5G：认识5G关键技术

• SDR
  
  • 定义
    软件定义的无线电(Software Defined Radio，SDR) 是一种无线电广播通信技术，它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级，而不用完全更换硬件。
    
    所谓软件无线电，其关键思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等，用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。可以说这种平台是可用软件控制和再定义的平台，选用不同软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可以升级更新。其硬件也可以像计算机一样不断地更新模块和升级换代。由于软件无线电的各种功能是用软件实现的，如果要实现新的业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可。同时，由于它能形成各种调制波形和通信协议，故还可以与旧体制的各种电台通信，大大延长了电台的使用周期，也节约了成本开支。
    
    
  • 特性
    1）具有很强的灵活性。软件无线电可以通过增加软件模块，很容易地增加新的功能。它可以与其它任何电台进行通信，并可以作为其它电台的射频中继。可以通过无线加载来改变软件模块或更新软件。为了减少开支，可以根据所需功能的强弱，取舍选用的软件模块。
    
    2）具有较强的开放性。软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展。软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧式体制电台相兼容。这样，既延长了旧体制电台的使用寿命，也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。
    
    
  • 简单描述
    通用硬件+软件可升级（动态加载新的波形和协议可使用不同的波形和协议操作 ）。
    
    
• MIMO
  
  
  • 定义
    MIMO：(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。
    
    
  • 特性
    1）基本原理
     
    发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去，接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。
    2）分类
          A）空间分集：每个发送相同的信息，对抗多径干扰。
               空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用一根              发射天线n 根接收天线，发送信号通过n 个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天            线n 根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。目前在MIMO系统中常用的空间分集技术主要有空时分组码（Space Time Block Code，STBC）和波束              成形技术。STBC是基于发送分集的一种重要编码形式，其中最基本的是针对二天线设计的Alamouti方案。
          B）空分复用：每个天线发送不同信息，提升传输速率，频谱利用率。
               （spatial multiplexing）工作在MIMO天线配置下，能够在不增加带宽的条件下，相比SISO系统成倍地提升信息传输速率，从而极大地提高了频谱利用率。在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不             同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同，即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度，使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互             区别，因此接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源。空间复用技术在高信噪比条件下能够极大提高信道容量，并且能够在“开环”，即发射端无法获得信道信息的条件下使用。                       Foschini等人提出的“贝尔实验室分层空时”（BLAST）是典型的空间复用技术。
    
    
  • 简单介绍
    多天线发射、多天线接收+提升信道容量。
    
    
    
• CCFD
  
  
  • 定义
    在空中接口方面，同时同频全双工(CCFD:  Co-time Co-frequency Full Duplexing)技术(后面简称“全双工”)能够在相同频率同时收发电磁波信号，相对于现在广泛应用的时分双工和频分双工，频谱效率有望提升一倍。
    
    
  • 特性
     
    核心问题是如何在本地接收机中抑制本地设备自己发射的信号(即自干扰)。
    抵消方式有三种：
    
    1）天线抵消：被动自干扰消除(Passive Cancellation)
         天线端主要采用增大收发天线隔离度的方法，如简单的拉远本地收发天线距离，采用定向天线隔离，在收发天线间增加隔离材料，或采用阵列波束，减弱接收天线处的干扰信号强度等方法。
    2）射频抵消
    3）基带抵消
          对射频和基带部分的干扰消除主要采用主动自干扰消除方式，预先进行自干扰信信号的幅度、相位做精确的估计，再重建自干扰信号并与接收信号反相叠加，实现自干扰消除。
          自干扰参数估计越精确，自干扰消除越彻底。
          制约全双工自干扰消除能力主要有自干扰估计和重建过程中的误差、放大器非线性等因素。
    
    
  • 简单介绍
    相同频率同时收发电磁波信号，提高频谱使用效率。
    
    
• OFDM
  
  
  • 定义
    OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation)，多载波调制的一种。
    OFDM主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
    
    
  • 特性
    1）收发流程
     
    在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。
    
    在接收端，当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。
    
    2）调制方式
    OFDM是正交频分复用，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。
    解调时要用一个有乘积积分功能的滤波器来提取每一路信号，由于各自载波之间的正交性，就可以很好地提取各路信号。
    
    在通信系统中，例如我们用手机打电话的时候，通话数据被采样后，会形成D0、D1、D2、D3、D4、D5……这样连续的数据流。
    FDM就是把这个序列中的元素依次地调制到指定的频率后发送出去。
    OFDM就是先把序列划分为D0、D4、D8……D1、D5、D9……D2、D6、D10……D3、D7、D11……这样4个子序列（此处子序列个数仅为举例，不代表实际个数），然后将第一个子序列的元素依次调制到频率F1上并发送出去，第二个子序列的元素依次调制到频率F2上并发送出去，第三个子序列的元素依次调制到频率F3上并发送出去，第四个子序列的元素依次调制到频率F4上并发送出去。F1、F2、F3、F4这四个频率满足两两正交的关系，如下图所示。
     
    
    
  • 简单介绍
    OFDM：正交频分复用。将原始信道分成若干个子信道传递信号+提高传输速率、克服频率选择性衰落。