蘇欣+陳嘉琪

摘要：5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)作為下一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，必須滿足用戶不斷增長(zhǎng)的移動(dòng)通信需求，給用戶營(yíng)造更好的移動(dòng)通信體驗(yàn)。而為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就必須對(duì)5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)加強(qiáng)研究。本文正是基于這一出發(fā)點(diǎn)，對(duì)5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了一些有意義的探討，希望對(duì)相關(guān)工作能夠有所借鑒。

關(guān)鍵詞：5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，大規(guī)模MIMO技術(shù)，毫米波通信

1 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的蜂窩結(jié)構(gòu)

蜂窩結(jié)構(gòu)是提升移動(dòng)通信服務(wù)水平的一個(gè)關(guān)鍵。眾所周知，移動(dòng)通信用戶多數(shù)時(shí)間是在室內(nèi)使用智能移動(dòng)終端來(lái)上網(wǎng)，戶外利用時(shí)間據(jù)統(tǒng)計(jì)約為室內(nèi)利用時(shí)間的1/4。因此，小區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)室外基站在小區(qū)中的通信影響是不小的。現(xiàn)實(shí)中，考慮到建筑物的墻體結(jié)構(gòu)會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)的穿透能力受到影響，同時(shí)數(shù)據(jù)在穿透建筑時(shí)也會(huì)降低其速率和頻譜效率，所以最終就會(huì)使無(wú)線傳輸?shù)哪芰吭獾絿?yán)重?fù)p耗。在這種情況下，采用5G蜂窩結(jié)構(gòu)就不失為一個(gè)好的解決對(duì)策，5G蜂窩結(jié)構(gòu)可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能量的利用率?；旧系奶炀€陣列需要DAS系統(tǒng)和MIMO技術(shù)來(lái)共同輔助，而當(dāng)前的MIMO系統(tǒng)通常只利用到了2～4根天線，只有大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)才會(huì)運(yùn)用大量的天線陣列來(lái)增加潛在容量。室外基站依靠大規(guī)模MIMO系統(tǒng)鏈接到BS，然后相互合作形成的虛擬大型陣列天線和BS天線陣列構(gòu)建成了最終的MIMO鏈路。因此，在建筑物外部安裝室外基站或者分布式的天線陣列是不能省略的，因?yàn)檫@些陣列是連接室外基站與移動(dòng)用戶終端的關(guān)鍵所在。誠(chéng)然，采用蜂窩結(jié)構(gòu)的5G通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本必然會(huì)增加，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，小區(qū)的吞吐量、頻譜效率以及小區(qū)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率都會(huì)獲得顯著提高，所以5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采用蜂窩結(jié)構(gòu)是十分有必要的。

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

1.毫米波通信

無(wú)論對(duì)第幾代移動(dòng)通信系統(tǒng)，頻譜資源都是實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的基礎(chǔ)。就目前來(lái)說(shuō)，無(wú)線頻譜主要集中在300 MHz～3 GHz 頻段，而5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)3～300GHz的頻段都能進(jìn)行有效利用，這就解決了當(dāng)前無(wú)線通信領(lǐng)域的頻譜短缺問(wèn)題，而且為以后的大數(shù)據(jù)傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。

現(xiàn)實(shí)中，通過(guò)對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究，到達(dá)角、均方根、時(shí)延拓展、路徑消耗等數(shù)據(jù)都已被測(cè)量得到，這對(duì)實(shí)現(xiàn)5G毫米波移動(dòng)通信有著非常重要的參考價(jià)值。但毫米波通信的發(fā)展也存在著相應(yīng)的制約因素，這些因素主要體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：第一，因?yàn)橐苿?dòng)通信信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到路徑消耗問(wèn)題，同時(shí)信號(hào)在無(wú)線信道中傳輸時(shí)也會(huì)受到噪音以及其他信道的影響，這些都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)被損耗。通過(guò)研究證明，頻率越高，移動(dòng)通信信號(hào)的損耗就越大，而為了解決這一問(wèn)題，可以將大規(guī)模發(fā)射天線在高頻段進(jìn)行應(yīng)用，通過(guò)形成波束來(lái)將能量集中到較小的區(qū)域內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)增加效益和降低傳播損耗的目的。第二，移動(dòng)通信信號(hào)在穿過(guò)建筑物時(shí)也會(huì)遭受損耗，而低頻段信號(hào)受到這種影響較小。所以為了降低毫米波在穿透建筑物時(shí)的損耗，如果傳輸距離近、頻段小，那么可以通過(guò)在室內(nèi)安裝WiFi節(jié)點(diǎn)或者采用毫微蜂窩方式來(lái)保障室內(nèi)的通信質(zhì)量。第三，在采用毫米波通信技術(shù)時(shí)，需要對(duì)頻段信號(hào)的傳播特性進(jìn)行充分的考慮，例如雨衰就是要重點(diǎn)考慮的要素。當(dāng)雨量過(guò)大時(shí)，無(wú)線通信通信系統(tǒng)的傳播路徑長(zhǎng)度和可靠性都會(huì)受到嚴(yán)重影響，同時(shí)考慮到雨點(diǎn)大小和發(fā)射波長(zhǎng)相差無(wú)幾，也極易引發(fā)散射問(wèn)題。

2.大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO 技術(shù)在4G時(shí)代就已經(jīng)體現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是這并不是說(shuō)MIMO技術(shù)就不存在問(wèn)題。事實(shí)上，隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足移動(dòng)用戶對(duì)通信服務(wù)水平增長(zhǎng)的需求。在這種情況下，可以考慮加強(qiáng)對(duì)大規(guī)模MIMO技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。大規(guī)模MIMO技術(shù)不需要對(duì)用戶的移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行更新，只需要對(duì)基站進(jìn)行相應(yīng)的改造，就可以顯著增強(qiáng)系統(tǒng)的容量和頻道效率。大規(guī)模 MIMO技術(shù)的應(yīng)用示意如圖1所示。

大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)可以通過(guò)增加基站中天線的數(shù)量來(lái)直接擴(kuò)充系統(tǒng)容量，即直接通過(guò)對(duì)基站進(jìn)行改造就可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，還可以運(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，這一方面可以降低發(fā)射功率的消耗，另一方面也顯著地提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。此外，有相關(guān)理論已經(jīng)正式，一旦天線的數(shù)量超過(guò)一定的界限值后，噪音和不相干信道干擾的影響就基本可以無(wú)視，而且當(dāng)前的線性預(yù)編碼以及譯碼算法已經(jīng)趨近于最優(yōu)。

圖1 大規(guī)模 MIMO技術(shù)的應(yīng)用示意圖

在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，因?yàn)樘炀€數(shù)量的增多，基站只有對(duì)信道狀態(tài)信息進(jìn)行有效獲取，才可以為通信服務(wù)提供可靠保障。當(dāng)前的研究都主要集中在時(shí)分雙工系統(tǒng)上，而基于信道互異的時(shí)分雙工系統(tǒng)可以大幅度減少信道開(kāi)銷，同時(shí)還不用運(yùn)行復(fù)雜的反饋機(jī)制，天線的數(shù)量也不會(huì)受到限制。但根據(jù)互易性原理的特點(diǎn)，快速移動(dòng)條件下的通信比較難以實(shí)現(xiàn)。此外，因?yàn)槭艿綄?dǎo)頻信號(hào)空間維數(shù)的限制，一旦用戶采用相同的導(dǎo)頻同時(shí)向基站發(fā)射，那么就可能導(dǎo)致基站不能進(jìn)行有效識(shí)別，進(jìn)而造成導(dǎo)頻被污染的情況，此問(wèn)題不會(huì)隨著天線數(shù)量的增多而消失。為了解決這一問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)人員提出了很多方法，如干擾抵消法、盲估計(jì)法、預(yù)編碼法等。現(xiàn)實(shí)中，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的通信傳輸會(huì)受到小區(qū)內(nèi)干擾、非相關(guān)干擾以及因?qū)ьl污染造成的區(qū)間干擾的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)作為下一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，必須滿足用戶不斷增長(zhǎng)的移動(dòng)通信需求，給用戶營(yíng)造更好的移動(dòng)通信體驗(yàn)。而為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就必須對(duì)5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)加強(qiáng)研究。本文正是基于這一出發(fā)點(diǎn)，對(duì)5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，希望對(duì)未來(lái)5G系統(tǒng)的建設(shè)能夠有所借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘇金梅.5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016， （22）：633

[2] 鄒俊飛，何飛.5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)蜂窩結(jié)構(gòu)體系和關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)新通信，2017， （8）：34-34

[3] 倪善金，趙軍輝. 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)[J].電信科學(xué)，2015， 31（12）：40-45

[4] 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），2015，27（4）：441-452

[5] 張長(zhǎng)青.面向5G的大規(guī)模MIMO天線陣列研究[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2016， （3）：34-39endprint