5G無線通信網絡物理層關鍵技術初探

蘇欣+陳嘉琪

摘要：5G無線通信網絡作為下一代的移動通信系統，必須滿足用戶不斷增長的移動通信需求，給用戶營造更好的移動通信體驗。而為了實現這一點，就必須對5G無線通信網絡的關鍵技術加強研究。本文正是基于這一出發點，對5G無線通信網絡物理層關鍵技術進行了一些有意義的探討，希望對相關工作能夠有所借鑒。

關鍵詞：5G無線通信網絡，大規模MIMO技術，毫米波通信

1 5G無線通信網絡的蜂窩結構

蜂窩結構是提升移動通信服務水平的一個關鍵。眾所周知，移動通信用戶多數時間是在室內使用智能移動終端來上網，戶外利用時間據統計約為室內利用時間的1/4。因此，小區結構對室外基站在小區中的通信影響是不小的。現實中，考慮到建筑物的墻體結構會使得網絡的穿透能力受到影響，同時數據在穿透建筑時也會降低其速率和頻譜效率，所以最終就會使無線傳輸的能量遭到嚴重損耗。在這種情況下，采用5G蜂窩結構就不失為一個好的解決對策，5G蜂窩結構可以提高網絡傳輸能量的利用率。基站上的天線陣列需要DAS系統和MIMO技術來共同輔助，而當前的MIMO系統通常只利用到了2～4根天線，只有大規模的MIMO系統才會運用大量的天線陣列來增加潛在容量。室外基站依靠大規模MIMO系統鏈接到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，因為這些陣列是連接室外基站與移動用戶終端的關鍵所在。誠然，采用蜂窩結構的5G通信網絡的建設成本必然會增加，但從長遠來看，小區的吞吐量、頻譜效率以及小區系統的數據傳輸速率都會獲得顯著提高，所以5G無線通信網絡采用蜂窩結構是十分有必要的。

2 5G無線通信網絡物理層關鍵技術

1.毫米波通信

無論對第幾代移動通信系統，頻譜資源都是實現無線通信的基礎。就目前來說，無線頻譜主要集中在300 MHz～3 GHz 頻段，而5G無線通信網絡對3～300GHz的頻段都能進行有效利用，這就解決了當前無線通信領域的頻譜短缺問題，而且為以后的大數據傳輸奠定了基礎。

現實中，通過對相關實驗的研究，到達角、均方根、時延拓展、路徑消耗等數據都已被測量得到，這對實現5G毫米波移動通信有著非常重要的參考價值。但毫米波通信的發展也存在著相應的制約因素，這些因素主要體現為以下幾點：第一，因為移動通信信號在傳輸過程中不可避免地會遇到路徑消耗問題，同時信號在無線信道中傳輸時也會受到噪音以及其他信道的影響，這些都會導致信號被損耗。通過研究證明，頻率越高，移動通信信號的損耗就越大，而為了解決這一問題，可以將大規模發射天線在高頻段進行應用，通過形成波束來將能量集中到較小的區域內，從而實現增加效益和降低傳播損耗的目的。第二，移動通信信號在穿過建筑物時也會遭受損耗，而低頻段信號受到這種影響較小。所以為了降低毫米波在穿透建筑物時的損耗，如果傳輸距離近、頻段小，那么可以通過在室內安裝WiFi節點或者采用毫微蜂窩方式來保障室內的通信質量。第三，在采用毫米波通信技術時，需要對頻段信號的傳播特性進行充分的考慮，例如雨衰就是要重點考慮的要素。當雨量過大時，無線通信通信系統的傳播路徑長度和可靠性都會受到嚴重影響，同時考慮到雨點大小和發射波長相差無幾，也極易引發散射問題。

2.大規模MIMO技術

MIMO 技術在4G時代就已經體現出了巨大的應用優勢，但是這并不是說MIMO技術就不存在問題。事實上，隨著移動通信業務的不斷增長，傳統的MIMO技術已經逐漸無法滿足移動用戶對通信服務水平增長的需求。在這種情況下，可以考慮加強對大規模MIMO技術的研發和應用。大規模MIMO技術不需要對用戶的移動終端設備進行更新，只需要對基站進行相應的改造，就可以顯著增強系統的容量和頻道效率。大規模 MIMO技術的應用示意如圖1所示。

大規模 MIMO 系統可以通過增加基站中天線的數量來直接擴充系統容量，即直接通過對基站進行改造就可以實現。同時，還可以運用價格低廉、功率為毫瓦的放大元件對系統進行構建，這一方面可以降低發射功率的消耗，另一方面也顯著地提升了系統的經濟效益。此外，有相關理論已經正式，一旦天線的數量超過一定的界限值后，噪音和不相干信道干擾的影響就基本可以無視，而且當前的線性預編碼以及譯碼算法已經趨近于最優。

圖1 大規模 MIMO技術的應用示意圖

在大規模MIMO系統中，因為天線數量的增多，基站只有對信道狀態信息進行有效獲取，才可以為通信服務提供可靠保障。當前的研究都主要集中在時分雙工系統上，而基于信道互異的時分雙工系統可以大幅度減少信道開銷，同時還不用運行復雜的反饋機制，天線的數量也不會受到限制。但根據互易性原理的特點，快速移動條件下的通信比較難以實現。此外，因為受到導頻信號空間維數的限制，一旦用戶采用相同的導頻同時向基站發射，那么就可能導致基站不能進行有效識別，進而造成導頻被污染的情況，此問題不會隨著天線數量的增多而消失。為了解決這一問題，相關技術人員提出了很多方法，如干擾抵消法、盲估計法、預編碼法等。現實中，大規模MIMO系統中的通信傳輸會受到小區內干擾、非相關干擾以及因導頻污染造成的區間干擾的影響。

3 結束語

5G無線通信網絡作為下一代的移動通信系統，必須滿足用戶不斷增長的移動通信需求，給用戶營造更好的移動通信體驗。而為了實現這一點，就必須對5G無線通信網絡的關鍵技術加強研究。本文正是基于這一出發點，對5G無線通信網絡物理層關鍵技術進行了探討，希望對未來5G系統的建設能夠有所借鑒。

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