張家華

?

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)研究

張家華

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司四川分公司，四川 成都 610045

隨著信息社會(huì)需求的不斷增長(zhǎng)，無(wú)線通信技術(shù)得到了快速發(fā)展。為了滿足信息社會(huì)發(fā)展的要求，5G無(wú)線通信技術(shù)在不斷探索研究過(guò)程中。基于此，對(duì)5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)，毫米波通信技術(shù)以及大規(guī)模MIMO技術(shù)進(jìn)行了探討，以滿足未來(lái)無(wú)線通信的發(fā)展要求。

5G無(wú)線通信；網(wǎng)絡(luò)；物理層；關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)線通信是一個(gè)有著無(wú)限可能并充滿生機(jī)的領(lǐng)域。隨著信息社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)通信要求越來(lái)越高，使無(wú)線通信技術(shù)得到了迅速發(fā)展。雖然5G系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有制定，但其已經(jīng)成為世界通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。而5G技術(shù)的主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、可靠的全球互聯(lián)互通，并對(duì)現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行改善，為信息社會(huì)的大數(shù)據(jù)需求提供服務(wù)，促進(jìn)社會(huì)的良好發(fā)展。

1 5G無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn)

5G無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn)包括：（1）對(duì)更高的頻譜資源進(jìn)行利用。目前全世界所利用的頻譜資源通常在300?MHz～3?GHz之間，由于嚴(yán)重缺乏頻譜資源，所以研究人員對(duì)沒(méi)有被利用的3～300?GHz進(jìn)行研究利用，并用于5G移動(dòng)通信中；（2）系統(tǒng)容量更大。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，信息社會(huì)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。所以就要求5G移動(dòng)通信系統(tǒng)具備更大容量，從而滿足未來(lái)社會(huì)的發(fā)展需求；（3）提升用戶體驗(yàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)速率的增長(zhǎng)可以對(duì)大部分用戶提供良好服務(wù)，并滿足其需求時(shí)，人們就會(huì)更加注重最佳的用戶體驗(yàn)。高效、安全、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，任意時(shí)間、地點(diǎn)的最佳體驗(yàn)，是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)；（4）降低能量消耗。能量消耗是目前全世界重點(diǎn)解決的問(wèn)題，所以5G無(wú)線通信必定會(huì)更加綠色、環(huán)保，在滿足業(yè)務(wù)需求、提升服務(wù)質(zhì)量、增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的前提下，盡可能降低能量消耗。

2 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)

2.1 毫米波通信

頻譜資源是通信技術(shù)發(fā)展的根本，目前大部分商業(yè)無(wú)線通信頻譜都在300?MHz～3?GHz頻段，而5G無(wú)線通信技術(shù)對(duì)3～300?GHz頻段進(jìn)行有效利用，不僅有利于解決頻譜資源短缺問(wèn)題，而且為大數(shù)據(jù)的傳輸?shù)於ɑA(chǔ)，提升網(wǎng)絡(luò)的傳送效率[1]。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究得到了到達(dá)角、均方根、時(shí)延拓展、路徑消耗等測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)5G毫米波移動(dòng)通信有著十分重要的參考價(jià)值。但是毫米波通信的發(fā)展依然會(huì)受到相應(yīng)因素的影響。其中（1）由于發(fā)射功率的輻射擴(kuò)散和信道傳播特性會(huì)造成路徑消耗問(wèn)題，這是無(wú)線通信中通常都存在的問(wèn)題，信號(hào)在無(wú)線信道中進(jìn)行傳播時(shí)會(huì)受到噪音干擾以及其他信道的影響，并且信號(hào)自身也存有相應(yīng)因素導(dǎo)致?lián)p耗。通過(guò)研究表明在相同傳播距離中，頻率越高造成的損耗就越大?？梢詫⒋笠?guī)模發(fā)射天線在高頻段進(jìn)行應(yīng)用，可以波束成形，然后將能量集中在較小的區(qū)域內(nèi)，增加效益，降低自由空間的傳播消耗；（2）在穿透建筑物的過(guò)程中信號(hào)會(huì)出現(xiàn)損耗，低頻段信號(hào)受到的影響較小。所以毫米波穿透建筑物時(shí)消耗較大，并且傳播的距離近、頻段小。因此，可以在室內(nèi)安裝Wi-Fi節(jié)點(diǎn)或者是毫微蜂窩方式，從而確保室內(nèi)的通信質(zhì)量；（3）在毫米波通信過(guò)程中需要對(duì)該頻段信號(hào)的傳播特性進(jìn)行充分考慮，而雨衰就是必須要考慮的因素。雨衰可以對(duì)無(wú)線系統(tǒng)傳播路徑的長(zhǎng)度與可靠性造成嚴(yán)重影響[2]。當(dāng)雨量過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)毫米波通信系統(tǒng)造成強(qiáng)烈干擾。同時(shí)雨點(diǎn)大小和發(fā)射波長(zhǎng)相差無(wú)幾，十分容易造成散射。

2.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)

（1）簡(jiǎn)介

MIMO技術(shù)具有其自身的明顯優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在各種移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)存在著較多問(wèn)題，并且隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)MIMO技術(shù)已經(jīng)不能滿足高數(shù)據(jù)物業(yè)的發(fā)展要求。而大規(guī)模MIMO技術(shù)不需要對(duì)用戶終端設(shè)備進(jìn)行更新，只需要對(duì)基站進(jìn)行相應(yīng)改造，就可以顯著提升系統(tǒng)的容量與頻道效率。大規(guī)模MIMO基本模型如圖1所示。

圖1 大規(guī)模MIMO基本模型

（2）優(yōu)勢(shì)

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以通過(guò)增加基站中天線的數(shù)量直接擴(kuò)充系統(tǒng)容量，并且有效降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。同時(shí)可以運(yùn)用價(jià)格低廉、功率為毫瓦的放大元件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，可以有效提升經(jīng)濟(jì)效益，降低發(fā)射功率的消耗。此外，有相應(yīng)理論證實(shí)，當(dāng)天線的數(shù)量達(dá)到一定量后，噪音與不相關(guān)的干擾可以忽略，而且最簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼以及譯碼算法已經(jīng)趨近于最優(yōu)。

（3）獲取信道狀態(tài)信息

在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中由于天線數(shù)量的增加，基站只有對(duì)信道狀態(tài)信息進(jìn)行有效獲取，才可以確保系統(tǒng)通信的可靠性。目前大部分研究都是在時(shí)分雙工系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行探究的。基于信道互異的時(shí)分雙工系統(tǒng)可以顯著降低信道開(kāi)銷，并且不用構(gòu)建復(fù)雜的反饋機(jī)制，天線的數(shù)量也不會(huì)受到限制。但是根據(jù)互易性原理的特點(diǎn)，很難完成快速移動(dòng)情況下的通信。同時(shí)由于導(dǎo)頻信號(hào)的空間維數(shù)是十分有限的，如果用戶運(yùn)用相同導(dǎo)頻同時(shí)向基站發(fā)射，可能會(huì)讓基站沒(méi)有辦法區(qū)分，從而導(dǎo)致導(dǎo)頻污染狀況的出現(xiàn)，并且此問(wèn)題不會(huì)隨著天線數(shù)量的增多而消失。而解決此問(wèn)題的主要方法有干擾抵消法、盲估計(jì)法、預(yù)編碼法等。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸通常會(huì)受到小區(qū)內(nèi)干擾、非相干干擾以及導(dǎo)頻污染導(dǎo)致的區(qū)間干擾三種干擾因素的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)更好地滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，并且可以對(duì)多技術(shù)多業(yè)務(wù)進(jìn)行有效融合，從而使用戶得到最佳體驗(yàn)。5G無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)頻譜效率、能耗效率問(wèn)題進(jìn)行有效解決，并對(duì)現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)整合，從而使網(wǎng)絡(luò)變得更加靈活高效，以提供高水平的服務(wù)。同時(shí)設(shè)備終端會(huì)更加智能化，網(wǎng)絡(luò)的配置、維護(hù)費(fèi)用會(huì)越來(lái)越低，從而更好的促進(jìn)信息社會(huì)的快速發(fā)展。

[1]趙國(guó)鋒，陳婧，韓遠(yuǎn)兵，等.5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（4）：63-64.

[2]王東明，尤肖虎，高西奇，等.面向5G的大規(guī)模天線無(wú)線傳輸理論與技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2016（1）：77-78.

5G wireless communication network key technology research in the physical

Zhang Jia hua

China mobile group design institute Co., Ltd., Sichuan branch，SichuanChengdu 610045

As the growing demand for the information society，obtained the rapid development of wireless communication technology，in order to meet the demands of the development of information society，5G wireless communication technology in the process of exploring study. The physical layer key technologies in this paper，5G wireless communication network，discusses the millimeter wave communication technology and large-scale MIMO technology，to meet the requirements of future wireless communication.

5G wireless communication；network；physical layer；key technology

TN929.5

A

1009-6434（2017）01-0017-02