全雙工通信 | 帶你讀《5G系統關鍵技術詳解》之三

第 1 章 5G 系統新技術的概況

1.6 大規模MIMO

1.7 全雙工通信

雖然 C-RAN、NOMA 和大規模 MIMO 等先進技術能夠緩解系統資源的短缺，但頻 譜資源仍未得到充分利用。特别地，傳統的無線通信裝置以半雙工（HD，Half-Duplex） 模式工作，其中，下行鍊路和上行鍊路通信在頻率或時間上正交分離，這導緻頻譜效率 的顯著損失。雖然研究人員已經提出了各種技術來小化/恢複 HD 通信固有的頻譜效率 損失，如聯合動态上行鍊路和下行鍊路資源配置設定[41]和雙向 HD 中繼[42]，但這些方案并不 能從根本上解決問題，因為相關的協定仍然以 HD 通信模式工作。

近，全雙工（FD，Full-Duplex）無線通信已經成為 5G 網絡的備選技術，并受到 業界[43, 44]和學術界[45~47]的重視。與采用 HD 傳輸的現有通信網絡相比，FD 系統同時在相 同頻帶上發送和接收資料信号，具有以下優點[45]。第一，FD 系統可以更好地利用時間和 頻率資源，FD 系統與現有 HD 系統相比可以使鍊路容量增加一倍。第二，實際上除了資料信号之外，還可以同時發送控制資訊或 CSI 等回報信号以便于資料通信。是以，FD 系 統可以通過在資料傳輸期間接收回報信号以減少回報延遲。第三，FD 系統可以提高通信 安全性。事實上，HD 基站無法保證上行鍊路的實體層安全，除非外部執行協作抑制以幹 擾潛在的竊聽者。相反，FD 基站在接收所需的上行鍊路信号時，可以通過在下行鍊路中發 送幹擾信号來保證上行鍊路的安全傳輸。重要的是，可以采用對 FD 通信使用一個頻帶或對 兩個并行 HD 通信使用兩個正交頻帶的混合 HD 和FD 協定，以增加頻譜使用的靈活性。

盡管有潛在的益處，FD 通信系統的性能受到自幹擾（SI，Self-Interference）的限制， 它們是由下行鍊路傳輸到上行鍊路信号接收的信号洩漏引起的（見圖 1.3）。特别地，SI 功率和平均輸入信号功率的比率可以容易地超過 100 dB[48]。信号功率之間的巨大差異導 緻 FD 裝置接收機前端的模數轉換器（ADC，Analog to Digital Converter）飽和，嚴重影 響信号接收。是以，FD 通信在過去 60 年被認為是不切實際的。幸運的是，近的研究 表明，通過使用空間 SI 抑制、數字/射頻（RF，Radio Frequency）幹擾消除技術和發射/ 接收天線隔離等技術，FD 通信是可行的[47]。已經建立了使用各種 SI 消除技術的 FD 收發 器的幾個原型，以證明 FD 通信的可行性和在不同實體環境中與 HD 通信相比的預期性能 增益[49~51]。

事實上，FD 技術在資源配置設定和通信協定設計中為無線通信工程師帶來了新的研究挑 戰。下面，我們将簡要讨論 FD 通信系統中的一些開放性問題。一般來說，強 SI 是實作FD 通信的障礙，因為 SI 随 FD 裝置發射功率的增加而增加。是以，提出了多天線技術來 克服 SI。特别地，通過利用多天線提供的額外的空間自由度，可以以一定的方向精确地 控制資訊信号，進而可以有效地抑制 SI。然而，需要精确的 CSI 來執行資源配置設定，這在 具有時變無線通信信道的實際系統中可能不可用。是以，考慮 CSI 缺陷的 FD 通信系統的 設計至關重要。另一方面，在具有共享給定頻帶的多個 FD 基站的蜂窩網絡中，即使每個 基站的 SI 可以被控制到可控水準，一個 FD 基站的發送信号也可能對其他基站造成強幹 擾。實際上，當基站彼此靠近時，例如，在小基站環境中，基站間幹擾将成為嚴重問題。 是以，FD 基站協調可能是減少基站間幹擾的可行解決方案。具體地，可以選擇具有有限 交叉幹擾的一組 FD 基站來服務一組使用者以減少總體幹擾。然而，幹擾協調需要在 FD 基 站之間進行大量的資訊交換，這可能消耗有限系統資源的大部分。後，為 HD 通信系 統設計了實體層、網絡層和媒體通路控制（MAC，Medium Access Control）層的傳統通 信協定。例如，許多現有的實體層技術和 MAC 層協定需要知道無線通信終端的狀态，比 如調制格式、碼率、QoS 需求和确認狀态（ACK，Acknowledgment）。對于目前的 HD 通 信協定，可能需要多個正交時隙來傳送所需的資訊開銷，這将導緻系統中不必要的延遲， 并造成延遲敏感的通信服務性能的瓶頸。相反，對于 FD，這些終端可以在發送資料的同 時潛在地交換狀态資訊。是以，為了充分利用 FD 技術在 5G 網絡中引入的潛在性能增益， 需要新的通信協定。這個問題将在第 9 章中詳細讨論。

1.8 毫米波

5G 系統的一個關鍵目标是與上一代相比将資料速率提高 1 000 倍[2]。增加資料速率 的一個直接方法是增加用于傳輸的帶寬。然而，通過重構或更有效地使用傳統的 6GHz 以下頻帶可以實作的帶寬增益是非常有限的。是以，到目前為止關注有限的和沒有使用 的頻段是很自然的。在這方面，30～300 GHz 的毫米波頻帶近受到相當多的關注[2, 3]。

初，毫米波頻率主要被視為無線個人區域網絡（WPAN，Wireless Personal Area Networks）和 WLAN 中傳輸距離極短的解決方案，60 GHz 頻段的新 WiGig 标準是一個 顯著的例子[52]，而在 E-band 中固定無線的頻率範圍是 71～76 GHz、81～86 GHz 和 92～ 95 GHz [53]。似乎對于需要更長傳輸距離的應用，毫米波頻帶的傳播損耗将是不可避免的。 是以，毫米波頻率在蜂窩系統中被排除了。

在過去幾年裡，使用毫米波頻率進行通信的總體态度發生了巨大變化[54]。這有兩個 主要原因，一方面，考慮到基站覆寫範圍減小的趨勢和短距離技術（如 D2D 通信）的出 現，所需的傳輸距離已經大大降低。另一方面，大量的信道測量表明，路徑損耗并不像 以前考慮的那樣嚴重。事實上，與較低頻率相比，使用大型天線陣列能夠很好地補償較 差的傳播條件[55]。另一個障礙是無法穿透建築物牆壁并且需要在視距（LoS，Line of Sight） 内進行可靠通信的毫米波信号的嚴重堵塞。

雖然毫米波是一個快速成熟的技術，但仍然存在許多研究挑戰。與這種高頻率/大帶 寬傳輸相關的高采樣率使得模數轉換和數模轉換具有挑戰性而且功率低效。是以，代替 傳統上在較低頻率下使用的全數字信号處理，需要使用模拟移相器和混合模拟數字波束 成形技術[56]。由于嚴重的阻塞，需要新的協定和使用者關聯設計[57]。此外，窄波束和毫米 波系統中典型的不完善硬體可能會産生噪聲受限而不是幹擾受限的系統，這在系統和協 議設計中必須加以考慮。為了解決堵塞問題，可能需要混合設計使用 6 GHz 以下的頻率 和毫米波頻率的室内-室外通信。具有許多挑戰和機遇的另一個重要課題是将毫米波技術 與大規模 MIMO 相結合[58, 59]。盡管面臨這些挑戰，毫米波今天仍被視為 5G 通信系統中 接入和無線回程的關鍵推動因素[60, 61]。第 10 章和第 21 章分别讨論了毫米波系統的實體 層和協定設計。

1.9 移動資料分流、非授權頻段LTE和智能資料定價

移動資料解除安裝可以幫助移動網絡營運商通過如 Wi-Fi 接入點和小基站（如 Femtocell） 之類的互補網絡技術傳遞移動資料來應對蜂窩資料的指數增長。思科的一份報告[1]顯示， 2015 年，分流到 Wi-Fi 和 Femotocell 網絡的移動資料流量首次超過蜂窩通信量。移動數 據分流的好處之一是可以減輕蜂窩網絡中的擁塞。預計 Wi-Fi 将成為 5G 系統中重要的補 充技術。移動資料分流的早期部署側重于使用者啟動的分流，由使用者進行分流決定。蜂窩 網絡和 Wi-Fi 網絡由不同的營運商建立和管理。使用者啟動的方法使蜂窩網絡營運商無法 監視和控制客戶的活動。在大多數目前的部署中，移動網絡營運商部署自己的 Wi-Fi 網 絡，并提供營運商啟動的分流，由網絡營運商進行分流決策。這有助于無縫認證和漫遊、 自動網絡選擇以及內建政策和計費功能。第 16 章總結了移動資料分流的幾個相關标準， 包括接入網發現和選擇功能（ANDSF，Access Network Discovery and Selection Function） 、熱點 2.0 和下一代熱點（NGH，Next Generation Hotspot）。然後提出了兩種解決成本、延 遲和能源問題的資料分流算法。

除了移動資料解除安裝，提高 LTE-Advanced 系統的總體網絡吞吐量的另一種方法是在統 一的LTE 網絡基礎設施下利用許可和非授權頻段[62]。這被稱為非授權頻段LTE 或LTE-U。 無授權頻帶包括 2.4 GHz 工業、科學和醫療（ISM）頻段和 5 GHz 無授權國家資訊基礎設 施（U-NII，Unlicensed National Information Infrastructure）頻段[63]。從網絡營運商的角度 看，非授權頻段 LTE 的優勢包括統一認證程式、內建網絡管理、較低的營運成本和網絡 資源的有效利用。從使用者的角度看，非授權頻段 LTE 的優點包括更高的吞吐量、可靠和 安全的通信，以及無縫的移動性和網絡覆寫。然而，在部署非授權頻段 LTE 時有幾個技 術挑戰。其中之一是非授權頻段 LTE 和現有 Wi-Fi 系統之間的和諧共處。由于 Wi-Fi 系 統使用具有沖突避免的載波偵聽多路通路（CSMA-CA，Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance）作為 MAC 協定，未經過适當設計的非授權頻段 LTE 信号可能會對 Wi-Fi 系統産生連續幹擾。為解決共存問題，非授權頻段 LTE 的裝置需要通過使用如信 道評估和載波監聽技術來感覺信道是否被占用。這些技術還可以防止非授權頻段 LTE 設 備長時間占用一個信道。是以，裝置可以以公平和友好的方式與 Wi-Fi 使用者共享未授權 的帶寬。此外，在非授權頻段 LTE 中，在通信會話期間，主分量載波的授權載波和次要 分量載波的一些非授權的載波被一次配置設定給使用者。控制信号始終通過主分量載波傳輸， 確定無處不在的覆寫。次要分量載波的配置設定可以根據使用者的業務需求進行動态調整。因 此，可以通過載波聚合或鍊路聚合來提高聚合網絡的吞吐量。授權輔助接入（LAA， Licensed Assisted Access）和 LTE-WLAN 聚合（LWA，LTE-WLAN Aggregation）正在 3GPP[64]内進行标準化。非授權頻段 LTE 的共存問題和相應資源配置設定算法将在第 20 章 中詳細讨論。

目前，大多數移動服務提供商用基于使用的定價方案對其移動客戶的資料使用收費。 第 22 章介紹了不同類型的智能資料定價機制。這些機制關注使用者在無線蜂窩網絡或其 他類型網絡中使用資料所支付的價格。通過改變價格，移動服務提供商可以影響使用者對 不同類型移動資料的需求。這有助于服務提供商分流擁塞期的資料流量。移動服務提供 商實施智能資料定價有幾個好處[65]。第一，交易資料計劃使移動服務提供商能夠吸引 更多使用者，尤其是高用量的使用者。第二，移動服務提供商可以通過允許内容和應用程式 提供商贊助其客戶的移動資料以獲得額外的收入。第三，智能資料定價可以通過将流量 分流到其他備用網絡以減少 LTE 網絡的擁塞。智能資料定價機制的細節将在第 22 章中介紹。

1.10 IoT、M2M和D2D