5G無線傳輸的關鍵技術

楊大為+胡娟

摘 要

在移動通信技術飛速發展的背景下，研究5G移動通信技術對于我國經濟的發展具有十分重要的意義。本文從無線傳輸技術角度深入介紹了5G潛在關鍵技術及最新進展，分析了其中一些關鍵無線傳輸技術的優缺點及未來可能的研究方向。最后，對5G無線傳輸技術面臨的問題進行了剖析，及其未來發展趨勢進行探索。

【關鍵詞】5G 無線傳輸 關鍵技術

1 引言

5G概念的提出最早可以追溯到2000年的中后期，早在全球規模部署4G網絡時，5G研發已經成為業界關注和爭奪的焦點。行業中討論5G可能包含的概念：高于10Gbps的數據速率，至少高于4G技術10倍；覆蓋中更統一的用戶體驗；極低的延遲，低于1ms，比4G的低10倍，以實現系統更高的實時性控制；使用高頻，在5GHz以上包括毫米波（30GHz以及更高的GHz）；寬的無線信道，1～2GHz，甚至更寬；無線更為靈活；更多元素的天線陣列；用戶設備和多個基站之間的同步連接，跨越多種接入技術和頻率；先進的頻譜共享技術；上下感知的網絡，在該網絡自動執行基于用戶位置或活動的功能；適用于新興的設備對設備（D2D）通信的部署。

其中無線部分需要考慮的技術有：先進的干擾管理、大規模多天線技術、安全、調制解調、編解碼、毫米波技術等。本文從無線傳輸的角度介紹分析了5G一些潛在的關鍵技術，闡述學術界具有代表性的一些觀點。

2 5G無線傳輸關鍵技術

2.1 大規模多天線技術

貝爾實驗室的Thomas在2010年底的《無線通信》中提出了5G中的大規模多天線的概念。所謂大規模多天線是一種多入多出（MIMO，multiple input and multiple output）的通信系統，在此系統中基站天線數目遠高于終端天線數目，通過建立極大數目信道到達終端實現信號的高速傳輸，并且通過大規模多天線的建設簡化物理層設計實現信號的低時延傳輸。大規模多天線的應用場景如圖1所示。小區為宏蜂窩和微蜂窩并存，場景分為室內和室外兩種，基站天線數可以趨于無限大，同時用戶天線數目也可以增大。大規模多天線技術在整個5G系統中會帶來以下優點：

（1）大規模多天線多入多出系統的空間分辨率被極大提升了。大規模多天線技術可以在沒有基站分裂的條件下實現空間資源的深度挖掘。

（2）波束賦形技術能夠讓能量極小的波束集中在一塊小型區域，因此干擾能夠被極大地減少。

（3）相比于單一天線系統，大規模多天線技術能夠通過不同的維度（空域、時域、頻域、極化域）提升頻譜利用效率和能量利用效率。

有此諸多可實現的優點，大規模多天線技術被認為是5G中的一項關鍵可行技術。

大規模多天線技術是一種結合了通信理論、電磁傳播理論等領域的全新研究領域。為實現此項技術仍有一系列問題需要克服。例如當小區內采用正交的導頻序列、小區間采用相同的導頻序列組時，存在導頻污染問題。由于導頻污染的存在，使上、下行數據傳輸的信干比（SIR，signal to interference ratio）不能隨著基站天線數增加而增加。同時，需要對特殊的實際場景下大規模多天線和測試模型進行信道測量工作，以充分利用潛在的技術優勢。另一方面，在基站側部署大規模多天線技術會帶來大量成本開銷。在實際場景中，由于設計和完成大規模多天線需要靈活地適應復雜的天線電環境。

大規模多天線技術是一種同時提升系統容量和峰值速率、減少能量消耗和傳輸時延的潛在可行關鍵技術。但是直到現在，大規模多天線系統的設計和工程也面臨著上述一系列關鍵技術問題帶來的挑戰。

2.2 信道建模

信道建模通過對無線環境的抽象性描述，可用一系列的參數來表征無線環境的物理特征，進而準確刻畫出無線信號的傳播機制，是評估無線技術性能的最有效手段之一。由于MIMO技術的應用，信道模型由時——頻倆個維度擴展成空——時——頻這三個維度。

隨著5G技術的發展，信道建模也表現出了一些新特征。

空間連續性與移動性。由于D2D技術發送端和接收端的雙移動性，而傳統的信道模型中發送端位置固定，接收端移動的模型不再適用。另外，目前的信道模型對每條鏈路而言，散射環境是隨機產生的，使得即使距離很近的移動臺所處的散射環境也是獨立的，這與實際情況不符。許多研究機構針對上述信道特性又提出了新的模型，描述D2D信道的雙移動性和空間連續性。

大規模多天線陣列的信道特性。為了提高信道容量和頻率利用率，大規模多天線技術勢必將成為5G的關鍵技術之一，相應信道模型也呈現新的特性。例如考慮用球面波取代平面波進行建模；以及隨著天線陣列的增大，不同的散射體只對不同的天線單元可見，衰落表現出非靜態特性。

高頻段的信道特性、未來短距離的無線通信系統需要支持超大數據率，發展毫米波段中大量未使用的頻譜資源具有很好的應用前景。毫米波信道建模具有很多新的特征，比如高路損、高散射和對動態環境敏感等。許多機構學者對此進行了建模研究。

隨著研究深入，相應的信道模型也表現出不同特征，相應新技術的測量和建模工作亟需深入開展。

2.3 信道編碼

低密度奇偶校驗（LDPC，low density parity check）碼和極化（polar）碼是5G信道編碼的關鍵候選碼。在2016年11月17日結束的3GPP RAN1會議的5G短嗎方案討論中，中國主推的極化（polar）碼方案，從美國主推LDPC和法國主推的Turbo2.0兩大競爭對手中脫穎而出，成為5G控制信道eMBB場景編碼方案，而LDPC碼成為數據信道的上行和下行短碼方案。此前，5G中長碼編碼確認方案為LDPC。

LDPC碼是由Robert G.Gallager博士于1963年提出的一類具有稀疏校驗矩陣的線性分組碼，有逼近香農極限的良好性能，是近年來信道編碼領域的研究熱點，目前已經廣泛應用于深空通信、光纖通信、衛星數字視頻和音頻廣播等領域。

極化碼是由土耳其畢爾肯大學（bilkent）Erdal Arikan教授于2008年首次提出，其論文從理論上第一次嚴格證明了在二進制輸入對稱離散無記憶信道下，極化碼可以“達到”香農容量，并且有著低的編碼譯碼復雜度。

早在3GPP討論前，Polar Code（極化碼）便在中國IMT-2020（5G）推進組5G第一階段外場測試，包括靜止和移動場景的性能。

測試結果顯示，通過極化編碼的使用和譯碼算法的動態選擇，同時實現了短包（大連接物聯網場景）和長包（高速移動場景，如自動駕駛等低時延要求）場景中穩定的性能增益，使現有的蜂窩網絡的頻譜效率提升10%，還與毫米波結合達到27Gbps的速率，實測結果證明極化碼可以同時滿足ITU的超高速率、低時延、大連接的移動互聯網和物聯網三大類應用場景需求。

2.4 全雙工技術

全雙工技術是指在相同的頻譜上，通信的收發雙工同時發射和接收信號。相對與傳統的FDD，TDD半雙工模式，全雙工技術突破了頻譜資源使用限制，使系統可用頻譜資源提升1倍，是未來有可能改變移動通信傳統工作模式的革命性技術方向。全雙工技術需要具備極高的干擾消除能力以消除來自發送天線的自干擾信號。從目前自干擾消除的研究成果來看，全雙工系統主要采用物理層干擾消除的方法。全雙工系統的自干擾消除技術主要包括天線自干擾消除、模擬電路域自干擾消除以及數字域自干擾消除方法。

除了自干擾消除技術外，還包括很多其他方面內容：設計低復雜度的物理層干擾消除的算法，研究全雙工系統功率控制與能耗控制問題；將全雙工技術應用于認知無線網中，使次要節點能夠同時感知與使用空閑頻譜，減少次要節點之間的碰撞，提高認知無線網的性能；將全雙工技術應用于異構網絡中，解決無線回傳問題；將全雙工技術同中繼技術相結合，能夠解決當前網絡中隱藏終端問題、擁塞導致吞吐量損失問題以及端到端延時問題等；將全雙工中繼與MIMO技術結合，聯合波束賦形的最優化技術，提高系統端到端的性能和抗干擾能力。

目前，將全雙工技術應用于多天線系統以及全雙工組網是全雙工技術在實際系統中應用需要重要研究的問題。隨著無線多媒體業務不斷增多，傳統的以基站為中心的業務提供方式已無法滿足海量用戶在不同環境下的業務需求。

3 展望

世界各國針對未來5G移動通信網絡在技術的可行性研究、標準化以及產品發展方面進行了大量投入，5G的發展需要在統一的框架下進行全球范圍內的協調。同時，綠色節能也將成為5G發展的重要方向，網絡功能不能再以能源的大量消耗為代價，實現無線移動通信的可持續發展。

5G是一個融合的網絡，也是更加復雜的密集網絡。5G的支持遠超3G、4G網絡所滿足的場景、數據量及設備接入量，實現這一網絡需要技術的不斷發展和創新。5G技術的未來與重點并不僅僅在于大幅度提升數據的傳輸速度，更是人類認知能力的延伸。后續5G技術方案征集、標準化工作也在緊鑼密鼓的開展。

4 結語

本文從無線傳輸方面介紹了5G潛在的關鍵技術及最新進展，分析了一些關鍵技術的優缺點及未來研究方向。5G將滲透到未來社會的各個領域，以用戶為中心構建全方位的信息生態領域。5G將使信息突破時空限制，提供極佳的交互體驗，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴。目前，5G的研究處于關鍵發展階段，各技術研究進展迅速，未來圍繞用戶需求、規模、成本能耗等問題進行的標準化和技術評估還有大量工作需要完成。

參考文獻

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