面向5g的光纖無線融合通信技術(shù)

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1、面向5G的光纖無線融合通信技術(shù)移動(dòng)通信網(wǎng)9月6日消息，2013年寬帶通信與物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)研討會(huì)昨日下午在深圳金中環(huán)酒店舉行。會(huì)上，來自華中科技大學(xué)的張敏明博士帶來了題為“面向5G的光纖無線融合通信技術(shù)”的演講，闡述了光纖傳輸在面向5G的無線融合領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)?！綩Fweek2013寬帶通信與物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)研討會(huì)專題報(bào)道】華中科技大學(xué)　張敏明博士　　以下為演講內(nèi)容?！　〉谖宕苿?dòng)通信（簡稱"5G"）是為滿足智能終端的普及以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速擴(kuò)容而正在研究開發(fā)的新一代移動(dòng)通信技術(shù)。根據(jù)國際前沿研究，未來的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)該體現(xiàn)"大容量、低能耗、低

2、成本"三大技術(shù)要求，采用何種體制以及何種技術(shù)路線，目前國際上正在開展熱烈研究，也提出多種方案?，F(xiàn)有已經(jīng)部署的3G和即將部署的4G，射頻信號(hào)均采用純無線傳輸，其重要特征即是"基站"和"天線"的一體化架構(gòu)。而未來的5G網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有的3G和4G具有極大的不同，一是天線數(shù)目從4根可能增大至128根，致使基站的處理能力要求倍增，能耗也相應(yīng)增大，可能需要機(jī)房設(shè)施；二是天線覆蓋范圍由數(shù)公里縮小至數(shù)百米，這就要求基站數(shù)目大幅度增加，進(jìn)一步形成能耗和成本壓力；三是大規(guī)模天線陣列射頻信號(hào)數(shù)字化的總傳輸容量預(yù)期將達(dá)到T比特量級(jí)，傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式成本將會(huì)很高。為了解

3、決5G傳輸存在的瓶頸問題，因此，"光纖無線融合傳輸"成為國際上面向5G開展研究的關(guān)鍵熱點(diǎn)技術(shù)之一?！　‰S著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的豐富應(yīng)用帶動(dòng)了移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大幅度增長。據(jù)預(yù)測(cè)，隨著智能終端的普及以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，到2020年，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量將增長1000倍，這就給移動(dòng)和無線接入網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。按照諾基亞-西門子網(wǎng)絡(luò)公司的預(yù)計(jì)，為了在大幅度擴(kuò)容時(shí)同時(shí)滿足綠色和低成本的運(yùn)營要求，5G無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和能量效率都需要在4G標(biāo)準(zhǔn)上提高一個(gè)數(shù)量級(jí)?！　∈紫?，在無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面，基于云架構(gòu)大規(guī)模協(xié)作的無線網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)大容量、

4、綠色和低成本5G網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。云架構(gòu)無線接入網(wǎng)原理結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，利用光纖分配網(wǎng)絡(luò)連接云機(jī)房的基帶處理單元（BBU）和室外的遠(yuǎn)端射頻頭（RRH）。其通過1)BBU"云"化方式極大減少基站機(jī)房數(shù)量，減少配套設(shè)備特別是空調(diào)的能耗（目前約占總能耗33%）；2)減小小區(qū)覆蓋以及大規(guī)模天線協(xié)作大幅提高射頻功率效率（目前約占總能耗30%）；3)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)資源協(xié)同調(diào)度避免負(fù)載時(shí)段潮汐效應(yīng)造成的大量發(fā)射功率浪費(fèi)；4)集中化大規(guī)模協(xié)作變小區(qū)間干擾為增益，大幅度提高頻譜效率；5)軟件定義無線電技術(shù)靈活支持多標(biāo)準(zhǔn)降低運(yùn)營成本?！　∑浯危跓o線傳輸技術(shù)層面，大規(guī)模

5、陣列天線多輸入多輸出（MassiveMIMO）技術(shù)以其在頻譜效率、能量效率、魯棒性及可靠性方面巨大的潛在優(yōu)勢(shì)，可能成為未來5G通信中具有革命性的技術(shù)之一。多天線多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)能夠充分挖掘空間維度資源，顯著提高頻譜效率和功率效率，已經(jīng)成為4G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前的IMT-Advanced（4G）標(biāo)準(zhǔn)采用了基于多天線的MIMO傳輸技術(shù)，利用無線信道的空間信息大幅提高頻譜效率。但是現(xiàn)有4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的8端口多用戶MIMO（MU-MIMO）不可能滿足頻譜效率和能量效率的數(shù)量級(jí)提升需求。2010年貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員提出了大規(guī)模陣列天線

6、MIMO技術(shù)，通過在基站使用大數(shù)量的天線和相應(yīng)的波束成型技術(shù)，不僅能夠顯著地克服信道衰落和噪聲影響，而且能夠有效克服同信道干擾問題，從而大幅提升通信系統(tǒng)的頻譜和功率效率。大規(guī)模陣列天線MIMO技術(shù)是MIMO技術(shù)的擴(kuò)展和延伸，其基本特征就是在基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列（從幾十至幾千），利用空分多址（SDMA）原理，同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶。理論上，無論是在視距環(huán)境的強(qiáng)相關(guān)信道，還是富散射下的非相關(guān)信道，任意兩個(gè)用戶的信道之間的相關(guān)系數(shù)隨著天線數(shù)目的增加成指數(shù)形式衰減，比如當(dāng)基站側(cè)配置有100根天線時(shí)，任意兩個(gè)用戶的信道之間相關(guān)系數(shù)趨近于0，也即是說多用戶

7、對(duì)應(yīng)信道之間接近正交。由于大規(guī)模天線陣列帶來的巨大陣列增益和干擾抑制增益，使得小區(qū)總的頻譜效率和邊緣用戶的頻譜效率得到了極大的提升。此外，在基站側(cè)的天線陣可以增加無線傳輸?shù)墓β市?，從信息論角度看，?dāng)天線數(shù)趨于無窮時(shí)，對(duì)單用戶發(fā)射功率可以任意小。由于發(fā)射端天線數(shù)通常遠(yuǎn)大于用戶天線數(shù)，其充裕的天線自由度為鏈路的高魯棒性和可靠性提供了可能性?！　〈笠?guī)模陣列天線MIMO技術(shù)相對(duì)常規(guī)MIMO技術(shù)，天線數(shù)將增加1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，在陣列結(jié)構(gòu)、信道估計(jì)、預(yù)編碼、檢測(cè)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)上帶來的"量變"：結(jié)構(gòu)和算法的復(fù)雜度呈數(shù)量級(jí)提高。同時(shí)，目前關(guān)于大規(guī)模陣列天線MIMO

8、的研究都忽略了它在云架構(gòu)無線接入網(wǎng)的無線傳輸技術(shù)層面可能帶來的"質(zhì)變"。假設(shè)陣列天線由128根天線組成，信號(hào)帶寬100MHz，采用16bits量化和8