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5G系统中动态TDD技术研究毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

随着科技的日益发展,人们对通信的要求和使用频率日渐提升,而为了满足用户日益增长的通信业务需求,提高用户的通信质量,越来越多的通信技术也应运而生。从最初的1G到现在的5G,人们能普遍体验到通信水平的高速发展。而当今发展正热的5G系统在通信速率上有了显著提高,这将会使用户业务量显著提升,为了满足用户业务量的需求,传统的静态或半静态的子帧配置就显得稍有不足,而为了提升对系统资源的有效利用率,5G NR技术中深入研究了动态TDD技术,该技术是通过对基站的上下行链路子帧进行动态配置,使其能根据当前的业务情况进行动态变化,从而最大化利用系统资源,有效提高了传输效率和降低了传输时延。然而动态TDD技术在提升网络整体性能的同时,也带来了一些问题,其中最严峻的就是由于相邻基站间传输子帧不同导致的交叉时隙干扰问题。本文就主要对5G系统中的动态TDD技术进行了研宄,以提出降低交叉时隙干扰的一些解决方法。

关键词:5G;子帧配置;动态TDD;时隙干扰

Abstract

With the development of technology, people's requirements and frequency of communication are increasing. In order to meet the increasing communication service needs of users and improve the communication quality of users, more and more communication technologies have emerged. From the initial 1G to the current 5G, people can generally experience the rapid development of communication levels. The 5G system that is developing hot today has significantly improved the communication rate, which will significantly increase the user's business volume. In order to meet the user's business demand, the traditional static or semi-static subframe configuration is slightly insufficient. In order to improve the effective utilization of system resources, the dynamic TDD technology is deeply studied in the 5G NR technology. The technology dynamically configures the uplink and downlink subframes of the base station to enable dynamic dynamics according to the current service conditions. Changes, thereby maximizing the use of system resources, effectively improving transmission efficiency and reducing transmission delay. However, while the dynamic TDD technology improves the overall performance of the network, it also brings some problems. The most serious one is the problem of cross-slot interference caused by different transmission subframes between adjacent base stations. In this paper, we mainly study the dynamic TDD technology in 5G system to propose some solutions to reduce cross-slot interference.

Key words:5G; subframe configuration; dynamic TDD; slot interference

目录

第1章 绪论 1

1.1论文研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文结构安排 3

第2章 动态TDD技术 4

2.1 增强的小区间干扰协调技术 6

2.2 新型小区重构技术 8

2.3 基于子帧变换的帧结构配置 9

第3章 仿真分析 13

3.1 eICIC下的仿真分析 13

3.2 新型小区重构技术仿真 14

第4章 研究工作总结 16

参考文献 17

致谢 19

第1章 绪论

1.1论文研究背景

随着社会的发展,现代高质量生活已离不开时时刻刻的信息交流,从信息的生成、传输到接收,移动通讯伴随着我们的脚步在发展。从1G到5G的演进,移动通讯的发展历历在目,其背后各国之间关于通信标准的较量也是激烈异常,最终绘就了一部精彩壮观的移动通信发展史。

自贝尔实验室提出蜂窝小区的概念以来,移动通信系统的发展正式开始。在20世纪80年代,被人们视为第一代的移动通信系统实现了普遍的商用,1G是由独立开发的多个系统组成。在美国,主要有先进的移动通信系统,后来在欧洲的一些地区,出现了全球接入通信系统以及北欧移动电话等。它们的共同特征是使用频分多址技术以及模拟调制语音信号。虽然第一代移动通信系统得到普遍应用并取得了巨大的成功,但是由于模拟信号传输技术的缺点包括频谱利用率低,服务类型有限,没有高速数据服务,机密性不足,设备成本高等也变得越来越明显。数字移动通信技术的诞生正是为了解决模拟系统中的这些基本技术缺陷。

而第二代移动通信技术采用了时分多址技术,主要用于传输语音和低速数据服务。因此,它也被称为窄带数字通信系统,其中,通常所说的主要代表有美国的DAMPS,IS-95和欧洲的GSM系统。与模拟移动通信系统相比,数字移动通信网络提高了频谱利用率并且能够支持多种服务。GSM系统自20世纪80年代中期开始在欧洲首次出现之后,美国和日本也相继开发出了属于自己的数字移动通信系统。并且GSM促进了全球漫游的发展,但是在这个阶段移动通信提供的主要服务仍然还是语音和低速数据服务。然而,随着网络的发展,数据和多媒体通信的发展如此之快,以至于逐渐产生了用于移动宽带多媒体通信的3G移动通信系统。

虽然2G系统在20世纪90年代蓬勃发展,但第三代移动通信技术的研究热潮开始在全球范围内扩展。最初由国际电信联盟于1985年提出,3G被称为未来公共陆地移动通信系统。第三代移动通信系统于1996年更名为IMT-2000。这代表着该系统工作在2000 MHz频段,最大通信速率可以达到2000 kbit / s。3G的主要通信格式包括欧洲和日本领导的WCDMA(宽带码分多址),美国的CDMA2000以及中国提出的TD-SCDMA。

目前,作为移动通信开发中最具影响力的组织之一,3GPP继续在诸如LTE / LTE-Advanced之类的系统上进行标准化工作,它对移动通信系统的标准化制定起到了至关重要的作用。第四代移动通信技术采用OFDM技术,有效提高了频谱利用率。OFDM不仅可以有效地消除多径干扰,而且还具有比CDMA更低的复杂度,这是优于CDMA的优势。

从1G到4G的发展,所有最新版本的移动通信建设都解决了当时最重要的需求。今天,移动互联网和物联网的蓬勃发展使每个人都相信未来的流量增长将是巨大的。对数据传输需求的爆炸性增长将对未来无线移动通信的技术和运行构成了重大挑战,导致无线通信系统需要满足数据吞吐量、时延、链路密度等各种要求,并且对成本、复杂性、能量损失和服务质量的要求也逐步提高。

由此,针对5G系统的研究应运而生。虽然5G技术的研究日趋完善,但亦存在改善之处,本文就针对5G系统中动态TDD技术[1]进行了研究,发现动态TDD 技术的应用虽然能根据业务需求动态调整子帧配置以提升系统的整体性能,但是这样就会导致相邻小区产生不同的子帧配置,因而会出现交叉时隙干扰[2],为了降低交叉时隙干扰带来的影响,本文对此进行了研究。

1.2 国内外研究现状

在5G系统中,我们追求更高速的传输速率以及更低的传输延时,为了合理利用系统资源,降低传输时间,可以为每个子帧灵活分配上下行链路传输资源,这种动态分配上下行传输资源的时分双工技术也被成为动态时分双工技术。在动态时分双工技术中,各个小区能够根据自身的业务需求灵活配置子帧,有效提升系统整体性能和降低基站的能量消耗。但是对于动态时分双工技术的部署也会带来一些负面影响,如可能会造成小区间交叉时隙干扰等,这也是当前我们需要研究的问题。5G动态时分双工技术的研究目前尚未成熟,主要是为追求更更短的传输时间间隔和更快的上下行链路传输方向切换等,为了解决这些问题,目前被考虑一些方案有:小区分簇干扰缓解、小区间干扰协调技术、功率控制等,为了使动态时分双工得到普遍应用,仍需进一步研究。

小区分簇干扰缓解技术[3]是通过区别小区间的干扰程度等问题而将小区进行分簇的一种方法。每个簇中的小区需要满足同时传输下行链路数据或者同时传输上行链路数据,这样可以使得同一个簇中的基站与基站之间的干扰以及用户与用户之间的干扰得到缓解。在同一个簇中的小区间需要协调数据的传输量,以免对基站产生过大负荷。对于在不同簇中的小区而言,两者之间的关联性不大,因为两者属于不同的簇,所以两者可以分别采用不同的传输方向,亦可以采用相同的传输方向,这与各个簇中小区需要传输的业务需求有关,通过动态时分双工技术,我们能够使得两个小区都能得到符合其业务需求的子帧配置。为了合理的进行小区间的分簇,需要综合考量干扰环境与小区间的合作传输情况,这对基站的规划位置也至关重要,因而有待进一步研究。

而增强型小区间干扰协调技术(eICIC)[4]是通过配置几乎空白子帧来降低来自其他小区间的干扰,但是增强型小区间干扰协调技术并不能解决小区在公共参考信号上的干扰控制,而FeICIC则考虑到了这种干扰,通过使用降低了功率的几乎空白子帧来降低外界干扰,有效增加了系统容量。这些基于小区间干扰协调的方案虽然在一定程度上会损耗一些系统资源,但是它们对小区间的干扰问题有着优良的改善作用,能够有效的提升系统的整体性能。

虽然小区间的交叉时隙干扰会给通信系统带来巨大弊端,但是当前关于如何解决小区间干扰正在研究当中,上述介绍了当前提出的一些解决小区间干扰问题的一些方法,虽然当前研究成果还在试验阶段,但是这为我们后续研究开辟了一条广阔的道路,为我们在对该方法的研究上提出了开创性的见解,启发我们不断探索和追求新的解决方案,为科技发展不断做出贡献。

1.3 论文结构安排

本论文的结构安排如下:

第1章:绪论。本章首先介绍了移动通信技术的发展历程,介绍了每代移动通信系统的主要技术及优缺点,基于以上原理提出本论文的研究方向,然后分析了国内外对此课题的研究现状,确定研究程度。最后简要说明本文研究结构。

第2章:动态TDD技术。本章详细介绍了关于动态TDD技术的一些基本原理,例如子帧配置等,分析了动态TDD技术的应用造成的影响,动态TDD技术虽然能提升系统整体性能,但是却引入了交叉时隙干扰,本章对此干扰产生原因和缓解干扰的办法做了详细研究,并且总结了一些先进的改进办法。

第3章:仿真分析。本章进行了关于动态TDD系统的性能仿真分析,总结实验研究结果。

第4章:工作总结。本章归纳和总结了本文研究收获。

第2章 动态TDD技术

本章将研究动态TDD技术里有关降低交叉时隙干扰的一些基本理论,分析问题成因。

在LTE系统中,各小区可根据通信业务的具体需求选择TDD系统中七种子帧配置中的一种。其中,在时分双工系统中小区可使用的七种帧配置如图2.1所示。TDD系统将10ms无线帧作为信息传输周期,并将每一帧划分为10个1ms子帧。其中存在三种类型的子帧:下行链路子帧,上行链路子帧和特殊子帧。在上行链路子帧期间,小区基站只能传输上行链路数据;在下行链路子帧期间,小区基站只能传输下行链路数据。而特殊子帧则起到下行同步和下行传输的作用,可以作为理论分析中的下行子帧。在这七种帧配置中,每种帧配置中的上行链路子帧和下行链路子帧的比率也是不同的。因此,选择不同的子帧配置会为上行链路和下行链路分配不同比例的系统资源。

图2.1 七种上下行子帧配置

在帧结构中,当前支持的有7种不同的上行链路和下行链路子帧配置,我们可以在七种类型之间改变用于上行链路和下行链路传输的子帧配置。理论上,七种不同的配置是可以灵活、自由的选择。然而,在实际的网络操作中,每个小区在每个时刻可能具有不同的服务需求。动态TDD技术允许不同小区根据自己的服务需求动态调整上下行子帧配置。因此,使用动态TDD技术的最大优点是可以根据小区的当前业务量选择不同的上行链路和下行链路子帧配置。当小区具有更多要发送的下行链路数据时,系统可以自动选择具有更多下行链路子帧的配置。当小区中的上行链路数据的数量大于下行链路数据的数量时,系统可以自动选择具有更多上行链路子帧的配置,因而有效地降低了业务的传输延时,提高了业务传输效率。

尽管动态TDD系统提供了上行链路子帧和下行链路子帧的灵活配置,但是在当前的LTE系统中,集中管理方法通常用于管理一组小区的上行链路和下行链路子帧配置,让这个小区内长时间保持相同的子帧配置,或者在整个网络中使用相同的上行链路和下行链路子帧配置。在部分区域使用相同的上行链路和下行链路子帧配置的被称为半静态配置,在整个网络中使用相子帧配置的称为静态配置。无论是静态配置还是半静态配置,基本都只使用一种类型的上行链路和下行链路子帧配置。通常,选择具有大比例的下行链路子帧的配置,并且不能执行配置切换,因此不能反映系统的优点。受系统本身特性的限制,其中最重要的是小区间的交叉时隙干扰问题。下面将介绍一些干扰产生原因及降低干扰的一些方法。

在移动通信系统中,除了交叉时隙干扰外也存在一些传统的干扰,例如相邻小区中的基站对当前小区中用户设备产的下行链路干扰以及相邻小区中的用户设备对当前小区基站的上行链路干扰等。而且当相邻小区中的两个基站在进行相同方向的链路传输时也会产生一些传统的干扰。在图2.1中,基站1和基站2都在进行下行方向的链路传输,而小区1中的用户1就会受到来自小区2中的基站2的下行传输干扰,而小区2中的用户2就会受到来自小区1中基站1的下行传输干扰,图中的实线表示传输的有用的信息,而虚线表示干扰信息。同样,在图2.2中,基站1和基站2都在进行上行方向的链路传输,基站1和基站2会受到来自相邻小区中用户的上行传输干扰,目前针对这种传统干扰情况我们已经能做到尽量降低其干扰效果。

在应用动态时分双工技术后,各小区可以独立的根据本小区的业务需求情况动态的配置帧结构,而无需让多个小区进行统一的帧结构配置。虽然动态时分双工技术带给我们有效的性能提升,但是由于相邻小区里的基站配置不同,导致基站在进行不同方向的信息传输时会造成一种新的干扰情况,我们称之为交叉时隙干扰,如图2.3所示。

图2.1 下行传输干扰

图2.2 上行传输干扰

图2.3 交叉时隙干扰

下面将介绍降低交叉时隙干扰的一些方法。

2.1 增强的小区间干扰协调技术

增强的小区间干扰协调技术(eICIC)是通过配置几乎空白子帧(ABS)来避免其他小区对被干扰小区用户的物理下行控制信道(PDCCH)以及物理下行共享信道(PDSCH)的干扰,从而提高被干扰小区用户的SINR 。在针对增强型小区间干扰协调技术的讨论时,重点集中在异构网络中,主要是指在宏覆盖小区中放置低功率节点。为避免传统小区检测方法引起的低功率节点(LPN)覆盖范围较小、使用效率较低的问题,LTE R10引入了小区覆盖扩展(CRE),通过小区扩展,即在对低功率节点进行小区选择时,添加小区覆盖扩展偏移值来获得更多的小区分裂增益。

但是在引入小区覆盖扩展之后,随后连接到低功率节点的用户将会受到来自宏基站上的强干扰作用,但是我们可以采用时域上的干扰协调技术来缓解小区边缘用户的干扰问题。具体方案是将干扰小区上的子帧配置成几乎空白子帧,而被干扰小区只在几乎空白子帧上为小区边缘用户提供信息传输服务,这样就就可以使得被干扰小区只能在几乎空白子帧时期内进行信息交换,从而避免了来自干扰小区上的主要干扰,使得被干扰小区的边缘用户的性能得到提升。

但是考虑到LTE Release 8/9 的后向兼容性,ABS子帧仍需携带Release 8/9终端与网络连接所必需的一些最基本的信号或者信道,例如CRS (Common Reference Signal,公共参考信号)在每个单播子帧都必须全带宽发送。对于PSS (Primary Synchronization Signal,主同步信号)、SSS ( Secondary Synchronization Signal,辅同步信号)、PBCH (Physical Broadcast Channel,物理广播信道)、SIB1、寻呼信道和PRS (Positioning Reference Signal,定位参考信号)等,当正好配置在ABS子帧上时,也必须发送。

按照异构节点间信息交互方式,eICIC研究场景分为宏基站-微基站 ( Macro-Pico)场景和宏基站-家庭基站(Macro-Femto)场景。

对于Macro-Pico场景,微基站边缘用户受到来自宏基站的强干扰。宏基站与微基站间存在X2接口,ABS子帧配置以使用位图图样(Bitmap Pattern)的形式通过X2接口从宏基站传递给微基站节点。图样的周期在TDD系统的配置1~5是20 ms, TDD系统的配置0是70 ms, TDD系统的配置6是60 ms。ABS图样是半静态配置的,更新的周期小于或者等于X2接口中的RNTP (Relative Narrowband Transmission Power,相对窄带发射功率)。有两个位图图样需要交互,其中第一个位图指示哪些子帧是ABS,第二个位图是第一个位图的子集,主要是指示在第一个位图中哪些子帧长期都是ABS的子帧,这种ABS配置方式用于限制RLM(Radio Link Monior无线链路监控) /RRM (Raio Resou Management,无线资源管理)。ABS位图是基于事件触发的。图2.4所示的是一个Macro-Pico场景的例子,图中ABS配置是5/10,即10个子帧中有5个子帧配置为ABS子帧。

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