5G无线通信网络物理层关键技术初探

苏欣+陈嘉琪

摘要：5G无线通信网络作为下一代的移动通信系统，必须满足用户不断增长的移动通信需求，给用户营造更好的移动通信体验。而为了实现这一点，就必须对5G无线通信网络的关键技术加强研究。本文正是基于这一出发点，对5G无线通信网络物理层关键技术进行了一些有意义的探讨，希望对相关工作能够有所借鉴。

关键词：5G无线通信网络，大规模MIMO技术，毫米波通信

1 5G无线通信网络的蜂窝结构

蜂窝结构是提升移动通信服务水平的一个关键。众所周知，移动通信用户多数时间是在室内使用智能移动终端来上网，户外利用时间据统计约为室内利用时间的1/4。因此，小区结构对室外基站在小区中的通信影响是不小的。现实中，考虑到建筑物的墙体结构会使得网络的穿透能力受到影响，同时数据在穿透建筑时也会降低其速率和频谱效率，所以最终就会使无线传输的能量遭到严重损耗。在这种情况下，采用5G蜂窝结构就不失为一个好的解决对策，5G蜂窝结构可以提高网络传输能量的利用率。基站上的天线阵列需要DAS系统和MIMO技术来共同辅助，而当前的MIMO系统通常只利用到了2～4根天线，只有大规模的MIMO系统才会运用大量的天线阵列来增加潜在容量。室外基站依靠大规模MIMO系统链接到BS，然后相互合作形成的虚拟大型阵列天线和BS天线阵列构建成了最终的MIMO链路。因此，在建筑物外部安装室外基站或者分布式的天线阵列是不能省略的，因为这些阵列是连接室外基站与移动用户终端的关键所在。诚然，采用蜂窝结构的5G通信网络的建设成本必然会增加，但从长远来看，小区的吞吐量、频谱效率以及小区系统的数据传输速率都会获得显著提高，所以5G无线通信网络采用蜂窝结构是十分有必要的。

2 5G无线通信网络物理层关键技术

1.毫米波通信

无论对第几代移动通信系统，频谱资源都是实现无线通信的基础。就目前来说，无线频谱主要集中在300 MHz～3 GHz 频段，而5G无线通信网络对3～300GHz的频段都能进行有效利用，这就解决了当前无线通信领域的频谱短缺问题，而且为以后的大数据传输奠定了基础。

现实中，通过对相关实验的研究，到达角、均方根、时延拓展、路径消耗等数据都已被测量得到，这对实现5G毫米波移动通信有着非常重要的参考价值。但毫米波通信的发展也存在着相应的制约因素，这些因素主要体现为以下几点：第一，因为移动通信信号在传输过程中不可避免地会遇到路径消耗问题，同时信号在无线信道中传输时也会受到噪音以及其他信道的影响，这些都会导致信号被损耗。通过研究证明，频率越高，移动通信信号的损耗就越大，而为了解决这一问题，可以将大规模发射天线在高频段进行应用，通过形成波束来将能量集中到较小的区域内，从而实现增加效益和降低传播损耗的目的。第二，移动通信信号在穿过建筑物时也会遭受损耗，而低频段信号受到这种影响较小。所以为了降低毫米波在穿透建筑物时的损耗，如果传输距离近、频段小，那么可以通过在室内安装WiFi节点或者采用毫微蜂窝方式来保障室内的通信质量。第三，在采用毫米波通信技术时，需要对频段信号的传播特性进行充分的考虑，例如雨衰就是要重点考虑的要素。当雨量过大时，无线通信通信系统的传播路径长度和可靠性都会受到严重影响，同时考虑到雨点大小和发射波长相差无几，也极易引发散射问题。

2.大规模MIMO技术

MIMO 技术在4G时代就已经体现出了巨大的应用优势，但是这并不是说MIMO技术就不存在问题。事实上，随着移动通信业务的不断增长，传统的MIMO技术已经逐渐无法满足移动用户对通信服务水平增长的需求。在这种情况下，可以考虑加强对大规模MIMO技术的研发和应用。大规模MIMO技术不需要对用户的移动终端设备进行更新，只需要对基站进行相应的改造，就可以显著增强系统的容量和频道效率。大规模 MIMO技术的应用示意如图1所示。

大规模 MIMO 系统可以通过增加基站中天线的数量来直接扩充系统容量，即直接通过对基站进行改造就可以实现。同时，还可以运用价格低廉、功率为毫瓦的放大元件对系统进行构建，这一方面可以降低发射功率的消耗，另一方面也显著地提升了系统的经济效益。此外，有相关理论已经正式，一旦天线的数量超过一定的界限值后，噪音和不相干信道干扰的影响就基本可以无视，而且当前的线性预编码以及译码算法已经趋近于最优。

图1 大规模 MIMO技术的应用示意图

在大规模MIMO系统中，因为天线数量的增多，基站只有对信道状态信息进行有效获取，才可以为通信服务提供可靠保障。当前的研究都主要集中在时分双工系统上，而基于信道互异的时分双工系统可以大幅度减少信道开销，同时还不用运行复杂的反馈机制，天线的数量也不会受到限制。但根据互易性原理的特点，快速移动条件下的通信比较难以实现。此外，因为受到导频信号空间维数的限制，一旦用户采用相同的导频同时向基站发射，那么就可能导致基站不能进行有效识别，进而造成导频被污染的情况，此问题不会随着天线数量的增多而消失。为了解决这一问题，相关技术人员提出了很多方法，如干扰抵消法、盲估计法、预编码法等。现实中，大规模MIMO系统中的通信传输会受到小区内干扰、非相关干扰以及因导频污染造成的区间干扰的影响。

3 结束语

5G无线通信网络作为下一代的移动通信系统，必须满足用户不断增長的移动通信需求，给用户营造更好的移动通信体验。而为了实现这一点，就必须对5G无线通信网络的关键技术加强研究。本文正是基于这一出发点，对5G无线通信网络物理层关键技术进行了探讨，希望对未来5G系统的建设能够有所借鉴。

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