北邮通信博士万字长文,带你秒懂 4G/5G 区别!

2019-06-24 11:05 稿源:CSDN公众号  0条评论

大规模MIMO

为了提高空域增益,信号发射端(例如基站)可以部署多天线系统,并让每个天线独立发射信号,同时在接收端用多个天线接收并恢复信息,这种多天线使用方式我们称之为MIMO(Multiple Input Multiple Output)。

 


MIMO可以非常有效的提升数据传输速度,理想情况下,对于上下行天线数目相同的MIMO设计(例如有M个收发天线),那么信道容量/最大数据传输速度可以提升M倍。

 

同时,MIMO也可以通过波束设计完成发射能量聚焦,从而提升接受信号能量,提升信噪比和基站覆盖范围。不过通常情况下这种方式所提升的覆盖范围会受到较为严重的障碍物衰减。

      

这种多天线设计需要对每个天线都赋予权重,才能因此提高空间复用增益。因此传统的大量无源天线需要转变为5G时代的有源天线,这会导致成本提升和能耗增加。 

4G到5G的一个非常大的调整是采取了massive MIMO作为基站多天线解决方案。简单来说,Massive MIMO和MIMO这两者的区别就是字面意思,天线阵子的数目是不是足够大。 

天线数目越大,就越有能力提供更多的信道自由度增益,这些增益可以用做空间分集,提高信号传输的可靠性,也可以用做空间复用,提高数据传输速度。同时,当天线数据大到一定程度时,天线的权重设计(预编码矩阵)的算法复杂度可以通过一些简单的线性算法得到很有效的解。 

 

注:理论上来说,MIMO的天线数目多少会直接影响到可以发送或者接受的独立信息流数目(通常等于预编码矩阵秩),因此当我们描述MIMO系统时,通常会说到基站发射天线数量以及用户设备接受天线数量,比如4x4 MIMO代表在基站采用 4 个发射天线,手机采用 4 个发射天线,它会产生 2 个独立信息流(预编码矩阵秩为2)。 

由于手机内部容量受限,对于sub 6G频段的终端天线数目增加难度很大,目前手机中sub 6G天线数目最多的是 4 个,而随着基站数目并不受限,它始终在不断提升。因此针对基站的MIMO系统存在另外一种表述方式:只描述发射天线数目,比如目前所说的MIMO 32TR是指基站拥有 32 个发射(Tx)信道和 32 个接收(Rx)信道。通常我们认为5G中用于 sub 6G 的massive MIMO应当大于16TR,目前主流有16TR、32TR和64TR几种配置。 

  

同时,在目前5G所采用的两种频段(sub 6G和毫米波)中,massive MIMO的使用方式和目的都有所不同。在sub 6G宏基站中,massive MIMO主要目的是尽量提供更多的复用增益,也就是尽量提供更多的独立数据流给各个用户,我们通常称这种工作场景为多用户MIMO(MU-MIMO);而毫米波基站中,massive MIMO的主要目的是提高基站覆盖范围,弥补路径损耗,提高单个用户的信噪比和空间增益,我们通常称这种工作场景为单用户MIMO(SU-MIMO)。这两种目的决定了波束赋形和预编码的算法设计和硬件设计都略有不同。 

   

     

对于设备商来说,Massive MIMO基站的设计也遇到了成本问题:当天线阵子数目增加之后,单个基站的射频信号处理链路(RF chain)数目也会随之增加,这会导致单个基站的成本大幅度攀升。特别是毫米波基站覆盖范围小,这种现象会更为严重。目前普遍的做法是采用模拟-数字混合链路设计方案来代替原本的纯数字链路设计,以达到降低成本的目的。

波束管理和初始接入

Massive MIMO 可以非常有效的提高用户数据传输速率和基站覆盖范围,也能提升单个基站的用户容量。

然而多天线所形成的波束经过设计(波束赋形)之后虽然能量会上升,同时覆盖范围会上升,但是单个波束的照射区域大小却会下降。它们之间的对比就像电灯泡和手电筒。

    

    

这种情况下,用户可能仅仅数米就能走出波束的照射范围;更重要的问题是,低照射范围会面带来用户接入问题。 

注:在sub 6G基站中,因为同小区内可能会存在多个波束用来服务不同用户;当 2 个或者 2 个以上波束照射区域重叠时,同频用户会发生波束间干扰;甚至当用户接入此基站时,也需要鉴别自己接入的是波束序号,以确定自己的资源分配方案。 

因此,如何正确管理和切换Massive MIMO小区中波束,是另外一大4G和5G的不同。因为这个问题与传统的4G小区切换和初始接入相同,所以有人称5G中massive MIMO会导致传统小区分裂为多个扇状小区。 

   

波束管理的目的是为了中确认并维持一个或多个用户-基站间的可用波束,它需要确定适合当前用户的最佳波束、测量用户与基站之间的信道状态、调整massive MIMO中的波束成型算法以跟踪用户。当用户存在另外的最佳波束时,对用户做出波束切换。 

而当用户接入时,初始接入就是波束管理的第一步。 

 

 

当一个用户在另一个sub6G基站范围内出现时(不考虑小区切换),会启动初始接入阶段。这个阶段大致分为三步,波束扫描同步信号和小区信息、用户发起随机接入请求并微调基站波束朝向、用户微调自身接收完成波束匹配和绑定。这样单个用户在基站范围内就拥有了特定的波束来追踪用户轨迹,提供通信服务。

LTE-NR载波聚合/双连接

上文中有提到,LTE-A系统中采用载波聚合来提升单个用户可获得的带宽,通过允许用户在多个载波上同时传输数据来提升峰值数据速率。其实载波聚合中最简单的应用场景是在相同的工作频段中使用连续子载波(带内连续载波)进行聚合。但是这并不普遍适用,很多情况下,LTE系统中聚合的是带外非连续载波。

    

注:LTA-A中支持最大 5 载波聚合,提供100MHz的可用带宽,而LTA-A Pro中支持最大 32 载波聚合,提供640MHz的可用带宽。

而3GPP中定义的载波聚合只能允许单用户在对来自同一基站的载波进行聚合,当有来自 2 个基站的载波时需要同时接收时,这种方式被称为双连接(Dual Connectivity)。双连接可以允许用户同时在来自两个不同基站的多个载波上同时传输和发送数据,这两个基站分别被称为主基站和第二基站。 

 

 

注:因为5G中将会采用多种频谱覆盖同一区域,同时会将控制数据和用户数据分离,这会导致异构小区大量存在,在这种情况下采用双连接来连接宏基站和微基站是非常必要的。

在5G部署初期的非独立组网(NSA)阶段,5G基站将会锚定在4G系统中,而LTE系统和5G NR系统频段不同,基站也不同。这时候可能会采用双连接来同时处理来自eNB和gNB的多频段载波信息。

  

从目前来看,载波聚合和双连接均会被用在5G NSA组网中。理论上5G NR的载波聚合可以获得高达1GHz频谱,同时传输不同帧的数据,同时也能加快5G中NSA网络的部署(仅仅需要添加5G基站,不需要过多更改4G核心网)。

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