移動通信先進技術及其未來發(fā)展

2/41 主要內容u認知無線電u多頻帶聚合u協同中繼u網絡編碼u多天線技術uCOMPu家庭基站 3/41 認知無線電技術-背景u當前無線通信的特點n多種網絡共存n同頻段信號相互干擾n不同頻段互不干擾n靜態(tài)頻譜分配 f1 f2 f3 f4 f5 f6 4/41 認知無線電技術-背景頻譜資源枯竭 并不是所有頻段同時被使用同一頻段也不一定一直被使用靜態(tài)頻譜分配頻 段 靜 態(tài) 分 配 給 授 權用 戶 5/41 認知無線電技術-背景頻譜空洞頻 率 ： 所 有 頻 段 并 不 是 同 時 被 使 用Opportunity in frequency domain時 間 ： 同 一 頻 段 也 不 一 定 一 直 被 使 用Opportunity in specific band in time功 率 ： 取 決 于 經 度 、 緯 度 、 海 拔 ， 與 主 要 用 戶 的 距離 等 因 素Opportunity in geographical space 主 要 用 戶 （ Primary User ）授 權 用 戶次 要 用 戶 （ Secondary User ） 非 授 權 用 戶機 會 使 用 頻 譜 空 洞又 稱 感 知 用 戶認 知 無 線 電 技 術 -背 景 6/41u6 認知無線電與軟件無線電軟件定義的無線電(Software Defined Radio)頻 率 ： 所 有 頻 段 并 不 是 同 時 被 使 用1991年 由 Mitola提 出多 頻 段 的 無 線 電l通 過 軟 件 支 持 多 空 中 接 口 air interface認 知 無 線 電 (Cognitive Radio)1998年 由 Mitola提 出基 于 軟 件 定 義 的 無 線 電 平 臺具 備 情 景 感 知 能 力 (context-aware)l感 知 頻 譜 、 傳 播 環(huán) 境 具 備 自 動 可 重 構 能 力l自 適 應 調 制 、 編 碼 、 天 線 波 束 、功 率 調 整 等 7/41u7 認知無線電關鍵技術-無線環(huán)境認知uBPSK uQPSK頻譜感知基 于 信 號 能 量 、 波 形 特 征 、 循 環(huán) 平 穩(wěn) 特 征 等 的 感 知 方 法研 究基 于 多 用 戶 協 同 感 知 的 方 法 研 究 環(huán)境感知用 戶 位 置 信 息 、 周 圍 電 波 傳 播 環(huán) 境干 擾 位 置 信 息感 知 時 間 、 感 知 可 靠 性 的 分 析 及 提 高 方 法 ， 新 感 知 算 法 的 研 究 有 效 、 高 精 度 算 法 的 研 究 8/41u8 認知無線電關鍵技術-智能學習、決策u知識抽象n頻譜知識、無線傳播環(huán)境知識等知識的抽象表達以便計算機處理u學習算法n人工神經網絡、機器學習理論等u決策算法 n進化算法、基因算法等 9/41 認 知 無 線 電 -標 準 化 進 程uIEEE802.22 ： 2004 年 11 月 ， IEEE802.22 工 作 組 正 式 成 立 ， 其 主 要 任 務是 開 發(fā) 和 建 立 一 套 基 于 認 知 無 線 電 （ Cognitive Radio 簡 稱 CR） 技 術u2007年 4月 21日 新 成 立 的 IEEE SCC41取 代 了 IEEE 1900標 準 組 ， 主 要 負責 動 態(tài) 頻 譜 接 入 方 面 的 標 準 化 工 作 。 標 準 組 分 為 4個 WG工 作 組 (IEEE 1900.X)和 1個 研 究 組 。u國 際 電 信 聯 盟 （ ITU-R） 和 SCC41認 知 無 線 電 標 準 化 進 程 表IEEE 802.11h （ 針 對 WiFi 5GHz ）IEEE 802.11y （ 針 對 WiFi 3.65GHz 3.7GHz ） 動 態(tài) 頻 率 選 擇 傳 輸 功 率 控 制 10/41 主要內容u認知無線電u多頻帶聚合u協同中繼u網絡編碼u多天線技術uCOMPu家庭基站 11/41 載波聚合技術簡介u11 12/41 上下行非對稱CAu非對稱CA造成的影響n隨機接入時DL CC的模糊性問題n ACK/NAK的映射問題以及編碼方式uPDCCH, PBCH, PHICH u以PDCCH為例，其分布可分為兩種方案：n PDCCH(s) 分布在多個CC上 n PDCCH(s) 分布在某一個特定的CC上 u兩種編碼方案 n各 PDCCH單獨編碼n各 PDCCH聯合編碼 13/41 資源分配與協調uTDD上下行時隙干擾n由于鄰小區(qū)之間上下行配置的不同導致在某些時隙上產生干擾。u消除方式n小區(qū)間以協作方式工作，采用自適應的幀配置方案u當前研究 n CA情形下多個CC上的自適應幀配置方案；n在中繼環(huán)境下多頻帶聚合是的CC分配以及幀配置方案。 14/41 主要內容u認知無線電u多頻帶聚合u協同中繼u網絡編碼u多天線技術uCOMPu家庭基站 15/41 無線中繼技術 16/41 機會中繼的基本概念u機會中繼n從可能的中繼節(jié)點中選擇最好的一個中繼節(jié)點來進行源節(jié)點數據的轉發(fā)n什么是最好？n對于譯碼轉發(fā)（DF）中繼，最好的中繼就是可以正確解碼源端數據，同時到目的節(jié)點的信道狀況最好 n對于放大轉發(fā)（AF）中繼，最好的中繼就是源到目的端的等效信噪比最大n機會中繼的優(yōu)點：n不存在分布式空時碼的同步問題和功率分配問題n不存在重復轉發(fā)協作策略存在的帶寬擴展問題n從分集性能上可以獲得和分布式空時碼相同的分集度 17/41 異構協同和網絡融合u一種無線協同中繼網絡示意圖 18/41 協同分集復用自適應研究 u研究背景n對于無線中繼系統(tǒng)來說，通過多個中繼節(jié)點的相互協同，每個節(jié)點類似協同MIMO中的一根天線，也可以獲得協同MIMO增益，提高無線中繼系統(tǒng)的性能。n引入無線中繼系統(tǒng)協同理論模型，結合壓縮轉發(fā)（CF）、編碼轉發(fā)（DF）等中繼轉發(fā)方式，分析不同中繼處理能力（全雙工/半雙工）和網絡幾何結構（成簇/非成簇）下，協同中繼系統(tǒng)的分集復用折中（DMT）情況。 u結論 n中繼策略中自由度的增加對DMT性能的影響。多天線中繼系統(tǒng)和其相應的單天線中繼系統(tǒng)之間存在基本的差異。單天線系統(tǒng)中，DF方案可以達到最佳DMT性能，而多天線系統(tǒng)中，DF無法實現最佳DMT。n半雙工DMT上界通常低于全雙工DMT上界。n成簇的網絡結構可以在復用度為的范圍內，改善DF方案的DMT性能，使其達到最佳。n MARC信道中，當所有的用戶均發(fā)生中斷為主導中斷事件時，CF方案可在高復用度下達到最佳DMT性能。n無線協同中繼系統(tǒng)的復用度受限，其DMT性能要次于真正MIMO的DMT性能。 19/41 技術挑戰(zhàn)u非理想信道狀況對機會中繼的影響？n目前討論的機會中繼都是在信道狀態(tài)信息完全已知的情況下進行，如果信道狀態(tài)信息非理想（比如有延時，有錯誤）時，機會中繼的性能會下降多少？此時是否采用其它中繼方法可以獲得更好的性能？u中繼選擇公平性和分集性能的折中？ n中繼選擇的公平性和分集性能之間是否存在折中，如果存在，怎樣控制它？u機會中繼中最優(yōu)中繼不可用時的性能損失？n如果最優(yōu)中繼不可用，那么機會中繼選用其它相對次好中繼時，可以獲得的分集性能是怎樣的？u一般衰落信道下機會中繼的性能？n很多衰落信道，特別是一些通用衰落信道下的機會中繼性能還是空白，可以作為后續(xù)研究的一個方面 20/41 主要內容u認知無線電u多頻帶聚合u協同中繼u網絡編碼u多天線技術uCOMPu家庭基站 21/41 網絡編碼原理u網絡編碼技術特點n允許中繼對多個數據包處理之后再發(fā)送u網絡編碼數學描述n局部編碼向量代表中繼節(jié)點的局部處理方式 n全局編碼向量代表鏈路上所傳信息與原始信息的關系u網絡編碼解碼機制n接收端獲得多條路徑的獨立信息，通過高斯消去求解線性方程組來恢復原始信息u網絡編碼性能優(yōu)勢n提高網絡吞吐量； n提高系統(tǒng)魯棒性；n改善網絡負載均衡； 22/41 網絡編碼關鍵技術u雙向中繼網絡中的網絡編碼性能研究u單源上行中繼網絡的時域網絡編碼研究n基于實時網絡狀態(tài)的網絡編碼機制n結合機會中繼和網絡編碼的網絡編碼機制u多用戶多天線上行中繼網絡的空域網絡編碼研究 n存在源和基站之間的直射路徑n不存在源和基站之間的直射路徑u六芒星模型下基于輪詢的網絡編碼性能研究 23/41 雙向中繼網絡中的網絡編碼性能研究u傳輸機制 n傳統(tǒng)模式四個時隙，即兩個源依次發(fā)送，中繼依次轉發(fā)n DF網絡編碼模式三個時隙，即中繼將兩個源的信息編碼后發(fā)送n PNC模式兩個時隙，即兩個源同時發(fā)送，中繼轉發(fā)接收到的和信息u性能分析n吞吐量-PNC模式下能達到直射的頻譜效率n魯棒性-多中繼的場景下分集度為中繼個數 24/41 多用戶多天線的空域網絡編碼研究-1u系統(tǒng)模型n用戶單天線，中繼基站多天線，且多天線的個數與源個數相等，均為Nu傳輸機制n多個用戶占用N個時隙依次廣播自身信息，中繼和基站均監(jiān)聽 n中繼選擇最佳天線將所有用戶信息異或編碼之后再發(fā)送，基站通過直射和中繼綜合解碼u性能分析n遍歷容量n中斷概率n分集度1 10 01 log(1 ) log(1 )2 ( 1)! 2 ( 1)!MB RBN Nx yN NNCD MB RBx N yC x e dx y e dyN N 1 12 1 2 120 0 2 1 2 1( ) ( )2 2 1( ) ln2 ln2( 1)! ( 1)! y x x NMB RBy xx NN N y xx NR y N NNCD MB RBR e e dxdyN N N 2 2 1 22 0 0(ln2)( ) (2 1) 2 (2 1) 2 ( , , , )( 1)!( 1)! y x y xN N R y x N x N NSB RB N NNCD NCD MB RBNR dxdy K R NN N N 25/41 多用戶多天線的空域網絡編碼研究-2u系統(tǒng)模型n MIMO雙跳系統(tǒng)，用戶單天線，中繼基站均為多天線u傳輸方案n多用戶廣播完各自數據后，中繼節(jié)點將接收到的數據進行網絡編碼處理后再進行AF轉發(fā)u性 能 分 析 1) 通 過 對 系 統(tǒng) 的 編 碼 矩 陣 和 信 道 增 益 矩 陣 進 行 特 征值 分 解 ， 對 系 統(tǒng) 的 互 信 息 進 行 化 簡 2) 根 據 Wishart矩 陣 的 統(tǒng) 計 特 性 ， 給 出 特 征 值 的 概 率 密度 函 數 3) 給 出 系 統(tǒng) 遍 歷 容 量 和 中 斷 概 率 的 閉 式 解 ， 并 對 系統(tǒng) 的 性 能 進 行 數 值 仿 真 26/41 技術挑戰(zhàn)（未來的研究點等。）u功率分配機制u多用戶之間資源調度u聯合信道編碼和網絡編碼處理u聯合星座映射和網絡編碼機制u網絡編碼機制的誤碼率理論分析u無線鏈路不可靠導致的網絡編碼錯誤傳播u多天線配置下不同方式的網絡編碼性能理論分析u適合網絡編碼應用的系統(tǒng)模型，實際場景 27/41 主要內容u認知無線電u多頻帶聚合u協同中繼u網絡編碼u多天線技術uCOMPu家庭基站 28/41 增強上下行MIMO技術 29/41 多 天 線 技 術 發(fā) 展 趨 勢 下 行 多 天 線 技 術 ： 多 流 Beamforming： SU-MIMO或 MU-MIMO（ SDMA） 8天 線 發(fā) 送 ： 可 實 現 性 存 在 疑 問 。 只 要 能 滿 足 IMT-A需 求 ， 則 限 制 在 4天 線 以 內 。 上 行 多 天 線 技 術 ： 上 行 SU-MIMO和 發(fā) 送 分 集 ： 2天 線 發(fā) 送 比 較 現 實 ， 4天 線 應 暫 緩 考 慮 。 上 行 MU-Beamforming。 30/41 主要內容u認知無線電u多頻帶聚合u協同中繼u網絡編碼u多天線技術uCOMPu家庭基站 31/41 干擾協調技術-COMP 32/41 CoMP類型u聯合傳輸(JP) u協作調度(CS/CB)下行CoMP策略JP動態(tài)小區(qū)選擇基于頻率規(guī)劃的JPCS/CB聯合調度 33/41 系統(tǒng)仿真 The threshold of SINR=0dB Avg cell throughput Cell-edge user throughputCOMP Non-COMP Gain COMP Non-COMP Gain2BSs cooperative 12.7Mbps 12.7Mbps 0% 140kbps 86.5kbps 62%The cluster size is （ 6， 6， 7 ） 12.7Mbps 12.7Mbps 0% 130Kbps 86.5Kbps 50%The cluster size is （ 3， 3， 3， 3， 3， 4） 12.7Mbps 12.7Mbps 0% 108 Kbps 86.5Kbps 25% 34/41 主要內容u認知無線電u多頻帶聚合u協同中繼u網絡編碼u多天線技術uCOMPu家庭基站 35/41 Femtocell背景u定義：Femtocell 被稱為毫微微小區(qū)，是一種小型、低功率蜂窩基站，主要用于家庭及辦公室等室內場所，因為也被稱為家庭基站，作為蜂窩網在室內覆蓋的補充，為用戶提供話音及數據業(yè)務。 u優(yōu)點：n滿足高速業(yè)務的需求，解決室內深度覆蓋問題 n接入方式簡單 n低成本 低功率n運營商的競爭力增強 u缺點：n引入來自宏蜂窩和家庭基站小區(qū)的干擾WCDMA femtocell網 絡 架 構 36/41 Femtocell關鍵技術u干擾場景n上行干擾n家庭基站UE對宏基站的干擾n宏基站UE對家庭基站的干擾n家庭基站UE對家庭基站的干擾 n宏基站UE對宏基站的干擾n下行干擾n家庭基站對宏基站UE的干擾n宏基站對家庭基站UE的干擾n家庭基站對家庭基站UE的干擾n宏基站對宏基站UE的干擾 37/41 Femtocell關鍵技術u功率控制n作用：通過控制家庭基站以及用戶的發(fā)射功率來減少干擾n分類n上行功控n下行功控 n方法n固定功率發(fā)射n通過路損估算發(fā)射功率n調整最大發(fā)射功率n特定的算法聯合調度宏基站和家庭基站的發(fā)射功率 38/41 Femtocell關鍵技術u頻率分配n動態(tài)n靜態(tài)u要解決的問題n宏基站和家庭基站的頻率分配方式 n家庭基站之間的頻率分配方式Co-channelFemtocellmacrocell Femtocell macrocellOrthogonal FemtocellmacrocellX fragmentEach femtocell uses One fragment Femtocell macrocellX fragmentn同頻n異頻 39/41 Femtocell關鍵技術u自配置n選擇合適的載頻n選擇適當的 LAC /RACn設置合適的上下行發(fā)射功率n生成cell list n完成UE的測量u測量n家庭基站自己感知可用資源n家庭基站間直接交互信息n UE轉發(fā)測量報告測 量 方 法 40/41 Femtocell關鍵技術u切換n分類n家庭基站和家庭基站之間的切換n家庭基站向宏小區(qū)的切換n宏小區(qū)向家庭基站的切換n存在的問題 n家庭基站和家庭基站之間的切換及家庭基站向宏小區(qū)小區(qū)的切換不存在問題，只要在家庭基站中設置相應的鄰區(qū)列表即可。但宏小區(qū)小區(qū)向家庭基站的切換中，由于家庭基站數目眾多，宏小區(qū)鄰區(qū)列表有限，同時還有相當一部分用于宏小區(qū)之間的鄰區(qū)列表，因此宏小區(qū)向家庭基站的切換目前還在討論當中。 u同步n家庭基站需要通過同步來減少干擾，并且當用戶在進行宏小區(qū)和家庭基站之間切換的時候需要宏小區(qū)與家庭基站之間保持同步，同時在TDD系統(tǒng)中，由于上下行采用的是時分，所以需要更加精確的同步能夠避免產生上下行之間的干擾。 41/41 技術挑戰(zhàn)u得到更精確的室內以及室內外傳播模型u不同的頻率規(guī)劃方法對系統(tǒng)吞吐量大小的影響u能夠有效減小干擾的功率控制方式的研究u有效的干擾檢測方法的研究u家庭基站頻率和功率分配的聯合算法研究u使得家庭基站和宏基站能夠支持更多的相鄰基站方法的研究uTDD LTE下家庭基站的研究 42/41 IMT-A新技術u42