面向5G无线通信系统的关键技术综述

张粤修



面向5G无线通信系统的关键技术综述

张粤修

中移铁通有限公司甘肃分公司，甘肃 兰州 730000

随着我国社会市场主义经济的高速发展，移动互联网技术也在不断向前发展。随着人民群众对生活水平的质量要求不断提高，人民群众对通信技术的使用要求也在不断提高。显而易见，经济技术的发展和人民需求的急剧增加是刺激无线通信系统技术改善和发展的最主要因素。目前，无线网络已遍布人们生活的每个角落，这也就增多了移动端的业务需求。为了满足这种巨大的需求量和人们日新月异的生活状态，就需要研究人员对无线网络技术和传输技术进行更深入的研究和发展。

无线通信系统；关键技术；研究综述

引言

众所周知，世界各个国家的技术研究者之间也在不断交流经验，为促进世界无线通信技术的发展积极探讨实验。本文以“面向5G无线通信系统的关键技术”为主题进行了探析。首先，对我国无线通信技术进行了简单的分析，并且简要概述了无线通信技术在现实社会中的实际应用。其次，简单分析了我国无线通信技术中全频谱的具体应用。最后，介绍了面向5G无线通信系统的一些关键技术，主要包括无线通信网络的异构化演化以及大规模MIMO通信技术。

1 无线通信技术的简单概述

世界经济和科技的高速发展使得当今世界绝大部分地区都已进入互联网时代。由于科技的发展和人们日新月异的需求，网络技术和智能产品更新的速度越来越快。就无线通信技术而言，在互联网领域，研究者们一直都在深入研讨无线通信技术，并针对无线网络的频段、关键性技术的标准、人们对无线通信技术的要求以及未来无线网络通信技术的发展前景制定了标准化发展战略。由此可见，无线通信技术具备不可磨灭的重要作用。众所周知，无线通信系统主要由4个部分构成，主要包括蜂窝系统、无线本地局域网、寻呼系统以及卫星通信系统。除此之外，还有一些小规模的通信技术。随着我国社会市场主义经济的快速发展，互联网技术也在不断向前发展。互联网技术正广泛应用于人们生活的各个方面，如传感技术、定位系统、快递行业、网上的使用软件、通信技术、卫星导航、军事电子对抗等等。其中与我们生活最贴近的就是无线通信技术。近年来，随着通信技术和通信相关产业的高速发展，人们对移动端的需求也在急剧增加。人们的需求与产业的发展往往是相互作用的。无线通信技术的使用不断促进我国各个行业的经济发展，在满足人们生活需求的同时也对人们工作上的要求起到很大的辅助作用。无线通信技术的优势也体现在很多方面，如移动通信、卫星导航、航空导航、视频通话、应急通信系统、军事科技、卫星定位等等。不仅在民用方面有较强的实用性，而且在军事领域也有着极强的辅助作用。随着人们日新月异的需求变化，人们对无线通信技术的功能和效率方面的要求也在不断增强。科技专家们也在不断改善无线通信技术的通信转向性，努力实现通信的稳定性和信号发射的穿透性。目前，在研究者们的努力下，无线通信系统已经从单一转变为多层次状态，功能也从单一的语音通话向多方面的图片传送、视频通话等复杂化传输技术转变。研究者们就无线通信技术的未来发展前景提出了一些关键性技术研究，如无线通信技术的自适应调制功能、多天线通信系统、信道技术、通信合作技术、蜂窝移动的数据调试、全频谱的应用、异构网络等[1]。

在无线通信系统的发展史上，也有几次革命性的变化：

第一代移动通信（1G）主要是语音通信，但由于受到传出带宽的限制，只能进行区域通信；

第二代移动通信（2G）主要是数字语音传输技术，可以降低噪音，提高通话音质；

第三代移动通信（3G）主要是声音和数据信息，可以用于高速传输的蜂窝数据；

第四代移动通信（4G）集3G与无线于一体，可用于高清图片的传送。

在数字信息全球化的今天，多元网络的质量需求也在逐步提高。在无线通信领域，研究者也会进一步深入研发探讨。综合以上探讨的无线通信系统的发展历程可知，我国的移动通信经过二十多年的不断发展，移动通信紧跟时代的潮流，紧扣人民群众的生活需求，做到与时俱进，与人民群众的日常生活、工作紧密联系、息息相关。移动通信的重要程度不言而喻。

2 无线通信技术在现实社会中的实际应用

随着社会经济的发展和科技水平的进步，无线通信技术的发展水平也在不断提高。为了满足人们的生活需求，开发公司将频段和一些新的科技运用于无线通信技术中，如频段、节点、波束技术等等，以提供更为广泛的业务服务，并满足客户更高的质量追求。世界各国研发者也都在致力于实现真正意义上的全球漫游。在全球统一的框架下，实现任何人、任意时间、任意地点、任意方式无条件地快速、无缝、高效的在无线网络中享受通信。但是就目前的发展现状而言，无线通信技术也存在一定的问题，如受距离限制、受频段信号限制、对同一发射信号的反应强弱不一、易受外界信号的干扰、密集地方传输信号差、易受物理阻挡、易受空气影响、传输损耗大等等日常可见的小问题。这些常见问题也需要研发者、设计者在细微处对无线通信技术的传输性加以改善，降低通信过程中的传输损耗，增强通信过程中的传输信号。

3 无线通信技术中全频谱的应用

全频谱包括高频谱和低频谱，其中以低频谱为重要组成部分。在无线通信技术中可以帮助实现无缝覆盖的状况下，在保障信号全覆盖的情况下，用高频段辅助，主要是为了改善目前信号集中区域的信号性差的状况，提升密集区域的传输质量和效率。充分利用高低频段各自的优点满足人民生活中对于无缝覆盖、容量性大、传输效率高的需求。全频谱具有丰富的空闲频率资源、设备小型化的特点。在当前快节奏的社会中，可以改善一些因受到物理阻碍而降低传送效率，因外界条件而导致的反射、散射信号降低传输效率，又或者是因外界环境质量而降低传输效率等问题。另外，高频信道不同于传统性蜂窝网络信道，在传输过程中容易出现信道变化快、资源损耗大、降低阻碍能力弱等劣势。为了提高高频信道的优势，科技研究者应在此方面深入探讨，就高频信道的衔接能力、绕射能力、组接技术提出解决措施[2]。

4 无线通信网络的异构化演化

4.1 异构无线通信网络

近些年来，我国社会经济在高速发展，我国集成电路技术也在不断发展，无线通信系统以及终端能力随之得到质的飞跃。我国的计算机技术与通信技术能够完美结合，从而促使我国的无线接入技术呈现多元化趋势，并且被社会各界人士高度重视以及广泛关注，多种多样的无线接入技术的应用频率也非常高。由此可见，随着我国信息技术的不断发展，5G无线通信系统将会完成量变到质变的转化。5G无线通信系统将突破传统模式下的简单功能（简单的数据语音功能以及短信功能），逐渐演变为异构无线通信网络，能够构成一种多业务以及多技术完美融合的网络系统，形成一种“百家争鸣、百花齐放”的局面。异构网络与传统网络相比，会呈现多元化趋势，并且异构网络的有用信号以及干扰信号都有所增加，如图1所示。

4.2 异构无线通信网络中的分布式资源分配

笔者通过调查相关资料发现，我国异构无线通信网络中的资源分布方案呈现多元化趋势。我们从广义上进行划分，可以将其分为两个主要的资源分配方案，包括局部资源分配方案和全局资源分配方案。第一，局部资源分配方案。其实就是指D2D的用户一直选择并使用宏基站中的资源，整个过程不会采取其他资源，仅仅局限选择宏基站。第二，全局资源分配方案。其实就是指D2D的用户除了可以选取并且使用宏基站的资源外，还能够选择其他资源。随着我国逐渐步入信息化时代，如何有效地进行异构无线通信网络中的分布式资源分配是我国社会各界人士关注的一个重要问题。基于此，我国众多D2D用户结合博弈论建立了有关模型并且进行分析，从而确定异构无线通信网络的分布式资源分配方案，并且加以落实。D2D用户有效结合博弈论建立模型从而进行分析的示意图如图2所示：

图1 传统网络与异构网络示意图

图2 D2D用户结合博弈论建立模型并进行分析的示意图

结合图2可知，博弈理论的本质其实是一个数学工具。我国诸多D2D客户在选择异构无线通信网络资源分配方案的时候可以结合博弈理论展开分析。首先，我们应融合异构无线通信网络资源分配问题与博弈理论，建立一个合适的模型，保障此模型至少存在一个均衡点。其次，结合学习算法以及另外一些优化方法来寻找目标均衡点，从而解决异构无线通信网络资源分配的问题，并且在一定程度上减轻宏基站的计算负担。

4.3 异构网络，提高数据流量

随着数据信息化社会的不断发展，网络技术也越来越注重多元化、综合智能化。当今社会，各个领域都充斥着智能网络技术的应用，不管是何种产业都有其配套的智能终端。这也就标志着未来社会网络发展中的数据流量的功率将会出现不可估计的提高，而这种超密集的网络节点也会出现一种爆炸式增长，在应用过程中也会出现咔嘣、断代的现象。为了改善这种情况，就需要解决干扰，拉近节点和终端的距离。目前，研究者也在努力提高网络的效率，扩大覆盖范围，改善密集区域的不兼容问题。

5 大规模MIMO通信技术

5.1 大规模MIMO 通信技术的特征

随着我国社会经济的快速发展，我国的信息技术得到高速发展。多输入多输出通信技术的出现，促使我国无线蜂窝通信得到质的飞跃，逐渐完善无线蜂窝通信系统，提高无线蜂窝通信系统的各个功能。在这样的社会背景下，为了提高频谱的利用率，加强无线蜂窝通信系统的覆盖性能，并大幅降低单位比特能耗，一种名为大规模MIMO的新型通信技术应运而生。大规模MIMO通信技术的特征独树一帜，其能够促使频谱利用率不断提高。与此同时，大规模MIMO通信技术还能够促使硬件由烦琐转变为简易。然而，随着时代的发展，对大规模MIMO通信技术的要求越来越高，促使大规模MIMO通信技术能够不断提高自身的频谱效率以及逐渐优化其他性能[3]。

笔者通过查询相关资料可知，大规模MIMO通信技术的内涵是指在基站端配置的时候，需要配置一定数量的天线，确保配置的天线数量规模大于现有系统中的天线数量规模，如图3所示：

图3 大规模MIMO通信网络示意图

5.2 大规模MIMO 通信技术面临的挑战

大规模MIMO通信技术凭借自身独特的优势，受到社会各界人士的高度重视。大规模MIMO通信技术在运行过程中也面临着挑战，存在一定的问题，主要表现为由基站侧天线的个数而起的无线传输问题、相关的资源调配技术问题、能够用于大规模协作通信场景的无线传输方法以及空中接口方法。由此可见，当前阶段，我国大规模MIMO通信技术仍然存在一定的关键技术问题。面临种种挑战，需要有关部门及个人高度重视，具体问题具体分析，寻找有效措施进行改善，推动大规模MIMO通信技术的进一步发展[4]。

6 结束语

随着我国通信技术的不断发展，人们之间的联系也在不断加强，不管距离远近都可以实现联系。这种业务需求的增加也在反作用于通信技术的发展。世界各国都对通信技术的相关机构进行了大量的资金、技术、人才的投入，并依据无线通信技术的特点探讨了可行性研究目标、标准化战略、产品更新发展方向以及系统的自适应协作。在满足人们需求的情况下，挖掘无线通信技术的发展潜力，在全球范围内实现通信统一发展协调的目标。

[1]余焯伟.面向5G无线通信系统的关键技术综述[C]//旭日华夏（北京）国际科学技术研究院.首届国际信息化建设学术研讨会论文集（二），2016：1.

[2]杨绿溪，何世文，王毅，等.面向5G无线通信系统的关键技术综述[J].数据采集与处理，2015，30（3）：469-485.

[3]陈磊.无线通信系统中的自适应与协作波束形成技术研究[D].济南：山东大学，2011.

[4]刘慎发.分布式天线通信系统中的关键技术研究[D].北京：北京邮电大学，2007.

Summary of Key Technologies of 5G Oriented Wireless Communication System

Zhang Yuexiu

China Mobile Tietong Co., Ltd., Gansu Branch, Gansu Lanzhou 730000

With the rapid development of China’s social market economy, mobile Internet technology is also developing. With the improvement of the people’s quality of living standards, the people’s demands for the use of communication technology are also increasing. It is obvious that the development of economic technology and the rapid increase of people’s demand are the most important factors to stimulate the technology improvement and development of the wireless communication system. At present, the wireless network has spread everywhere in people’s lives, which also increases the demand of the mobile terminal. In order to meet this huge demand and people’s changing life condition, researchers need to further research and develop wireless network technology and transmission technology.

wireless communication system; key technology; research review

TN929.5

A

1009-6434（2017）9-0001-04