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全双工通信 | 带你读《5G系统关键技术详解》之三

简介: 本书深入介绍了 5G 无线网络的协议、网络架构和技术,包括无线接入网络、移动边 缘计算、全双工、大规模 MIMO、毫米波、NOMA、物联网、M2M 通信、D2D 通信、 移动数据分流、干扰抑制技术、无线资源管理、可见光通信和智能数据定价等关键主题。

第 1 章 5G 系统新技术的概况

1.6 大规模MIMO

1.7 全双工通信

虽然 C-RAN、NOMA 和大规模 MIMO 等先进技术能够缓解系统资源的短缺,但频 谱资源仍未得到充分利用。特别地,传统的无线通信设备以半双工(HD,Half-Duplex) 模式工作,其中,下行链路和上行链路通信在频率或时间上正交分离,这导致频谱效率 的显著损失。虽然研究人员已经提出了各种技术来小化/恢复 HD 通信固有的频谱效率 损失,如联合动态上行链路和下行链路资源分配[41]和双向 HD 中继[42],但这些方案并不 能从根本上解决问题,因为相关的协议仍然以 HD 通信模式工作。
近,全双工(FD,Full-Duplex)无线通信已经成为 5G 网络的备选技术,并受到 业界[43, 44]和学术界[45~47]的重视。与采用 HD 传输的现有通信网络相比,FD 系统同时在相 同频带上发送和接收数据信号,具有以下优点[45]。第一,FD 系统可以更好地利用时间和 频率资源,FD 系统与现有 HD 系统相比可以使链路容量增加一倍。第二,实际上除了数据信号之外,还可以同时发送控制信息或 CSI 等反馈信号以便于数据通信。因此,FD 系 统可以通过在数据传输期间接收反馈信号以减少反馈延迟。第三,FD 系统可以提高通信 安全性。事实上,HD 基站无法保证上行链路的物理层安全,除非外部执行协作抑制以干 扰潜在的窃听者。相反,FD 基站在接收所需的上行链路信号时,可以通过在下行链路中发 送干扰信号来保证上行链路的安全传输。重要的是,可以采用对 FD 通信使用一个频带或对 两个并行 HD 通信使用两个正交频带的混合 HD 和FD 协议,以增加频谱使用的灵活性。
尽管有潜在的益处,FD 通信系统的性能受到自干扰(SI,Self-Interference)的限制, 它们是由下行链路传输到上行链路信号接收的信号泄漏引起的(见图 1.3)。特别地,SI 功率和平均输入信号功率的比率可以容易地超过 100 dB[48]。信号功率之间的巨大差异导 致 FD 设备接收机前端的模数转换器(ADC,Analog to Digital Converter)饱和,严重影 响信号接收。因此,FD 通信在过去 60 年被认为是不切实际的。幸运的是,近的研究 表明,通过使用空间 SI 抑制、数字/射频(RF,Radio Frequency)干扰消除技术和发射/ 接收天线隔离等技术,FD 通信是可行的[47]。已经建立了使用各种 SI 消除技术的 FD 收发 器的几个原型,以证明 FD 通信的可行性和在不同物理环境中与 HD 通信相比的预期性能 增益[49~51]。
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事实上,FD 技术在资源分配和通信协议设计中为无线通信工程师带来了新的研究挑 战。下面,我们将简要讨论 FD 通信系统中的一些开放性问题。一般来说,强 SI 是实现FD 通信的障碍,因为 SI 随 FD 设备发射功率的增加而增加。因此,提出了多天线技术来 克服 SI。特别地,通过利用多天线提供的额外的空间自由度,可以以一定的方向精确地 控制信息信号,从而可以有效地抑制 SI。然而,需要精确的 CSI 来执行资源分配,这在 具有时变无线通信信道的实际系统中可能不可用。因此,考虑 CSI 缺陷的 FD 通信系统的 设计至关重要。另一方面,在具有共享给定频带的多个 FD 基站的蜂窝网络中,即使每个 基站的 SI 可以被控制到可控水平,一个 FD 基站的发送信号也可能对其他基站造成强干 扰。实际上,当基站彼此靠近时,例如,在小基站环境中,基站间干扰将成为严重问题。 因此,FD 基站协调可能是减少基站间干扰的可行解决方案。具体地,可以选择具有有限 交叉干扰的一组 FD 基站来服务一组用户以减少总体干扰。然而,干扰协调需要在 FD 基 站之间进行大量的信息交换,这可能消耗有限系统资源的大部分。后,为 HD 通信系 统设计了物理层、网络层和介质访问控制(MAC,Medium Access Control)层的传统通 信协议。例如,许多现有的物理层技术和 MAC 层协议需要知道无线通信终端的状态,比 如调制格式、码率、QoS 需求和确认状态(ACK,Acknowledgment)。对于当前的 HD 通 信协议,可能需要多个正交时隙来传送所需的信息开销,这将导致系统中不必要的延迟, 并造成延迟敏感的通信服务性能的瓶颈。相反,对于 FD,这些终端可以在发送数据的同 时潜在地交换状态信息。因此,为了充分利用 FD 技术在 5G 网络中引入的潜在性能增益, 需要新的通信协议。这个问题将在第 9 章中详细讨论。

1.8 毫米波

5G 系统的一个关键目标是与上一代相比将数据速率提高 1 000 倍[2]。增加数据速率 的一个直接方法是增加用于传输的带宽。然而,通过重构或更有效地使用传统的 6GHz 以下频带可以实现的带宽增益是非常有限的。因此,到目前为止关注有限的和没有使用 的频段是很自然的。在这方面,30~300 GHz 的毫米波频带近受到相当多的关注[2, 3]。
初,毫米波频率主要被视为无线个人区域网络(WPAN,Wireless Personal Area Networks)和 WLAN 中传输距离极短的解决方案,60 GHz 频段的新 WiGig 标准是一个 显著的例子[52],而在 E-band 中固定无线的频率范围是 71~76 GHz、81~86 GHz 和 92~ 95 GHz [53]。似乎对于需要更长传输距离的应用,毫米波频带的传播损耗将是不可避免的。 因此,毫米波频率在蜂窝系统中被排除了。
在过去几年里,使用毫米波频率进行通信的总体态度发生了巨大变化[54]。这有两个 主要原因,一方面,考虑到基站覆盖范围减小的趋势和短距离技术(如 D2D 通信)的出 现,所需的传输距离已经大大降低。另一方面,大量的信道测量表明,路径损耗并不像 以前考虑的那样严重。事实上,与较低频率相比,使用大型天线阵列能够很好地补偿较 差的传播条件[55]。另一个障碍是无法穿透建筑物墙壁并且需要在视距(LoS,Line of Sight) 内进行可靠通信的毫米波信号的严重堵塞。
虽然毫米波是一个快速成熟的技术,但仍然存在许多研究挑战。与这种高频率/大带 宽传输相关的高采样率使得模数转换和数模转换具有挑战性而且功率低效。因此,代替 传统上在较低频率下使用的全数字信号处理,需要使用模拟移相器和混合模拟数字波束 成形技术[56]。由于严重的阻塞,需要新的协议和用户关联设计[57]。此外,窄波束和毫米 波系统中典型的不完善硬件可能会产生噪声受限而不是干扰受限的系统,这在系统和协 议设计中必须加以考虑。为了解决堵塞问题,可能需要混合设计使用 6 GHz 以下的频率 和毫米波频率的室内-室外通信。具有许多挑战和机遇的另一个重要课题是将毫米波技术 与大规模 MIMO 相结合[58, 59]。尽管面临这些挑战,毫米波今天仍被视为 5G 通信系统中 接入和无线回程的关键推动因素[60, 61]。第 10 章和第 21 章分别讨论了毫米波系统的物理 层和协议设计。

1.9 移动数据分流、非授权频段LTE和智能数据定价

移动数据卸载可以帮助移动网络运营商通过如 Wi-Fi 接入点和小基站(如 Femtocell) 之类的互补网络技术传递移动数据来应对蜂窝数据的指数增长。思科的一份报告[1]显示, 2015 年,分流到 Wi-Fi 和 Femotocell 网络的移动数据流量首次超过蜂窝通信量。移动数 据分流的好处之一是可以减轻蜂窝网络中的拥塞。预计 Wi-Fi 将成为 5G 系统中重要的补 充技术。移动数据分流的早期部署侧重于用户启动的分流,由用户进行分流决定。蜂窝 网络和 Wi-Fi 网络由不同的运营商建立和管理。用户启动的方法使蜂窝网络运营商无法 监视和控制客户的活动。在大多数当前的部署中,移动网络运营商部署自己的 Wi-Fi 网 络,并提供运营商启动的分流,由网络运营商进行分流决策。这有助于无缝认证和漫游、 自动网络选择以及集成策略和计费功能。第 16 章总结了移动数据分流的几个相关标准, 包括接入网发现和选择功能(ANDSF,Access Network Discovery and Selection Function) 、热点 2.0 和下一代热点(NGH,Next Generation Hotspot)。然后提出了两种解决成本、延 迟和能源问题的数据分流算法。
除了移动数据卸载,提高 LTE-Advanced 系统的总体网络吞吐量的另一种方法是在统 一的LTE 网络基础设施下利用许可和非授权频段[62]。这被称为非授权频段LTE 或LTE-U。 无授权频带包括 2.4 GHz 工业、科学和医疗(ISM)频段和 5 GHz 无授权国家信息基础设 施(U-NII,Unlicensed National Information Infrastructure)频段[63]。从网络运营商的角度 看,非授权频段 LTE 的优势包括统一认证程序、集成网络管理、较低的运营成本和网络 资源的有效利用。从用户的角度看,非授权频段 LTE 的优点包括更高的吞吐量、可靠和 安全的通信,以及无缝的移动性和网络覆盖。然而,在部署非授权频段 LTE 时有几个技 术挑战。其中之一是非授权频段 LTE 和现有 Wi-Fi 系统之间的和谐共处。由于 Wi-Fi 系 统使用具有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA-CA,Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance)作为 MAC 协议,未经过适当设计的非授权频段 LTE 信号可能会对 Wi-Fi 系统产生连续干扰。为解决共存问题,非授权频段 LTE 的设备需要通过使用如信 道评估和载波监听技术来感知信道是否被占用。这些技术还可以防止非授权频段 LTE 设 备长时间占用一个信道。因此,设备可以以公平和友好的方式与 Wi-Fi 用户共享未授权 的带宽。此外,在非授权频段 LTE 中,在通信会话期间,主分量载波的授权载波和次要 分量载波的一些非授权的载波被一次分配给用户。控制信号始终通过主分量载波传输, 确保无处不在的覆盖。次要分量载波的分配可以根据用户的业务需求进行动态调整。因 此,可以通过载波聚合或链路聚合来提高聚合网络的吞吐量。授权辅助接入(LAA, Licensed Assisted Access)和 LTE-WLAN 聚合(LWA,LTE-WLAN Aggregation)正在 3GPP[64]内进行标准化。非授权频段 LTE 的共存问题和相应资源分配算法将在第 20 章 中详细讨论。
目前,大多数移动服务提供商用基于使用的定价方案对其移动客户的数据使用收费。 第 22 章介绍了不同类型的智能数据定价机制。这些机制关注用户在无线蜂窝网络或其 他类型网络中使用数据所支付的价格。通过改变价格,移动服务提供商可以影响用户对 不同类型移动数据的需求。这有助于服务提供商分流拥塞期的数据流量。移动服务提供 商实施智能数据定价有几个好处[65]。第一,交易数据计划使移动服务提供商能够吸引 更多用户,尤其是高用量的用户。第二,移动服务提供商可以通过允许内容和应用程序 提供商赞助其客户的移动数据以获得额外的收入。第三,智能数据定价可以通过将流量 分流到其他备用网络以减少 LTE 网络的拥塞。智能数据定价机制的细节将在第 22 章中介绍。
1.10 IoT、M2M和D2D

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