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未来移动通信中的非正交异步波形

摘 要

本文基于欧盟的研究项目5GNOW，阐述了一些下一代无线通信LTE-A（5G）的基本的特点，我们从应用需求来开始描述5G的网络过渡。我们首先说明，物联网的到来和它的一体化对传统的人类通信方式提出了创造重新设计一个基本系统的需求。然后我们明确表示，严格同步性和正交性的范式应用于LTE阻碍了频谱效率的提高我们挑战这个规范，并提出新的物理层技术的关键。如一个统一的框架结构，包括滤波功能的多载波波形设计，稀疏信号处理机制鲁棒性框架，和极短的传输时延。这些5G的关键技术确保了高效可扩展的空中接口和支持高度灵活的业务需求支持。

第1章 究竟是什么在推动5G的发展

更大，更快，更高？人们对宽带的需求推动了移动蜂窝网络的发展。在另一方面，在过去20年的杀手级应用的成功推广已经对市场产生重大影响：首先，人们需要不受限制的电话。无线实时语音通信技术的出现使得无绳电话获得成功，由此诞生了蜂窝通信的第一代系统（1G）。不久，（2G）注册成立，双向寻呼工具 - 短消息服务（SMS）短信成为第二个杀手级应用。随着无线局域网（WLAN）技术的成功（即IEEE 802.11）和笔记本电脑在市场的大规模普及，人们对网上冲浪兴趣大增。这为在3G的下一个杀手级应用：无线数据连接创造了市场机会。接下来技术的发展逻辑便是笔记本电脑与蜂窝电话融合为今天的智能手机，使得人们能在任何时候，任何地方通过高速宽带，在指尖了解天下事。目前的4G就是所谓的长期演进 - 高级（LTE-A）技术。智能手机无疑是为未来移动接入的服务焦点。现在， 5G的杀手级应用是否崛起呢？

1.1 5G应用需求

5G的基础研究正在有条不紊地进行。它的主要驱动力是：

• 物联网（IOT）：物联网起着关键作用，但它的商业模式还没有起步呢。面临的主要挑战是可扩展性的问题，比如说，一个小区中有超过100万的机器型通信（MTC）节点要求其成本低（低于10元的无线模块），寿命长（大于10年）。物联网可以使得互联网时代人人交互方式变成更一般的机器对机器平台的交互方式。
• 千兆无线连接：例如，用户可能用100 Mb / s的速度，下载3D流媒体内容（例如，从无线数据亭），因此，以 10 Gb / s的速度下载，下载时间预计要快100倍。千兆无线连接也有望在大的聚会中连接交互设备（智能手机，平板电脑等）。
• 触觉因特网：它由低延时，大量的实时应用程序构成。人体可以区分延迟1毫秒精度的触觉激励。受其启发，5G可以控制改变方案，这是对如今的通信的颠覆性变革; 其应用范围从虚拟信息的显示到机器人和车辆安全性和智能城市。1毫秒的往返时间是典型的触觉交互时间。这需要最大100微秒的物理（PHY）层上的一个时间预算。在两个数量级内失联，已经大大高于当前的无线蜂窝系统标准。

......，也许还有更多。预想5G服务体系结构被描绘在图1。

图1.1 5G服务体系结构

从技术角度来看，在异构网络或未来的小区场景的前提下给用户提供统一的服务体验似乎是最大的挑战。网络运营商不仅要做好准备迎接更快的用户速率要求和提高整体所需的带宽的挑战，而且还要根据不同的（几乎矛盾的）的应用需求实现服务差异化。因此，无线电接入必须灵活，可扩展，内容识别，坚实，可靠，和在能源使用和频谱利用方面高效。实际上，下面概述当前4G系统的限制。为了补偿供将来用户服务的投资成本，运营商依赖的共同利益链在未来将倍感压力。因此，我们必须对PHY层进行创新的，颠覆性的重新设计。

我们先简短讨论架构方面的特性（这不是这里的重点），再说明为什么LTE-A的正交频分复用（OFDM）技术不符合5G标准。如图1，蜂窝系统致密化以及光基站（BS）与资源池和数据聚集（云计算）将在未来一起部署。要注意的是5G应用要求和基于云的构架元件不是完全独立的。例如，极低的延迟要求的触觉因特网需要基带处理单元（多个）通过实时应用使其相对邻近其终端。这意味着，对于这样的应用，云不能在偏远地区，但必须在应用程序一定范围之内。（因此在PHY层上以光速和100 us的预算，其限制结果是小区最大半径为30公里）。

第2章 为什么我们需要新的载波技术

本文的主要假设是，当今LTE-A的无线接入网络的PHY层的同步和正交性的底层的设计原则成为了设想的服务体系结构的主要障碍。同步意味着发件人与他们的处理对象以共同的时钟进行操作。正交意味着在接收器的波形检测过程没有串扰发生。通常情况下，这两个相关。有时，为建立正交性必需“粗”同步。如果离散傅立叶变换（DFT）窗口可以随同步机制适当地调整，LTE-A的OFDM调制在连通后仍保持副载波的波形正交。在单个小区中如果容量实现方案例如叠加编码被每个子载波使用，其接近最优处理。然而，一旦正交被破坏（例如，由于信道的随机存取或者多小区操作），OFDM中失真无界累积。这是由于所谓的再现狄利克雷 OFDM，哪个快接近 ，该 是子载波的数目。对于这样的核，这是众所周知的，小的错误（例如，由于采样或频率偏移）的扩增是不独立于 并且以增加。因此，我们认为最好是部分或完全放弃严正交，转而控制障碍。

让我们讨论一些有趣的例子。

2.1 突发交通

突发交通发产生设备（例如，物联网的MTC设备）不应该被强制集成到LTE-A PHY层的随机访问正交约束的同步过程中。相反，理想情况下，他们随机唤醒，然后粗同步并立刻传递信息。通过这样做，上行链路数据管道信令开销大大减少所以MTC流量被去除。因此，减轻了同步要求，可显著提高操作能力和改善网络性能以及用户体验和提高自发MTC节点的寿命。

有趣的是，由于快速休眠的操作，突发访问给移动接入网络带来了另一个显著的挑战。一旦下载到智能手机的数据流变成空闲状态，智能电话制造商所使用的快速休眠技术就可以通过断网功能节省电池电量。因此，当移动电话传递更多的数据信息时，它总是再次经历完整的同步过程。其实，，每天这可能发生数百次而且显著地导致控制信令的增长和网络拥塞威胁。粗略估算，传递一个数据资源元素需要2000个控制资源要素（例如副载波）。

我们的结论是突发流量必须在上行链路和特别是在上行链路的随机接入信道（RACH）由非正交的波形的异步信令来传递。后来，我们总结出一个合适的稀疏信号处理概念与新波形以共同有效应对突发业务和控制信令的问题。事实上，控制帧和数据帧的比率可以通过这样的概念反转到单个子帧内5％以下。

2.2 光谱和时间分散

由于分散，频谱是稀缺和昂贵，而且未被充分利用：这通常称为频谱悖论。因此，载波聚合将通过可变地聚集非连续频带，实现快得多的速率[ 2 ]。载波聚合使用单独的射频前端访问不同的频道，从而增强分离的频带如L波段的吸引力。实际上，为了扩展移动宽带，欧洲和美国积极寻找新的频谱。它包括投机使用频谱。过去十年中，这一直是一个有趣的研究领域。此外，采用认知无线电技术检测和评估信道空闲很可能可能在未来形成新的商业模式。在美国第一次真正实现与电视的空白探索一起开始。加之欧洲正在进行监管框架的准备，如果它利用频谱灵活性，克服保护原有系统低带外辐射的严格实施要求中，利用频谱技术可以应用在5G的市场。

在LTE-A的波形在其他传统网络中使用大量的保护频带，以满足频谱屏蔽要求。但它或严重降低频谱效率或影响频带使用。这是再一次的PHY层内严格正交性和同步性约束的成果。此外，在一个来自微微或毫微微蜂窝和高度重叠的覆盖的不协调的干扰场景中，在新的波形中改变协调度以保持同步和正交网络似乎很虚幻。除了频谱分散，时间分散是另一个关键问题（例如，由于在异步上行链路RACH的突发访问）。值得注意的是，在多点协作（CoMP）的上下行中异步信令也很重要。

总之，其中多个用户被分配的宽时间同步的频率资源的5G方案必须通过新的波形来解决。这样的波形必须实现尖频notches和紧频谱屏蔽，以不干扰其他传统系统，并且稳健异步信令和处理不协调的干扰。传统OFDM方案不适合，由于环状前缀（CPS）或循环后缀（CSS）的保护间隔的不灵活处理（GIS） - - 以及较差的频谱定位。 在后面的章节中，我们讨论的波形将实现 的定位（例如，LTE-A OFDM的35分贝旁瓣与相比多载波滤波器组（FBMC）55分贝旁瓣[8]），这就是零散频谱方案和CoMP方案一个真正的区别。

2.3 实时约束

第四代系统的终端和BS之间具有来自资源的调度，帧处理，重传程序等等的多个10毫秒的延迟。然而，未来的应用计划，如触觉互联网场景需要与人类触觉能力相匹配的超低延迟。在这样的环境中，连接着的大量的分布式传感器和致动器的将以增强的方式实现实时触觉交互。共享介质变成了一个额外的挑战。它规定该节点上的短的唤醒周期，使用脉冲串传输。相反，他没有通过引入先进的算法来达到同步消耗频谱和功率资源，而是使用很有前景的异步方法。

为了实现超低延迟，通信和控制链的每个元素必须被优化。聚焦在PHY层上， LTE-A系统支持以1毫秒的固定传输时间为间隔（TTL）的不同间隔尺寸的调度资源。TTL表示固有下界的LTE-A系统的物理层延迟。显然，如触觉情景因特网在PHY层上的时间分配 最大值是，帧的持续时间必须减少。LTE-A的其OFDM符号持续时间 并不好。为了讨论可能的替代方案，假设是符号持续时间。这意味着，一个帧由五个符号构成，它允许一个适当的框架结构用于随机接入信道。综合考虑，比如说，1公里的单元格区域，预期延迟利差是; 因此，CP是必需的，以确保一个码间干扰（ISI）-free的场景。因此，常规OFDM的在频谱效率有20％的损失。用单个CP发送多个符号的非正交波缓和了严格的时间域要求。

引起的短帧的另一个主要缺点是一个给定的吞吐量需要保持固定的带宽增量。一种灵活的有载波间干扰（ICI）非正交多载波波形可使用非比例副载波间隔，以容纳所需的带宽。可替代地，非CON-tiguous光谱可以聚合。它可由非正交波形的低带外发射所启用。

短帧也对移动性支持和操作频率具有积极意义。LTE-A的设计已支持50公里每小时移动引起的100赫兹多普勒扩展。通过减少帧持续时间，有可能或支持更高的移动性，或工作在更高的频率范围。最后，短帧带给上层协议层的好处：为避免帧的重发，实时应用的等待时间要求健坚实的PHY层，。应用程序可能希望被确认的信令。短帧将使更少的耗时算法实现。

总之，虽然我们可以调整OFDM以满足不同的调度资源的间隔尺寸，但是的当前的LTE-A标准不能适应的顶部运行的实时服务的等待时间要求。如果为达到非常短的往返延迟，而减少符号的持续时间，所述GIs不能相应地缩放，因此会严重影响频谱效率或小区大小。所需的灵活性只能用新波形来实现，如图后面的部分。

第3章 5G物理层体系结构的设计

3.1 统一的帧上行架构

5G方法必须能够有效地支持未来无线蜂窝系统的不同类型的业务。我们的统一框架结构的概念设想在图2，其目的是处理5G系统的系列要求。滤波后的多载波方法支持同步/异步和正交/非正交流量类型，其中该波形的缩小旁瓣电平将使ICI和LSI最小化。具有大容量数据传输和高频谱效率的传统比特管道流量（I型）尽可能利用正交性和同步性（例如，服务小区中心用户时）。该比特管道可能有一个潜在的实时载体。公共时间频率资源的垂直分层以非正交信号形式更加有效地支持异构小区结构和小区边缘的传输。对于区域中高容量的数据应用程序（11型），产生了多小区多用户收发信机的概念。交织分多址的原则（IDMA），最初发表在[ 3 ]，是一个产生这些信号层的非常有前景的方法，同时也是极好的接收器和编码的方法。

MTC预计将是5G系统的主导应用。对于冲突流量类型（类型III）中，基于竞争的访问的技术很有吸引力。它通过放弃严格同步要求以节省开销。传感器类型流量（IV型），开放无重倡议（http://www.weightless.org）已经表明，从能量效率的角度来看，通过传播在时间上扩展传输是有利的。这种附加的信号层可通过IDMA的方式再次进行处理。

3.2 处理异构信息流类型

万向过滤多载波（UFMC）是最近引入的技术[ 10 ]，可理解为为滤波后的OFDM [ 8 ]。其中滤波是在整个频带和FBMC上进行。在FBMC（交错的多频，SMT）[ 8 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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