全双工专题组技术报告.pdf

IMT-2020(5G)推进组 全双工专题组技术报告 技术报告 Technical Report 版权声明 Copyright Notification 本 文档 由 IMT-2020(5G)推进组全双工专题组 成员 单位 起草 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 2015 IMT-2020推进组 版权所有 目 录 第一章 引 言 . 7 第二章 应用场景 . 8 2.1 场景概述 . 8 2.2 蜂窝应用场景 . 8 2.3 中继及 MIMO 应用场景 . 9 2.4 毫米波应用场景 . 10 第三章 全双工物理层关键技术 . 12 3.1 关键技术概述 . 12 3.2 空间自干扰消除 . 12 3.2.1 基于收发波束特征分解的空间自干扰抑制技术 . 12 3.3 射频域自干扰消除 . 14 3.3.1 多抽头模型射频自干扰消除技术分析 . 14 3.3.2 SISO 系统模拟域主动干扰消除技术 . 16 3.3.3 MIMO 系统模拟自干扰消除技术 . 17 3.3.4 自混频射频自干扰消除技术 . 19 3.3.5 信道差分相干射频自干扰消除技术 . 21 3.3.6 一种适用于 BPSK 干扰信号消除的技术 . 22 3.3.7 阻抗失配型定向耦合器隔离技术 . 23 3.4 数字域自干扰消除 . 25 3.4.1 用于消除终端用户间干扰的 SIC 技术 . 25 3.5 全双工帧结构设计 . 28 3.5.1 全双工帧结构设计 . 28 3.5.2 全双工基站 +半双工终端的帧结构设计 . 29 3.6 物理层其他关键技术 . 32 3.6.1 空间调制全双工技术 . 32 3.6.2 TDD 系统中信道获取技术 . 34 3.6.3 TDD 系统中功率控制技术 . 34 第四章 全双工组网技术 . 38 4.1 概述 . 38 4.2 全双工网络架构 . 38 4.2.1 全双工基站和半双工用户组网 . 38 4.2.2 全双工小区和半双工小区混合组网 . 39 4.2.3 混合双工组网的频率分配策略与分析 . 39 4.2.4 一种中心式基站发射天线和分布式接收天线阵列的组网架构 . 43 4.3 资源分配与调度 . 44 4.3.1 VMAC 技术 . 44 4.3.2 自适应的信道测量及资源分配技术 . 51 4.4 干扰协调和干扰消除 . 54 第五章 全双工原型验证 . 56 5.1 电子科技大学全双工原型验证 . 56 5.1.1 场景 . 56 5.1.2 性能与功能指标 . 56 5.2 中兴通讯全双工原型验证 . 57 5.2.1 场景 . 57 5.2.2 性能与功能指标 . 58 5.3 北京大学全双工原型验证 . 59 第六章 参考文献 . 61 第七章 主要贡献单位 . 62 图 目录 图 2-1 应用场景 . 9 图 2-2 FDD Massive MIMO + Full-Duplexing MIMO Relay . 10 图 2-3 TDD Massive MIMO + Full-Duplexing MIMO Relay . 10 图 2-4 典型的 8T8R 中继站，支持 4*4 MIMO 的 Mesh 和 Relay . 10 图 2-5 全球几个主要地区毫米波移动通信候选频谱 . 11 图 2-6 毫米波正交子带 1*3 复用图 . 11 图 2-7 BDMA 实现 毫米波全双工 Virtual Personnel Cell . 11 图 3-1 单用户全双工系统模型 . 12 图 3-2 多抽头射频干扰抑制系统模型 . 15 图 3-3 不同自干扰带宽下不同的抽头延时参数对射频干扰抵消的影响 . 16 图 3-4 不同抽头个数对射频干扰抑制的影响 . 16 图 3-5 SISO 系统模拟域主动干扰消除模块原理框图 . 17 图 3-6 MIMO 全双工系统工作模式 . 18 图 3-7 MIMO 全双工系统自干扰消除架构 . 18 图 3-8 直接射频耦合自混频自干扰抵消结构 . 20 图 3-9 归一化延时误差对自干扰抵消能力影响的曲线 . 20 图 3-10 归一化增益误差对自干扰抵消能力影响的曲线 . 20 图 3-11 盲信道自干扰抵 消结构 . 21 图 3-12 延时器一致性误差对干扰抵消性能的影响 . 22 图 3-13 自干扰消除模块结构图 . 23 图 3-14 反射系 数消除法原理图 . 24 图 3-15 平行定向耦合器结构图 . 24 图 3-16 单小区自干扰场景图 . 26 图 3-17 “Z”信道模型 . 26 图 3-18 全双工小区和容量比较 . 28 图 3-19 全双工帧结构设计 . 28 图 3-20 空间调制全双工系统框图 . 32 图 3-21 中断容量比较 . 33 图 3-22 各态历经容量 . 33 图 3-23 可获得信道互易性的基站架构 . 34 图 3-24 PUSCH 功控示例 . 37 图 3-25 PUCCH 功控示例 . 37 图 4-1 TDD 和 FDD 系统拓展为全双工示例 . 38 图 4-2 不同全双工组网方式 . 39 图 4-3 一种同时同频全双工半双工混合组网和频点分配方法 . 40 图 4-4 全双工小区载波利用率和用户个数的关系 . 42 图 4-5 全双工混合组网小区与半双工小区的载波利用率对比 . 42 图 4-6 传统同频同时全双工组网示意图 . 43 图 4-7 基站 收发天线分置方案 . 43 图 4-8 天线阵的波束赋形 . 44 图 4-9 接收天线波束交叠示意图 . 44 图 4-10 添加虚拟 MAC 地址 后的帧结构 . 45 图 4-11 成功建立全双工通信的情况 . 46 图 4-12 发生碰撞的情况 . 47 图 4-13 AP 发送 busytone 的情况 . 47 图 4-14 AP 发送 jamming 信号的情况 . 48 图 4-15 数据包情况下 FD-CSMA/CD 的（ a）相对吞吐量（ b）绝对吞吐率 . 49 图 4-16 语音包情况下 FD-CSMA/CD 的（ a）相对吞吐量（ b）绝对吞吐率 . 49 图 4-17 系统吞吐率随窗口大小设置的影响 . 50 图 4-18 子信道选择策略对系统的影响 . 50 图 4-19 子帧子集确定示例 . 54 图 4-20 调度结果示例 . 54 图 5-1 全双工 2 发 2 收 LTE 样机 . 56 图 5-2 全双工 2 发 2 收 LTE 通信外场实验 . 57 图 5-3 全双工上行流量测试环境 . 58 图 5-4 全双工灵敏度测试环境 . 58 图 5-5 同时同频全双工系统的自干扰场景图 . 59 图 5-6 同时同频全双工系统的演示示意场景图 . 60 图 5-7 室外点对点全双工通信系统 . 60 表目录 表 5-1 全双工灵敏度测试结果 . 59 表 7-1 主要单位贡献表 . 62 第一章 引言 在 IMT-2020 推进组的统一安排下， 全双工专题工作组集中全国科研力量， 召开开 全国性会议 10 余 次 ，输出技术文稿 50 余篇。全双工 专题研究 工作围绕应用场景、网络架构、自干扰信号抑制、资源管理、原型验证 等 研究工作 逐渐展开。在各成员单位的技术文稿基础上，总结提炼形成了全双工技术研究总结报告 。第二章 应用场景 2.1 场景概述 无线通信业务量爆炸增长与频谱资源短缺之间的外在矛盾，驱动着无线通信理论与技术的内在变革。提升 FDD 与 TDD 的频谱效率，并消除其对频谱资源使用和管理方式的差异性，成为未来移动通信技术革新的目标之一。基于自干扰抑制理论和技术的同时同频全双工技术 (CCFD)成为实现这一目标的潜在解决方案 。 目前来看 ， 全双工 技术应用场景 主要 集中在室内热点覆盖 、室外 中继 、 D2D 等场景 ，随着 全双工技术的不断进步 、 成熟 ，相信更多创新场景的应用将 会呈现。 2.2 蜂窝 应用场景 全双工技术可以应用在多个场景中。就目前业界研究情况来看，全双工技术首先将应用于蜂窝网络的基站或无线局域网的 AP 上，随着未来终端能力的增强，全双工终端的出现将更加丰富全双工技术的应用场景。 首先，全双工技术可以很好地应用在非连续覆盖的热点场景，例如家庭基站或WiFi。在这种场景中，全双工的基站或 AP 只需要解决好基站侧发射通道对接收通道的干扰，通过用户调度解决好上行用户对下 行用户的干扰。其次，全双工技术也有望应用于连续覆盖场景。连续覆盖场景包括同构网场景和异构网络场景，不同类型的基站可以根据自身小区的业务需求工作在全双工或半双工模式。在该场景中，基站对基站的干扰以及相邻小区的用户间干扰是应用全双工技术的难点所在，需要设计高效的干扰抑制协调技术来解决这些干扰，才能够充分发挥全双工的技术优势。全双工也可以应用在中继传输场景中，在中继节点，接收信号和转发信号可以在同频同时进行传输，中继到基站的传输可以利用波束赋型技术较好控制干扰。最后，全双工还可以应用于 D2D 的短距通信，未来具备全 双工能力的终端可以利用全双工来提升双向数据传输速率，由于是短距通信，终端发射功率较小，通信终端对其他通信的干扰可以较好控制。 用 户微 基 站宏 基 站用 户用 户微 基 站中 继D 2 D图 2-1 应用场景 2.3 中继及 MIMO应用场景 对于全双工蜂窝网络，最大的挑战是站间干扰和 UE-UE 之间的干扰。仿真表明，站间干扰和 UE-UE 之间的干扰对宏站和微站分别产生 36dB 和 23dB 上行 SINR 恶 化。对于宏站，需要 147dB 的自干扰抵消量，接收机动态达 87dB。这对数字抵消算法和接收机都是极大的挑战。对于 SmallCell，需 要 127dB 的自干扰抵消量，接收机动态67dB ，系统要求则明显降低。对于 Massive MIMO，庞大的模拟和数字抵消矩阵将带来系统难以承受的复杂性。 综合上述，全双工可考虑在如下条件下应用： 单 TX输出功率小于 27dBm； MIMO下，天线数小于 8； 对于 6GHz以下的频段，考虑与现有网络的兼容。 这样，可能的应用场景包括： 中继站应用场景； 新引入的毫米波频段； 无线 Fronthaul和 Backhaul等。 下面主要介绍全双工 Self-backhaul MIMO中继站的应用场景，并与 Massive MIMO在现有网络架构内形成一个整体网络。对于 FDD Massive MIMO 网络，中继站以 FDD下行频率接收宏站信号，同时同频向 UE 发送信号，即以 FDD 下行频率工作在 FD 模式；同时，中继站以 FDD 上行频率向宏站发送信号，同时同频接收 UE 信号，即以FDD 上行频率工作在 FD 模式。宏站以及 UE 仍工作在传统的 FDD 模式。 图 2-2 FDD Massive MIMO + Full-Duplexing MIMO Relay实现 Self-Backhaul FDD RAN 对于 TDD Massive MIMO 网络 ，中继站以 TDD 下行时隙接收宏站信号，同时同频向 UE 发送信号，即以 TDD 下行时隙工作在 FD 模式；同时，中继站以 TDD 上行时隙向宏站发送信号，同时同频接收 UE 信号，即以 TDD 上行时隙工作在 FD 模式。宏站以及 UE 仍工作在传统的 TDD 模式。 图 2-3 TDD Massive MIMO + Full-Duplexing MIMO Relay实现 Self-Backhaul TDD RAN 图 2-4 为典型的 8T8R 中继站，支持 4*4 MIMO 的 Mesh 和 Relay。 图 2-4 典型的 8T8R中继站，支持 4*4 MIMO的 Mesh和 Relay 2.4 毫米波应用场景 毫米波作为未来 5G 全新的频段，由于无须前向兼容，可考虑全新的全双工（ FD）空口。毫米波的窄波束的特点大大减少了 LOS 互干扰的影响，但是由于反射引起的