第 1 章 5G 系统新技术的概况

1.4 非正交多址接入

1.5 灵活的物理层设计

如 1.1 节所述，5G 网络旨在不仅支持语音和移动互联网应用，还支持 IoT、M2M、 触觉互联网和车载通信等应用。这些应用在延迟、可靠性和功耗方面都有不同的要求。 在过去十年里，正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和 OFDMA 已经成为用于为 IEEE 802.11 无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Networks）、全球微波互联接入（WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave Access） 和 LTE-A 等全球主要宽带无线通信系统提供高数据速率业务的主要物理层技术。然而， OFDM/OFDMA 系统具有以下缺点： （1）基于 OFDM 的系统具有高的峰值与平均功率比 （PAPR，Peak-to-Average Power Ratio），其需要在发射机处使用功率低效的线性功率放大 器；（2）OFDM 符号的矩形脉冲形状导致大的频谱旁瓣和高带外辐射； （3）副载波正交 性对载波频偏和相位噪声敏感。所以，现有的 OFDM 技术可能不太适合传输一些 5G 应 用的数据。因此，已经提出了几种替代的非正交波形，并且将考虑用于 5G 物理层。有希 望的备选是滤波器组多载波（FBMC，Filterbank Multicarrier）、通用滤波多载波（UFMC， Universal Filtered Multicarrier）和广义频分复用（GFDM，Generalized Frequency Division Multiplexing）[25]。这些非正交信令方案通过尝试将新特征引入到信号和帧结构中来克服 OFDM/OFDMA 的限制。例如，GFDM 基于独立块的调制，每个块由多个子载波和子符 号组成。在 GFDM 中，采用循环前（CP，Cyclic Prefixes）和循环滤波。特别是，GFDM 通过循环滤波利用“咬尾”技术减小信号脉冲尾部的长度，GFDM 的循环信号结构也使 得能够在包含多个 GFDM 符号的整个数据块中使用一个 CP，相比于传统的 OFDM 技术 改善了频谱效率。实际上，GFDM 是一种灵活的物理层方案，因为在特殊情况下它涵盖 了 CP-OFDM 和单载波频域均衡（SC-DFE，Single-Carrier Frequency Domain Equalization） 。 此外，GFDM 允许根据信道属性和应用类型调整每个数据符号的时间和频率间隔。在第 7 章中将介绍包括接收机设计和硬件实现在内的 GFDM 的细节。

1.6 大规模MIMO

多天线技术是当前和未来无线通信系统的关键要素。为传统的 MIMO 通信系统设想 的天线数量已经被限制在相对较小的范围，比如 20 或更少。然而，近期已经表明，如果 基站的天线数量增加到数百甚至数千个，多用户 MIMO 通信系统会表现出若干有利的特 性[26]，从而产生所谓的大规模 MIMO 系统。因此，自 2010 年以来，一直在对大规模 MIMO 系统进行大量的理论和实验研究。
众所周知，与传统的单输入单输出（SISO，Single-Input Single-Output）系统相比， MIMO 通信系统在频谱、功率和能效方面都实现了实质性的增长。实际上已经有研究表 明在理想条件下具有 T N 个发射天线和 R N 个接收天线的点对点 MIMO 系统的容量随着 { } TRmin , NN 线性缩放，这在文献[27, 28]中被称为复用增益。然而，点对点 MIMO 系 统在实践中具有两个缺点：第一，由于尺寸、功耗和成本限制，移动终端（例如智能电 话）可容纳的天线数量受到限制，这对可实现的复用增益有不利影响；第二，在强干扰 （例如在小区边缘）、不利的信道条件（例如不充分的散射）以及由移动终端的尺寸限制 规定的窄天线间隔等的影响下，多路复用增益可能消失。点对点 MIMO 系统的缺点可 以通过多用户 MIMO 系统来克服[29~31]。在多用户 MIMO 系统中，具有多个天线（例如 基站）的中心节点服务大量的具有较少天线的（移动）用户。因此，可以使得移动终端 的信号处理复杂度较低，尤其是单天线终端的情况。此外，由于用户在整个小区的空间 分布，终端的角度间隔通常超过阵列的瑞利分辨率，并且不同用户的信道可以被认为是独立的。然而，系统中的多用户引入了中间用户干扰，需要分别通过对用于下行链路（即 基站到用户）和上行链路（即用户到基站）传输的发射机和接收机进行适当的处理以减 轻干扰。上行链路信道可以认为是经典的多址信道，从 CDMA 系统大量的文献中可以 知道许多合适的线性和非线性接收机处理技术[32]。所以，虽然计算相对复杂，但是非 线性接收机结构要比线性结构的性能更好。下行链路信道是广播信道，在发射机处需要 合适的预编码技术以实现高性能。脏纸编码是高斯 MIMO 广播信道实现佳容量的预 编码技术[29, 30]，然而，它在实际实现时需要很高的计算复杂度。因此，兼顾性能和复 杂度的预编码方案，如迫零（ZF，Zero-Forcing）预编码、小均方误差（MMSE，Minimum Mean-Square Error）预编码和正则化迫零预编码的线性预编码技术已经引起了相当多的 关注[33, 34]。
对对于上行链路和下行链路传输，基站 CSI 的可用性对利用多用户 MIMO 系统的全部 潜能至关重要。这对上行链路并不是十分重要，用户可以简单地通过数据分组发送导频 符号。在下行链路中，信道估计更具挑战性，佳信道估计方法取决于所使用的双工类 型。在频分双工（FDD，Frequency Division Duplex）系统中，在上行链路和下行链路传 输中使用不同的载波频率，并且上下行链路信道是相互统计独立的。因此，每个基站天 线必须首先发送导频，这使得用户能够估计它们各自的下行链路信道。随后，每个用户 必须将其信道估计反馈给基站。假设 K 个用户，所需反馈符号的数量以 TNK线性增长。 此外，对于时分双工（TDD，Time Division Duplex）系统，在上行链路和下行链路中使 用相同的载波频率。因此，假设相干时间足够大，上行链路和下行链路信道是互逆的， 基站可以基于用户发送的导频估计上行链路信道以获得下行链路信道估计。在这种情况 下，所需的导频数量随着用户数量 K 而线性增加，但与基站天线的数量无关。
与使用相对较少数量的基站天线（例如少于 20 个）的传统多用户 MIMO 系统不同， 大规模 MIMO 系统将采用数百甚至数千个基站天线。虽然天线数量的大幅增加在收发器 设计和实现方面带来了新的挑战，但它在信号处理和通信方面具有一些优势。例如，如 果基站天线的数量比系统中的用户数量大得多，则在基站处的简单匹配滤波（MF， Matched-Filter）预编码（下行链路）和 MF 检测（上行链路）接近优性能，便于基站 和用户终端的低复杂度信号处理。然而，如第 8 章所述，随着用户数量的增加，ZF 和 MMSE 预编码和检测方案可以实现显著的性能提升。此外，随着基站天线数量的增加， 如小尺度衰落和噪声的随机损耗被平均化。在大规模 MIMO 系统中为了保持 CSI 采集的 信令开销可管理，TDD 系统是较优的，因为对于 FDD 系统，CSI 反馈量随着基站天线数 量的增加而增加。然而，大规模 MIMO 系统的主要危害是所谓的导频污染，导频污染是由不同小区中相同（或线性相关）导频序列的重用造成的。这种重用是不可避免的，因 为对于给定的导频序列长度，线性独立导频序列的数量是有限的。近，已经提出了几 种有效的技术来解决导频污染问题[35, 36]。
大规模 MIMO 也具有显著提高能效的潜力。在参考文献[37]中已经表明，如果 T N 增 长很快，并且所有其他系统参数被假定为恒定，多用户大规模 MIMO 系统中每个用户的 发射功率对完善和不完善的 CSI 信息会分别按比例缩小到 T 1/N 和 T 1/ N ，但是不影响吞 吐量和可靠性。因此，大量 MIMO 系统为更节能和“更环保”的通信网络提供了一个简 单的途径。此外，未来无线通信系统的主要关注点是安全性和隐私性，大规模 MIMO 非 常适合解决这些问题。实际上，由于有大量的空间自由度，大规模 MIMO 可以保护蜂窝 系统免遭被动[38]和主动[39]的窃听。
由于其良好的性能，大规模 MIMO 将成为 5G 系统的核心技术之一[3]。然而，大规 模 MIMO 仍然存在许多具有挑战性的开放研究问题。例如，由于大规模 MIMO 系统的规 模庞大，需要使用便宜的硬件组件节约成本。然而，这反过来又引起了如相位噪声、同 相/正交相位不平衡和放大器非线性等硬件损耗，这些必须被适当地处理以避免性能下降[40]。 此外，由大规模的基站天线引起的信道硬化效应需要设计新的资源分配和用户关联算法。 大规模 MIMO 系统和调度协议将分别在第 8 章和第 15 章中详细讨论。