5G無線通信網絡物理層關鍵技術研究

張家華

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5G無線通信網絡物理層關鍵技術研究

張家華

中國移動通信集團設計院有限公司四川分公司，四川 成都 610045

隨著信息社會需求的不斷增長，無線通信技術得到了快速發展。為了滿足信息社會發展的要求，5G無線通信技術在不斷探索研究過程中。基于此，對5G無線通信網絡物理層關鍵技術，毫米波通信技術以及大規模MIMO技術進行了探討，以滿足未來無線通信的發展要求。

5G無線通信；網絡；物理層；關鍵技術

無線通信是一個有著無限可能并充滿生機的領域。隨著信息社會的快速發展，人們對通信要求越來越高，使無線通信技術得到了迅速發展。雖然5G系統的技術標準還沒有制定，但其已經成為世界通信領域的研究重點。而5G技術的主要目標就是實現無縫、可靠的全球互聯互通，并對現在的網絡狀況進行改善，為信息社會的大數據需求提供服務，促進社會的良好發展。

1 5G無線通信技術的特點

5G無線通信技術的特點包括：（1）對更高的頻譜資源進行利用。目前全世界所利用的頻譜資源通常在300?MHz～3?GHz之間，由于嚴重缺乏頻譜資源，所以研究人員對沒有被利用的3～300?GHz進行研究利用，并用于5G移動通信中；（2）系統容量更大。隨著移動互聯網的迅速發展，信息社會進入大數據時代。所以就要求5G移動通信系統具備更大容量，從而滿足未來社會的發展需求；（3）提升用戶體驗。當數據速率的增長可以對大部分用戶提供良好服務，并滿足其需求時，人們就會更加注重最佳的用戶體驗。高效、安全、穩定的網絡環境，任意時間、地點的最佳體驗，是無線網絡未來的發展重點；（4）降低能量消耗。能量消耗是目前全世界重點解決的問題，所以5G無線通信必定會更加綠色、環保，在滿足業務需求、提升服務質量、增強用戶體驗的前提下，盡可能降低能量消耗。

2 5G無線通信網絡物理層關鍵技術

2.1 毫米波通信

頻譜資源是通信技術發展的根本，目前大部分商業無線通信頻譜都在300?MHz～3?GHz頻段，而5G無線通信技術對3～300?GHz頻段進行有效利用，不僅有利于解決頻譜資源短缺問題，而且為大數據的傳輸奠定基礎，提升網絡的傳送效率[1]。通過相關實驗研究得到了到達角、均方根、時延拓展、路徑消耗等測量數據，對5G毫米波移動通信有著十分重要的參考價值。但是毫米波通信的發展依然會受到相應因素的影響。其中（1）由于發射功率的輻射擴散和信道傳播特性會造成路徑消耗問題，這是無線通信中通常都存在的問題，信號在無線信道中進行傳播時會受到噪音干擾以及其他信道的影響，并且信號自身也存有相應因素導致損耗。通過研究表明在相同傳播距離中，頻率越高造成的損耗就越大。可以將大規模發射天線在高頻段進行應用，可以波束成形，然后將能量集中在較小的區域內，增加效益，降低自由空間的傳播消耗；（2）在穿透建筑物的過程中信號會出現損耗，低頻段信號受到的影響較小。所以毫米波穿透建筑物時消耗較大，并且傳播的距離近、頻段小。因此，可以在室內安裝Wi-Fi節點或者是毫微蜂窩方式，從而確保室內的通信質量；（3）在毫米波通信過程中需要對該頻段信號的傳播特性進行充分考慮，而雨衰就是必須要考慮的因素。雨衰可以對無線系統傳播路徑的長度與可靠性造成嚴重影響[2]。當雨量過大時，會對毫米波通信系統造成強烈干擾。同時雨點大小和發射波長相差無幾，十分容易造成散射。

2.2 大規模MIMO技術

（1）簡介

MIMO技術具有其自身的明顯優勢，已經在各種移動通信系統中得到了廣泛應用。但是傳統的MIMO技術存在著較多問題，并且隨著數據業務的不斷增長，傳統MIMO技術已經不能滿足高數據物業的發展要求。而大規模MIMO技術不需要對用戶終端設備進行更新，只需要對基站進行相應改造，就可以顯著提升系統的容量與頻道效率。大規模MIMO基本模型如圖1所示。

圖1 大規模MIMO基本模型

（2）優勢

大規模MIMO系統可以通過增加基站中天線的數量直接擴充系統容量，并且有效降低實現的復雜度。同時可以運用價格低廉、功率為毫瓦的放大元件對系統進行構建，可以有效提升經濟效益，降低發射功率的消耗。此外，有相應理論證實，當天線的數量達到一定量后，噪音與不相關的干擾可以忽略，而且最簡單的線性預編碼以及譯碼算法已經趨近于最優。

（3）獲取信道狀態信息

在大規模MIMO系統中由于天線數量的增加，基站只有對信道狀態信息進行有效獲取，才可以確保系統通信的可靠性。目前大部分研究都是在時分雙工系統的基礎上進行探究的。基于信道互異的時分雙工系統可以顯著降低信道開銷，并且不用構建復雜的反饋機制，天線的數量也不會受到限制。但是根據互易性原理的特點，很難完成快速移動情況下的通信。同時由于導頻信號的空間維數是十分有限的，如果用戶運用相同導頻同時向基站發射，可能會讓基站沒有辦法區分，從而導致導頻污染狀況的出現，并且此問題不會隨著天線數量的增多而消失。而解決此問題的主要方法有干擾抵消法、盲估計法、預編碼法等。大規模MIMO系統中的數據傳輸通常會受到小區內干擾、非相干干擾以及導頻污染導致的區間干擾三種干擾因素的影響。

3 結束語

5G無線通信網絡會更好地滿足移動互聯網業務的發展需求，并且可以對多技術多業務進行有效融合，從而使用戶得到最佳體驗。5G無線通信技術的應用可以對頻譜效率、能耗效率問題進行有效解決，并對現在的網絡按照統一標準進行相應整合，從而使網絡變得更加靈活高效，以提供高水平的服務。同時設備終端會更加智能化，網絡的配置、維護費用會越來越低，從而更好的促進信息社會的快速發展。

[1]趙國鋒，陳婧，韓遠兵，等.5G移動通信網絡關鍵技術綜述[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2015（4）：63-64.

[2]王東明，尤肖虎，高西奇，等.面向5G的大規模天線無線傳輸理論與技術[J].中國科學：信息科學，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