麥洪永

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面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)綜述

麥洪永

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630

5G無線通信是未來通信行業(yè)發(fā)展的方向。當(dāng)前4G技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在通信行業(yè)中具有十分重要的地位。5G無線通信技術(shù)還不夠成熟，還處于探索和研發(fā)階段。因此，對(duì)5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，旨在促進(jìn)5G無線通信系統(tǒng)的發(fā)展。

5G無線通信；移動(dòng)通信；通信技術(shù)；通信系統(tǒng)

引言

經(jīng)過多年發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)取得了很多成果，移動(dòng)通信技術(shù)在人們的工作和生活中的應(yīng)用也越來越廣泛，給人們的生活帶來了很大變化。由于移動(dòng)終端越來越普及，各種多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快速發(fā)展，業(yè)務(wù)需求量也急劇增長。根據(jù)當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，到2020年移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將增長1?000倍的容量和100倍的連接數(shù)。通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)量越來越多，而且用戶接入網(wǎng)絡(luò)的成本逐漸降低。5G無線通信技術(shù)的研究成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)，也是未來通信領(lǐng)域的發(fā)展方向。針對(duì)當(dāng)前5G無線通信技術(shù)研究中存在的各種問題，還需要不斷創(chuàng)新，繼續(xù)深入，探索研究更多新技術(shù)，確保5G無線通信系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效。

1 5G無線通信系統(tǒng)概述

5G無線通信技術(shù)是在4G移動(dòng)通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新通信技術(shù)。相較于4G傳輸，5G的傳輸效率更高，覆蓋范圍更廣，傳輸延時(shí)和用戶體驗(yàn)也更高。4G通信向5G通信的轉(zhuǎn)換，將成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的一次全面變革。當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)5G無線通信技術(shù)的研究越來越深入。2013年歐盟建立了5G無線通信研發(fā)項(xiàng)目METIS。我國也積極加強(qiáng)與其他國家的合作，就5G無線通信開展探討和研究。在當(dāng)前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，各種業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的傳輸基本都是通過無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)的。5G無線通信技術(shù)的傳輸效率和傳輸質(zhì)量都大大提升，能夠滿足未來大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸[1]。5G無線通信技術(shù)可以和其他的技術(shù)相互融合，實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，進(jìn)一步提高5G無線通信技術(shù)的應(yīng)用水平。從當(dāng)前5G無線通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀可以看出，5G無線通信技術(shù)的特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。

第一，5G通信系統(tǒng)很注重用戶的體驗(yàn)，良好的用戶體驗(yàn)是移動(dòng)通信行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。想要給用戶良好的體驗(yàn)，就必須加強(qiáng)傳輸延時(shí)、3D交互等各種新技術(shù)的應(yīng)用，以這些新技術(shù)作為支撐。5G無線通信技術(shù)中就包含了各種新技術(shù)，因此有助于提高用戶的體驗(yàn)和感覺。

第二，5G無線通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)交互和協(xié)作。對(duì)于5G無線通信系統(tǒng)而言，由于技術(shù)水平有了很大提升，因此可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)和多用戶協(xié)作。多點(diǎn)和多用戶協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)組織是5G無線通信系統(tǒng)獨(dú)特的優(yōu)勢。與其他的通信系統(tǒng)相比，5G無線通信系統(tǒng)的優(yōu)勢十分明顯。這也使得網(wǎng)絡(luò)組織系統(tǒng)整體性能的提升成為可能。

第三，5G無線通信系統(tǒng)應(yīng)用了較多的高端頻譜，使得業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和信息資源的傳輸效率更高、傳播速度更快；但是高端頻譜的穿透能力有限，因此還是需要有線和無線的組合。兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，提高移動(dòng)通信效率。

2 5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大規(guī)模MIMO通信技術(shù)

2.1.1 大規(guī)模MIMO通信技術(shù)的基本特性

大規(guī)模MIMO通信技術(shù)是5G移動(dòng)通信技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。具體來講，大規(guī)模MIMO通信技術(shù)指的是在通信基站設(shè)置比現(xiàn)有通信系統(tǒng)中的天線數(shù)量更大規(guī)模的天線陣列，從而提高通信基站的服務(wù)水平，同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)。業(yè)界認(rèn)為，天線服務(wù)的用戶總數(shù)大約是天線總數(shù)的10%。通過設(shè)計(jì)天線陣列，可以增加天線的數(shù)量，從而增加被服務(wù)的對(duì)象。這些天線是可以散布在小區(qū)內(nèi)的，或者以規(guī)模天線陣列的形式集中配置。大規(guī)模MIMO通信技術(shù)之所以受到重視，是因?yàn)樵谠O(shè)置天線陣列后，系統(tǒng)可以獲取大量的數(shù)據(jù)信息。這是常規(guī)系統(tǒng)或者常規(guī)的基站無法實(shí)現(xiàn)的。

2.1.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)

第一，通信天線的數(shù)量增多，各個(gè)用戶之間的通信渠道也發(fā)生了改變，呈現(xiàn)出正交的特征，用戶之間傳遞信息數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的相互干擾可以被迅速消除，從而提高了系統(tǒng)的容量。第二，隨著天線數(shù)量不斷增多，信道快衰落以及熱噪聲也可能被均勻化。也就是說信道的硬化作用，使得用戶在使用通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)衰減情況，減少了空中接口的等待延遲現(xiàn)象，而且還簡化了通信調(diào)度方案。第三，利用多根天線，可以使波束能量聚焦起來，對(duì)準(zhǔn)更小的空間范圍，提高空間分辨率，提高信號(hào)質(zhì)量。此外，天線數(shù)量增加，還可以迅速提升天線陣列的增益效果，從而減少信息發(fā)射端的能耗，提升系統(tǒng)的總能效。

2.1.3大規(guī)模MIMO通信在應(yīng)用過程中存在的問題

因?yàn)榇笠?guī)模MIMO通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是依靠基站對(duì)信道信息的獲取程度而定的。當(dāng)前比較常見的蜂窩系統(tǒng)中的雙工制式，主要有時(shí)分雙工、頻分雙工兩種形式。兩者的信道獲取手段以及成本差距都比較大。在這種技術(shù)應(yīng)用初期，很多專家都針對(duì)TDD制式下的有關(guān)技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行深入研究和探索，從信道獲取過程中的導(dǎo)頻開銷角度進(jìn)行考慮，但由于多個(gè)小區(qū)的蜂窩系統(tǒng)的原因，可能會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)頻數(shù)目不足的現(xiàn)象，因此在多個(gè)小區(qū)之間必須借助共用導(dǎo)頻序列進(jìn)行傳輸，從而可能會(huì)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的導(dǎo)頻污染問題，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，影響人們的通信體驗(yàn)。針對(duì)這個(gè)問題，近年來有研究人員開展研究分析，通過對(duì)用戶進(jìn)行分組的手段來解決，利用信道統(tǒng)計(jì)信息來進(jìn)行第一層預(yù)編碼，將以前的高維度信道變成了低維度信道，有效地減少了在對(duì)信道進(jìn)行預(yù)測的時(shí)候所產(chǎn)生的導(dǎo)頻支出。就當(dāng)前情況來看，對(duì)于大規(guī)模MIMO通信技術(shù)的研究，還應(yīng)集中于如何設(shè)計(jì)出更簡便的收發(fā)機(jī)波束成形及功率分配算法[2]。

2.2 綠色通信技術(shù)

通信領(lǐng)域的高能耗成為社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)問題。隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量越來越多，通信領(lǐng)域的能耗也會(huì)越來越大。高能耗已成為通信領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)大難題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，信息通信科技領(lǐng)域的能耗大約是世界總能耗的3%，而且每年的能耗還在不斷增加，占比不斷提高。隨著4G技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通信行業(yè)的能耗壓力問題越來越明顯，而零等待、零距離通信的即連5G通信系統(tǒng)的能耗會(huì)更高。對(duì)此，如何降低5G通信系統(tǒng)的能耗，成為5G通信系統(tǒng)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

在5G無線通信系統(tǒng)中，信號(hào)的發(fā)射功率較低的時(shí)候，滿功率發(fā)射可以實(shí)現(xiàn)最佳的頻譜效率和能源利用率。在高發(fā)射頻率基礎(chǔ)上，頻譜效率和能源效率與低頻時(shí)的差距十分明顯，但是考慮到能耗的問題，必須要在高頻和低頻發(fā)射之間找到一個(gè)平衡的點(diǎn)。如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻譜、高能率通信成為5G無線通信系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。有研究人員對(duì)多用戶情況下的大規(guī)模MIMO下行鏈路系統(tǒng)的資源優(yōu)化問題進(jìn)行研究。為了同時(shí)權(quán)衡通信系統(tǒng)的容量以及能耗問題，可以從系統(tǒng)資源效率的角度出發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的資源效率利用進(jìn)行。此外，還必須重視收發(fā)機(jī)損傷的問題，將收發(fā)機(jī)損傷納入波束形成優(yōu)化問題中，從而使收發(fā)機(jī)的性能得到有效的維護(hù)。解決這些問題后，大規(guī)模MIMO通信系統(tǒng)將成為一個(gè)通信效率最高、能耗最低的系統(tǒng)。

2.3 異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)

異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)是5G通信系統(tǒng)發(fā)展中的一個(gè)重要內(nèi)容。現(xiàn)階段，隨著集成電路科技的不斷進(jìn)步，通信系統(tǒng)的終端能力有了很大程度的提升。通信科技以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，也使無線接入技術(shù)逐漸成熟和普及起來。4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中就提出了多元化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和覆蓋范圍，包括宏小區(qū)、微小區(qū)、中繼等各項(xiàng)業(yè)務(wù)。一些常規(guī)的接入節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制是根據(jù)常規(guī)的信噪比和接收信號(hào)的強(qiáng)度來確定的，很明顯無法滿足多樣化通信節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)需求。想要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信負(fù)載的轉(zhuǎn)移，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，彌補(bǔ)宏基站的盲區(qū)，在異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)中還必須要引入更多不同類型、不同發(fā)射功率的接入節(jié)點(diǎn)[3]。同時(shí)，為了從根本上體現(xiàn)出接入節(jié)點(diǎn)的功效，要引入創(chuàng)新性的接收節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制。比如，在拓展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍時(shí)，要在用戶接收低功率接入節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度基礎(chǔ)上增添一些偏量值，從而對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修正操作，經(jīng)過修正之后的接入機(jī)制也可以更迅速地完成任務(wù)的轉(zhuǎn)移和均衡分配。

2.4 全雙工技術(shù)

全雙工技術(shù)指的是信息同時(shí)傳輸和同頻率傳輸?shù)募夹g(shù)。因發(fā)送和接收都在同一信道上，頻譜效率提升了一倍，應(yīng)用在5G上能大大提升其吞吐量。全雙工技術(shù)在發(fā)送完數(shù)據(jù)之后立刻接收反饋信息，減少了時(shí)延。另外，在傳送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，無需等待數(shù)據(jù)包完全到達(dá)才發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包，在重傳的時(shí)候時(shí)延更小。

但全雙工技術(shù)發(fā)射跟接收都使用同一頻段，發(fā)射信號(hào)會(huì)對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生自干擾，目前用以下幾個(gè)手段來消除自干擾。

第一，使用天線干擾消除，使用兩根發(fā)送天線和一根接收天線，并使兩根發(fā)送天線到接收天線的距離差為發(fā)射半波長的奇數(shù)倍。

第二，使用射頻干擾消除，使用噪聲消除芯片，從接收信號(hào)中濾去干擾信號(hào)。

第三，使用數(shù)字干擾消除，從兩個(gè)發(fā)射機(jī)接收信號(hào)，再從原始沖突信號(hào)中，減去不期望包的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

5G網(wǎng)絡(luò)將承載萬物互聯(lián)，其頻譜資源無比珍貴，全雙工技術(shù)大大提升了頻譜效率，因而運(yùn)營商把其作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一而重點(diǎn)研究。

3 結(jié)語

綜上所述，5G移動(dòng)通信技術(shù)的推廣，使得多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求量急劇增加，讓多用戶實(shí)時(shí)通信變成可能，但是信息傳輸過程中的能耗也越來越嚴(yán)重。針對(duì)這種情況，必須加強(qiáng)對(duì)5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，不斷提高5G通信系統(tǒng)的效率和通信質(zhì)量。

[1]陳彥澔. 面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)初探[J]. 中國新通信，2018（1）：14.

[2]鄭國鑫. 關(guān)于面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 中國新通信，2017，19（12）：8.

[3]楊綠溪，何世文，王毅. 面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 數(shù)據(jù)采集與處理，2015（3）：469-485.

Summary of Key Technologies For 5G Wireless Communication System

Mai Hongyong

Guangdong Planning and Designing Institute of Telecommunications Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510630

At present, 4G technology has been very mature, and has a very important position in the communication industry. 5G wireless communication is the development direction of the future communication industry, which is not mature enough and still in the stage of exploration and research. The key technology of 5G wireless communication system is analyzed in the paper, which aims to promote the development of 5G wireless communication system.

5G wireless communication; mobile communication; communication technology; communication system

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