李越鰲 劉詩蔚 陳家心 林曉基 梁家通

（威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

引言

隨著科學技術的不斷演化發(fā)展，無線通信技術在專利數(shù)量和技術演化進程上走在科技界的前沿。如表1所示從上世紀80年代的第一代移動通信技術開始，再到2G/3G/4G網(wǎng)絡一代代的不斷演進和應用，以及目前5G網(wǎng)絡的普及商用，給人們提供更加信息化、智能化、多元化的生活環(huán)境，不斷推動國民經(jīng)濟發(fā)展和科技發(fā)展的前進步伐。在新時代的科技領域，5G通信技術將是發(fā)展空間最大，是當前不可替代的的技術之一。5G網(wǎng)絡有著低延時、高速率、系統(tǒng)管理等優(yōu)點，有著其他網(wǎng)絡無法比擬的優(yōu)勢。5G無線通信系統(tǒng)運行效率高，信息傳播速度快，分析問題系統(tǒng)化等特點，將是未來無線通信技術的發(fā)展方向。

表1 移動通信發(fā)展過程

1 5G無線通信技術的含義

5G無線通信技術是移動通信網(wǎng)絡的第五代技術的創(chuàng)新，同時也是國家科技發(fā)展的動力和核心技術，在未來的不斷發(fā)展中將得到廣泛的應用[1]。5G無線技術與4G無線移動通信技術相比具有覆蓋廣闊、速度快、延遲低、發(fā)展空間更大的優(yōu)勢，但4G。在初期試驗階段中已達到非常好的效果，無論現(xiàn)在還是未來將會朝著5G無線技術的方向不斷延伸和創(chuàng)新。

2 5G無線通信的關鍵技術

2.1 異構(gòu)無線技術

異構(gòu)無線網(wǎng)絡（HetNet）是在5G蜂窩結(jié)構(gòu)的基礎上，通過設備多樣化和差異化的覆蓋，以及多種頻段相結(jié)合的組網(wǎng)方式等實現(xiàn)立體的分層網(wǎng)絡[2]。隨著無線通信技術的不斷發(fā)展、移動終端和通信設備性能不斷的提高，以及人們對網(wǎng)絡的日益增長，傳統(tǒng)的2G/3G/4G網(wǎng)絡難以滿足信息時代的需求，為了提高傳輸速率、信息網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性。對于異構(gòu)無線網(wǎng)絡框架中，5G無線網(wǎng)絡將是基于多種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、多種頻段制式的超密集多元化異構(gòu)網(wǎng)絡，例如：宏蜂窩、微蜂窩、室內(nèi)分布系統(tǒng)、Wi-Fi等信號覆蓋方式進行結(jié)合，實現(xiàn)彌補網(wǎng)絡空洞，轉(zhuǎn)移負載的均衡和提高容量，形成一個信息技術多元化的網(wǎng)絡節(jié)點。在異構(gòu)網(wǎng)絡多元化、多網(wǎng)絡、多制式協(xié)同進行和減少投資的原則，宏蜂窩主要覆蓋連續(xù)廣闊的區(qū)域，解決底層網(wǎng)絡的覆蓋問題，是異構(gòu)網(wǎng)絡的核心力量，圖1所示。微蜂窩和室內(nèi)分布系，以及Wi-Fi是兼顧和補充覆蓋盲區(qū)，增強熱點和容量的不足。在傳統(tǒng)分布系無法實現(xiàn)異構(gòu)無線網(wǎng)絡技術的同時，需要在多元化復雜的網(wǎng)絡環(huán)境下尋找平衡點，提高網(wǎng)絡資源的最優(yōu)效率和降低建設成本。

圖1 多種技術相融合應用場景圖

2.2 大規(guī)模MIMO技術

大規(guī)模 MIMO（massive multiple-input multipleoutput）技術是在發(fā)射機和接收機同時配置多個天線來大幅度地提升多用戶網(wǎng)絡的容量、能源和頻率效率、以及傳輸可靠性的性能優(yōu)勢。由于現(xiàn)在5G無線通信系統(tǒng)基本已經(jīng)比較成熟，各個運營商陸續(xù)的采用大規(guī)模MIMO技術建設基站，可以同時同頻的實現(xiàn)多用戶無干擾通信。大規(guī)模MIMO技術需要在基站配置上百或者幾百的若干天線數(shù)量為多個用戶同時服務，如圖2所示。與傳統(tǒng)的MIMO技術相比具有較大的優(yōu)勢：

圖2 大規(guī)模MIMO 技術通信網(wǎng)絡

1）隨著天線數(shù)量不斷增加，能有效的平均熱噪聲和信道快速衰落的信道硬化作用[3]，從而解決了延遲時間和避免用戶陷入深衰落的現(xiàn)象。

2）大規(guī)模的天線使用，能夠滿足同時同頻的與多個或者單個基站在同頻同時上進行通信，從而提高了較強的空間分別率。在天線陣列增益不斷增加的同時能降低發(fā)射端的功耗。

3）在配置交多天線的情況下，其檢測器和線性預編碼的性能將會處于較好的狀態(tài)，同時能減少導頻污染，降低預編碼技術和信道模型，以及信號檢測的難度。

4）當天線的側(cè)天線數(shù)遠大于用戶天線數(shù)時，基站到各個用戶的信道將趨于正交，噪聲和干擾將趨于消失，而巨大的陣列增益能夠有效提升每個用戶的信噪比，而Massive MIMO天線的設計，可以實現(xiàn)空間復用、空間分集和波束賦形增益的最大化，如圖3所示。

圖3 Massive MIMO 技術

2.3 綠色無線通信技術

在無線通信系統(tǒng)中基站的無線接入網(wǎng)（C-RAN）功耗占比約為（50～80）%，對能源的消耗尤為突出，而綠色通信技術能有效地改善5G網(wǎng)絡的頻譜效率和能量消耗，同時也是提高無線接入網(wǎng)（C-RAN）系統(tǒng)的節(jié)能技術，如圖4所示。為了改善無線接入網(wǎng)的綠色通信技術，首先要合理使用耗能器件，由于基站的射頻功耗比較大，且功放的線性和效率達不到理想的效果，嚴重影響的網(wǎng)絡能量效率，所以優(yōu)化功放單元的功耗是最為關鍵的。其次優(yōu)化功率傳輸?shù)逆溌?，雖然在基站中功率傳輸?shù)墓谋容^小，但是能夠合理的資源分配和高效傳輸，對無線網(wǎng)絡的服務效率和能量效率起著關鍵性作用。從鏈路層面的角度分析，提高鏈路傳輸效率有傳輸性能、處理難度和無線資料三者與傳輸功耗的折中關系[4]。最后是網(wǎng)絡節(jié)能，基于異構(gòu)無線網(wǎng)絡如何進行高能效的部署超密集小站的UDN技術，且實現(xiàn)網(wǎng)絡高能效運營拓撲結(jié)構(gòu)控制和其他網(wǎng)絡協(xié)調(diào)通信、資源分配、網(wǎng)絡融合等問題。

圖4 C-RAN系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.4 毫米波技術

毫米波技術在國際標準3GPP R15/R16/R17演進中不斷擴大頻率范圍（從（24.25～52.6）GHz到（52.6 ～71） GHz）、載波帶寬（可實現(xiàn)8個100 MHz載波）、應用領域（軍民兩用）等技術范疇[5]，如圖5所示。毫米波在組網(wǎng)方式上部署方式靈活，在實際產(chǎn)業(yè)上有實驗效果顯著的系統(tǒng)架構(gòu)和硬件方案，也是首次在無線通信領域上實現(xiàn)。主要體現(xiàn)在毫米波如下幾點技術優(yōu)勢：

圖5 3GPP R15/R16/R17毫米波演進圖

1）毫米波配置超大帶寬和豐富的頻率資源。當前的基站設備可以信號處理技術和載波聚合的方式實現(xiàn)超高的峰值速率。

2）空口傳輸時延較低。目前3.5GHz采用0.5 ms較長的時隙長度和30 kHz的子載波間隔。而5G毫米波只有0.125 ms時隙長度和120 kHz的子載波間隔，因此5G毫米波的空口傳輸時延明顯較低的優(yōu)勢。

3）部署靈活性。毫米波可以獨立或者與中低頻段協(xié)同組網(wǎng)的方式，實現(xiàn)獨立組網(wǎng)的應用優(yōu)勢和提高中低頻段組網(wǎng)的低時延，超大帶寬的特點。

毫米波還有受限的問題，就是穿透和傳播損耗比較大，導致在某些間隔密集阻礙性比較大的場景存在覆蓋不足，不適用大面積連續(xù)覆蓋和移動速度快的場景。因此毫米波在寬闊無阻擋的場景覆蓋效率和傳播特性比較好，例如大型體育館、大型展館、開放辦公區(qū)等場景，如圖6所示。

圖6 毫米波典型應用場景

2.5 云計算技術

隨著信息時代和數(shù)字經(jīng)濟的不斷發(fā)展，需要增強無線通信網(wǎng)絡的信息處理，在當前的網(wǎng)絡傳輸已無法滿足人們?nèi)粘５男枨?，?jù)統(tǒng)計在全球范圍內(nèi)網(wǎng)絡接入數(shù)量已超過500億，接近600億的龐大數(shù)量。經(jīng)過這幾年5G無線通信技術的不斷發(fā)展，人們對服務終端設備、數(shù)據(jù)處理和存儲能力、信息傳輸效率等要求越來越高。而云計算平臺將對數(shù)據(jù)的存儲、分析、計算、傳輸?shù)仁菇K端設備的傳輸效率和計算能力得到更大提升。5G無線通信系統(tǒng)作為通信領域的一種新開放模式和方法，必須結(jié)合云計算平臺的優(yōu)勢進行大數(shù)據(jù)處理，并充分利用云計算技術Paxos算法解決分布式系統(tǒng)信息的一致性和使用DHT算法解決分布式網(wǎng)絡在應用層的選路，以及Cossip協(xié)議中解決分布式環(huán)境下信息高效分發(fā)等核心算法，從而更有效的提高終端設備在通信系統(tǒng)的計算效率和傳輸速度，以及數(shù)據(jù)存儲容量得到擴展，還能提高5G無線通信系統(tǒng)得到跟多用戶的使用口碑和推廣[6]。

2.6 空口技術

隨著移動通信系統(tǒng)的演化發(fā)展，空口技術帶動了新一代5G無線通信系統(tǒng)具有較好的數(shù)據(jù)處理能力和傳輸效率，以及帶寬以1 G/s的驚人速度來傳遞信息，為大量用戶提供更好的通信服務質(zhì)量，同時結(jié)合傳感器形成一個網(wǎng)絡強大的通信系統(tǒng)來擴大覆蓋面積。隨著通信技術的發(fā)展趨勢，5G空口技術路線可以分為低頻空口和高頻空口，5G低頻新空口采用全新的設計，引入新型多址，新波形，大規(guī)模MIMO，超密集組網(wǎng)，頻譜共享，全頻譜接入等先進技術，支持信令流程、雙工方式、幀結(jié)構(gòu)，有效滿足大連接、覆蓋面積廣闊及高速場景下的體驗時延、速率、能效及連接數(shù)的要求。而5G高頻新空口需要與低頻段空口配合組網(wǎng)形成有效的網(wǎng)絡覆蓋方式，對數(shù)據(jù)傳輸能力進行管理和控制；高頻新空口作為低頻新空口的有效補充覆蓋，在高熱點、高容量區(qū)域能有效為用戶提供高速的數(shù)據(jù)傳輸[7]。

3 結(jié)語

基于5G無線通信系統(tǒng)的新一代移動通信技術，主要是通過大規(guī)模MIMO技術和異構(gòu)無線通信技術來提高數(shù)據(jù)傳輸能力和實現(xiàn)同時同頻的多用戶無干擾通信，這些與原來2G/3G/4G的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比具有傳輸速度快，系統(tǒng)性能強，網(wǎng)絡穩(wěn)定等特點。由于5G無線通信系統(tǒng)復雜，技術難度大，只依靠這些技術還是無法展現(xiàn)5G無線通信系統(tǒng)的優(yōu)越性，需要在毫米波技術、綠色通信技術、云計算技術、空口技術等多種關鍵技術相結(jié)合才能發(fā)揮系統(tǒng)的有效能動性。