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5G物理层跨载波频率操作

5G在无线上需要在各种载波频率下工作,频率范围从700Mhz到70GHz以上。大带宽也是目标,例如1Ghz。为了避免在更高载波频率(即>6GHz)下的路径损耗问题,借助于波束赋形的高定向传输和接收的有效利用可被视为基站和UE侧的主要技术组件。

在上一篇文章中,我们概述了MIMO基站体系结构。得出的结论是,基带架构提供了高度的灵活性,例如跨OFDMA子载波执行频率选择性波束赋形的能力,但代价是在每个天线单元后面需要一个收发器单元。这种操作更适合于低载波频率,例如低于6Ghz。与基带架构相比,RF天线架构在更高载波频率和更高系统带宽下工作时更有用,其中基带架构的成本和功耗要求变得令人望而却步。由于射频波束赋形的宽带特性,频率选择性波束赋形通常是不可行的。这将我们带到混合架构,该架构寻求通过使用带基带预编码的射频波束赋形来提供射频和基带架构的优点。

MIMO设计的一个重要方面是发射机和接收机的天线阵列尺寸。随着载波频率的增加,波长减小,可以放入固定区域的天线数量显著增加。换言之,随着载波频率的增加,具有固定数量天线单元的阵列的尺寸显著减小。为了给出一个简单的数值例子,通过考虑343mm×343mm的阵列尺寸,我们可以分别在3.5、28和60Ghz下安装128、8292和37538个天线。

根据商定的模拟假设,设想了以下基站天线配置:

当然,5G仍旧是UE执行同步过程以获取帧定时,随后是系统信息读取。对系统的接入可以由另一个RAT协助,也可以是独立的(也就是NSA和SA之分)。系统接入过程应倾向于UE,在不同载波频率下操作不应涉及特定UE过程。例如,UE将“看到”并监视类似的同步信号,而不管所使用的波束宽度如何。在700MHz系统中,同步信号将通过宽波束传输,而在较高的载波中,同步信号可以在包含多个窄波束的扫频子帧中传输。然而,设计应力求指定单个同步信号,并且UE能够以关于发射机阵列配置的不可知方式执行此类读取。mMTC中的一个小偏差很可能需要较长的传输周期。在同步信号获取之后,将提供额外的系统信息以指示可能是载波频率特定的进一步系统配置参数化。例如,在较高的载波中,NR物理广播信道将指示存在用于窄波束的扫频子帧,而在对于控制面仅使用宽波束操作。所以,5G系统接入的主要设计应跨频率载波扩展,低频设计是高频设计的一部分,而高频设计则有附加组件。

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在用户面最重要的一组功能与参考符号有关,如下所示:

  • 用于解调的用户特定参考符号(DMRS):专用参考符号具有许多系统优势,从能够以透明的方式为UE携带预编码信息的可能性、UE分配中的开销限制,可扩展设计,允许多秩SU和MU操作(包括MU中的干扰估计)。
  • 用于信道状态信息计算的用户特定参考符号(CSI-RS),包括用于干扰估计的资源。
  • 根据载波频率补偿各种失真所需的用户特定参考符号(PH-RS)。这里,我们包括为了减轻相位噪声所需的潜在参考符号,相位噪声是高载波传输的特征。

用于SU/MU MIMO操作的CSI可用性

对SU和MU-MIMO操作的灵活支持应该以透明的方式来支持,以便对操作载波频率和带宽不可知。

LTE在MIMO操作方面提供了一个通用的工具箱。众所周知的CSI过程是通过将UE配置为具有不同的传输和干扰特性来使得发射机能够获得不同的介质特性,例如在CoMP中,其中可以使用不同的干扰假设来假设不同的传输点。另一个有效的LTE设计示例是在DMRS上操作时SU/MU操作的灵活切换。

由于以下原因,需要同时支持开环和闭环MIMO操作:

1)5G需要适用于低和高移动性场景

2)不同的时延要求:低时延通信和快速CSI反馈不是最兼容的设计目标。

在基于TDD的系统中,可以利用信道互易性在基站和UE的发射端获得增强的CSI。显然,它能够使用更先进的SU-/MU-MIMO DL和UL传输方案,并且能够减少信令开销。

NR中的传输模式的数量应该低于LTE中的传输模式的数量,LTE中同时使用基于CRS和DMRS的传输模式。在NR系统中,所有与用户面操作相关的传输模式都应基于DMRS。

 

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下面是基站和UE的天线传输模式

 

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