移動(dòng)通信先進(jìn)技術(shù)及其未來(lái)發(fā)展

2/41 主要內(nèi)容u認(rèn)知無(wú)線電u多頻帶聚合u協(xié)同中繼u網(wǎng)絡(luò)編碼u多天線技術(shù)uCOMPu家庭基站 3/41 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)-背景u當(dāng)前無(wú)線通信的特點(diǎn)n多種網(wǎng)絡(luò)共存n同頻段信號(hào)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(rèn)知無(wú)線電技術(shù)-背景頻譜資源枯竭 并不是所有頻段同時(shí)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(quán)用 戶 5/41 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)-背景頻譜空洞頻 率 ： 所 有 頻 段 并 不 是 同 時(shí) 被 使 用Opportunity in frequency domain時(shí) 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(jīng) 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(quán) 用 戶次 要 用 戶 （ Secondary User ） 非 授 權(quán) 用 戶機(jī) 會(huì) 使 用 頻 譜 空 洞又 稱 感 知 用 戶認(rèn) 知 無(wú) 線 電 技 術(shù) -背 景 6/41u6 認(rèn)知無(wú)線電與軟件無(wú)線電軟件定義的無(wú)線電(Software Defined Radio)頻 率 ： 所 有 頻 段 并 不 是 同 時(shí) 被 使 用1991年 由 Mitola提 出多 頻 段 的 無(wú) 線 電l通 過 軟 件 支 持 多 空 中 接 口 air interface認(rèn) 知 無(wú) 線 電 (Cognitive Radio)1998年 由 Mitola提 出基 于 軟 件 定 義 的 無(wú) 線 電 平 臺(tái)具 備 情 景 感 知 能 力 (context-aware)l感 知 頻 譜 、 傳 播 環(huán) 境 具 備 自 動(dòng) 可 重 構(gòu) 能 力l自 適 應(yīng) 調(diào) 制 、 編 碼 、 天 線 波 束 、功 率 調(diào) 整 等 7/41u7 認(rèn)知無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)-無(wú)線環(huán)境認(rèn)知uBPSK uQPSK頻譜感知基 于 信 號(hào) 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(xié) 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(shí) 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(rèn)知無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)-智能學(xué)習(xí)、決策u知識(shí)抽象n頻譜知識(shí)、無(wú)線傳播環(huán)境知識(shí)等知識(shí)的抽象表達(dá)以便計(jì)算機(jī)處理u學(xué)習(xí)算法n人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)理論等u決策算法 n進(jìn)化算法、基因算法等 9/41 認(rèn) 知 無(wú) 線 電 -標(biāo) 準(zhǔn) 化 進(jìn) 程uIEEE802.22 ： 2004 年 11 月 ， IEEE802.22 工 作 組 正 式 成 立 ， 其 主 要 任 務(wù)是 開 發(fā) 和 建 立 一 套 基 于 認(rèn) 知 無(wú) 線 電 （ Cognitive Radio 簡(jiǎn) 稱 CR） 技 術(shù)u2007年 4月 21日 新 成 立 的 IEEE SCC41取 代 了 IEEE 1900標(biāo) 準(zhǔn) 組 ， 主 要 負(fù)責(zé) 動(dòng) 態(tài) 頻 譜 接 入 方 面 的 標(biāo) 準(zhǔn) 化 工 作 。 標(biāo) 準(zhǔn) 組 分 為 4個(gè) WG工 作 組 (IEEE 1900.X)和 1個(gè) 研 究 組 。u國(guó) 際 電 信 聯(lián) 盟 （ ITU-R） 和 SCC41認(rèn) 知 無(wú) 線 電 標(biāo) 準(zhǔn) 化 進(jìn) 程 表IEEE 802.11h （ 針 對(duì) WiFi 5GHz ）IEEE 802.11y （ 針 對(duì) WiFi 3.65GHz 3.7GHz ） 動(dòng) 態(tài) 頻 率 選 擇 傳 輸 功 率 控 制 10/41 主要內(nèi)容u認(rèn)知無(wú)線電u多頻帶聚合u協(xié)同中繼u網(wǎng)絡(luò)編碼u多天線技術(shù)uCOMPu家庭基站 11/41 載波聚合技術(shù)簡(jiǎn)介u11 12/41 上下行非對(duì)稱CAu非對(duì)稱CA造成的影響n隨機(jī)接入時(shí)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(gè)CC上 n PDCCH(s) 分布在某一個(gè)特定的CC上 u兩種編碼方案 n各 PDCCH單獨(dú)編碼n各 PDCCH聯(lián)合編碼 13/41 資源分配與協(xié)調(diào)uTDD上下行時(shí)隙干擾n由于鄰小區(qū)之間上下行配置的不同導(dǎo)致在某些時(shí)隙上產(chǎn)生干擾。u消除方式n小區(qū)間以協(xié)作方式工作，采用自適應(yīng)的幀配置方案u當(dāng)前研究 n CA情形下多個(gè)CC上的自適應(yīng)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(nèi)容u認(rèn)知無(wú)線電u多頻帶聚合u協(xié)同中繼u網(wǎng)絡(luò)編碼u多天線技術(shù)uCOMPu家庭基站 15/41 無(wú)線中繼技術(shù) 16/41 機(jī)會(huì)中繼的基本概念u機(jī)會(huì)中繼n從可能的中繼節(jié)點(diǎn)中選擇最好的一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)n什么是最好？n對(duì)于譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）中繼，最好的中繼就是可以正確解碼源端數(shù)據(jù)，同時(shí)到目的節(jié)點(diǎn)的信道狀況最好 n對(duì)于放大轉(zhuǎn)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(jī)會(huì)中繼的優(yōu)點(diǎn)：n不存在分布式空時(shí)碼的同步問題和功率分配問題n不存在重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作策略存在的帶寬擴(kuò)展問題n從分集性能上可以獲得和分布式空時(shí)碼相同的分集度 17/41 異構(gòu)協(xié)同和網(wǎng)絡(luò)融合u一種無(wú)線協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)示意圖 18/41 協(xié)同分集復(fù)用自適應(yīng)研究 u研究背景n對(duì)于無(wú)線中繼系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通過多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的相互協(xié)同，每個(gè)節(jié)點(diǎn)類似協(xié)同MIMO中的一根天線，也可以獲得協(xié)同MIMO增益，提高無(wú)線中繼系統(tǒng)的性能。n引入無(wú)線中繼系統(tǒng)協(xié)同理論模型，結(jié)合壓縮轉(zhuǎn)發(fā)（CF）、編碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）等中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式，分析不同中繼處理能力（全雙工/半雙工）和網(wǎng)絡(luò)幾何結(jié)構(gòu)（成簇/非成簇）下，協(xié)同中繼系統(tǒng)的分集復(fù)用折中（DMT）情況。 u結(jié)論 n中繼策略中自由度的增加對(duì)DMT性能的影響。多天線中繼系統(tǒng)和其相應(yīng)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(dá)到最佳DMT性能，而多天線系統(tǒng)中，DF無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在復(fù)用度為的范圍內(nèi)，改善DF方案的DMT性能，使其達(dá)到最佳。n MARC信道中，當(dāng)所有的用戶均發(fā)生中斷為主導(dǎo)中斷事件時(shí)，CF方案可在高復(fù)用度下達(dá)到最佳DMT性能。n無(wú)線協(xié)同中繼系統(tǒng)的復(fù)用度受限，其DMT性能要次于真正MIMO的DMT性能。 19/41 技術(shù)挑戰(zhàn)u非理想信道狀況對(duì)機(jī)會(huì)中繼的影響？n目前討論的機(jī)會(huì)中繼都是在信道狀態(tài)信息完全已知的情況下進(jìn)行，如果信道狀態(tài)信息非理想（比如有延時(shí)，有錯(cuò)誤）時(shí)，機(jī)會(huì)中繼的性能會(huì)下降多少？此時(shí)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(jī)會(huì)中繼中最優(yōu)中繼不可用時(shí)的性能損失？n如果最優(yōu)中繼不可用，那么機(jī)會(huì)中繼選用其它相對(duì)次好中繼時(shí)，可以獲得的分集性能是怎樣的？u一般衰落信道下機(jī)會(huì)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(jī)會(huì)中繼性能還是空白，可以作為后續(xù)研究的一個(gè)方面 20/41 主要內(nèi)容u認(rèn)知無(wú)線電u多頻帶聚合u協(xié)同中繼u網(wǎng)絡(luò)編碼u多天線技術(shù)uCOMPu家庭基站 21/41 網(wǎng)絡(luò)編碼原理u網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)特點(diǎn)n允許中繼對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)包處理之后再發(fā)送u網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)學(xué)描述n局部編碼向量代表中繼節(jié)點(diǎn)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(guān)系u網(wǎng)絡(luò)編碼解碼機(jī)制n接收端獲得多條路徑的獨(dú)立信息，通過高斯消去求解線性方程組來(lái)恢復(fù)原始信息u網(wǎng)絡(luò)編碼性能優(yōu)勢(shì)n提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量； n提高系統(tǒng)魯棒性；n改善網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡； 22/41 網(wǎng)絡(luò)編碼關(guān)鍵技術(shù)u雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)編碼性能研究u單源上行中繼網(wǎng)絡(luò)的時(shí)域網(wǎng)絡(luò)編碼研究n基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制n結(jié)合機(jī)會(huì)中繼和網(wǎng)絡(luò)編碼的網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制u多用戶多天線上行中繼網(wǎng)絡(luò)的空域網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)編碼性能研究 23/41 雙向中繼網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)編碼性能研究u傳輸機(jī)制 n傳統(tǒng)模式四個(gè)時(shí)隙，即兩個(gè)源依次發(fā)送，中繼依次轉(zhuǎn)發(fā)n DF網(wǎng)絡(luò)編碼模式三個(gè)時(shí)隙，即中繼將兩個(gè)源的信息編碼后發(fā)送n PNC模式兩個(gè)時(shí)隙，即兩個(gè)源同時(shí)發(fā)送，中繼轉(zhuǎn)發(fā)接收到的和信息u性能分析n吞吐量-PNC模式下能達(dá)到直射的頻譜效率n魯棒性-多中繼的場(chǎng)景下分集度為中繼個(gè)數(shù) 24/41 多用戶多天線的空域網(wǎng)絡(luò)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(gè)數(shù)與源個(gè)數(shù)相等，均為Nu傳輸機(jī)制n多個(gè)用戶占用N個(gè)時(shí)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(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)后，中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼處理后再進(jìn)行AF轉(zhuǎn)發(fā)u性 能 分 析 1) 通 過 對(duì) 系 統(tǒng) 的 編 碼 矩 陣 和 信 道 增 益 矩 陣 進(jìn) 行 特 征值 分 解 ， 對(duì) 系 統(tǒng) 的 互 信 息 進(jìn) 行 化 簡(jiǎn) 2) 根 據(jù) Wishart矩 陣 的 統(tǒng) 計(jì) 特 性 ， 給 出 特 征 值 的 概 率 密度 函 數(shù) 3) 給 出 系 統(tǒng) 遍 歷 容 量 和 中 斷 概 率 的 閉 式 解 ， 并 對(duì) 系統(tǒng) 的 性 能 進(jìn) 行 數(shù) 值 仿 真 26/41 技術(shù)挑戰(zhàn)（未來(lái)的研究點(diǎn)等。）u功率分配機(jī)制u多用戶之間資源調(diào)度u聯(lián)合信道編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼處理u聯(lián)合星座映射和網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制u網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制的誤碼率理論分析u無(wú)線鏈路不可靠導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)編碼錯(cuò)誤傳播u多天線配置下不同方式的網(wǎng)絡(luò)編碼性能理論分析u適合網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用的系統(tǒng)模型，實(shí)際場(chǎng)景 27/41 主要內(nèi)容u認(rèn)知無(wú)線電u多頻帶聚合u協(xié)同中繼u網(wǎng)絡(luò)編碼u多天線技術(shù)uCOMPu家庭基站 28/41 增強(qiáng)上下行MIMO技術(shù) 29/41 多 天 線 技 術(shù) 發(fā) 展 趨 勢(shì) 下 行 多 天 線 技 術(shù) ： 多 流 Beamforming： SU-MIMO或 MU-MIMO（ SDMA） 8天 線 發(fā) 送 ： 可 實(shí) 現(xiàn) 性 存 在 疑 問 。 只 要 能 滿 足 IMT-A需 求 ， 則 限 制 在 4天 線 以 內(nèi) 。 上 行 多 天 線 技 術(shù) ： 上 行 SU-MIMO和 發(fā) 送 分 集 ： 2天 線 發(fā) 送 比 較 現(xiàn) 實(shí) ， 4天 線 應(yīng) 暫 緩 考 慮 。 上 行 MU-Beamforming。 30/41 主要內(nèi)容u認(rèn)知無(wú)線電u多頻帶聚合u協(xié)同中繼u網(wǎng)絡(luò)編碼u多天線技術(shù)uCOMPu家庭基站 31/41 干擾協(xié)調(diào)技術(shù)-COMP 32/41 CoMP類型u聯(lián)合傳輸(JP) u協(xié)作調(diào)度(CS/CB)下行CoMP策略JP動(dòng)態(tài)小區(qū)選擇基于頻率規(guī)劃的JPCS/CB聯(lián)合調(diào)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(nèi)容u認(rèn)知無(wú)線電u多頻帶聚合u協(xié)同中繼u網(wǎng)絡(luò)編碼u多天線技術(shù)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(nèi)場(chǎng)所，因?yàn)橐脖环Q為家庭基站，作為蜂窩網(wǎng)在室內(nèi)覆蓋的補(bǔ)充，為用戶提供話音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 u優(yōu)點(diǎn)：n滿足高速業(yè)務(wù)的需求，解決室內(nèi)深度覆蓋問題 n接入方式簡(jiǎn)單 n低成本 低功率n運(yùn)營(yíng)商的競(jìng)爭(zhēng)力增強(qiáng) u缺點(diǎn)：n引入來(lái)自宏蜂窩和家庭基站小區(qū)的干擾WCDMA femtocell網(wǎng) 絡(luò) 架 構(gòu) 36/41 Femtocell關(guān)鍵技術(shù)u干擾場(chǎng)景n上行干擾n家庭基站UE對(duì)宏基站的干擾n宏基站UE對(duì)家庭基站的干擾n家庭基站UE對(duì)家庭基站的干擾 n宏基站UE對(duì)宏基站的干擾n下行干擾n家庭基站對(duì)宏基站UE的干擾n宏基站對(duì)家庭基站UE的干擾n家庭基站對(duì)家庭基站UE的干擾n宏基站對(duì)宏基站UE的干擾 37/41 Femtocell關(guān)鍵技術(shù)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(lái)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(diào)整最大發(fā)射功率n特定的算法聯(lián)合調(diào)度宏基站和家庭基站的發(fā)射功率 38/41 Femtocell關(guān)鍵技術(shù)u頻率分配n動(dòng)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(guān)鍵技術(shù)u自配置n選擇合適的載頻n選擇適當(dāng)?shù)?LAC /RACn設(shè)置合適的上下行發(fā)射功率n生成cell list n完成UE的測(cè)量u測(cè)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(zhuǎn)發(fā)測(cè)量報(bào)告測(cè) 量 方 法 40/41 Femtocell關(guān)鍵技術(shù)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(shè)置相應(yīng)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(shù)目眾多，宏小區(qū)鄰區(qū)列表有限，同時(shí)還有相當(dāng)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(dāng)中。 u同步n家庭基站需要通過同步來(lái)減少干擾，并且當(dāng)用戶在進(jìn)行宏小區(qū)和家庭基站之間切換的時(shí)候需要宏小區(qū)與家庭基站之間保持同步，同時(shí)在TDD系統(tǒng)中，由于上下行采用的是時(shí)分，所以需要更加精確的同步能夠避免產(chǎn)生上下行之間的干擾。 41/41 技術(shù)挑戰(zhàn)u得到更精確的室內(nèi)以及室內(nèi)外傳播模型u不同的頻率規(guī)劃方法對(duì)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(cè)方法的研究u家庭基站頻率和功率分配的聯(lián)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(shù)u42