOMA的基本思想是,在发送端将多个UE信号叠加,占用所有时频资源,并通过空口发送,而在接收端,基于MUD(多用户检测)和SIC(串行干扰消除)技术来逐个解码信号,提取有用信号。pTVednc

NOMA主要有两种方式:基于码域和基于功率域。基于码域,即为每个用户分配非正交扩展码(与WCDMA码相似,不同之处在于WCDMA码是正交的)。基于功率域,即在发送端每个用户信号以不同的功率电平叠加。pTVednc

以基于功率域的NOMA方案为例,其工作原理是这样的:pTVednc

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如上图所示,三个UE信号被分配不同的功率电平,距离基站最近的UE1信道条件最好,被分配最低的功率,而距离基站最远的UE3被分配最高的功率,处于中间位置的UE2被分配适中的功率。pTVednc

在基站发送端,UE1、UE2和UE3都占用相同的所有时频资源,三者的信号在功率域进行叠加,并通过空口发送。pTVednc

在UE接收端,SIC首先解码接收信号强度最强的信号,比如UE1,由于分配给它的功率远低于UE3,它可能会首先解码UE3的信号,并通过MA签名判断是否为自己的有用信号,如果不是,则删除UE3的信号,接着再重复该过程,直到找到自己的有用信号为止。pTVednc

而对于UE3,由于分配给它的功率高于UE1和UE2,其第一个解码的信号可能就是自己的有用信号,因此可以直接解码得到。pTVednc

由于NOMA将所有的空口资源分配给了所有用户,因此可以提升频谱效率。尤其在小区边缘,由于无线环境差,采用正交多址的5G网络不得不采用稀疏的调制和编码来克服信道受损,这会导致PRB资源“浪费”。但在NOMA中,所有用户使用所有PRB资源,无论处于小区中心还是边缘都一样,从而提升了频谱效率。pTVednc

值得一提的是,NOMA还可以与Massive MIMO结合使用。在Massive MIMO下,可在广播波束范围内将一个物理扇区分裂为多个虚拟扇区,虚拟扇区服务的用户采用NOMA,由于虚拟扇区之间是正交的,从而还可使系统容量进一步翻倍。pTVednc

不过,NOMA也存在自身的挑战。首先,MUD/SIC需要额外的计算,需要更强的硬件支持,以及会产生更高的功耗。虽然对于基站侧来说不是问题,但对终端就麻烦了,会增加终端成本和耗电。其次,在NOMA下,基站要为所有的UE进行分组分配功率,这要求基站必须准确的了解各个UE的信道状况。pTVednc

全双工

今天5G采用TDD双工模式,4G时代包括TDD和FDD,但严格的讲,TDD和FDD都只是“半双工”,因为TDD在同一频段上的不同时隙传输上下行信号,FDD在两个对称频段上分别传输上下行信号。pTVednc

而全双工技术可以实现在同一频段下同时进行上下行信号传输(同时发送和接收信号),这无疑可大幅提升频谱效率。同时,由于全双工在同一时间收发数据,发送完数据即可接收反馈信息,这还能缩短传输时延。pTVednc

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但全双工遇到的最大挑战来自发射信号对接收信号产生强大的自干扰,比如在蜂窝网络中,发射功率可高达几十瓦,而接收功率只有几皮瓦,这意味着,发射产生的干扰信号比接收到的有用信号可能强数十亿倍,无线发射器将很快使接收器饱和。pTVednc

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由上图所示,由于双工器泄露、天线反射、多径反射等因素,发射信号掺杂进接收信号,产生了强大的自干扰。pTVednc

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