5G无线通信网络物理层关键技术研究

张家华



5G无线通信网络物理层关键技术研究

张家华

中国移动通信集团设计院有限公司四川分公司，四川 成都 610045

随着信息社会需求的不断增长，无线通信技术得到了快速发展。为了满足信息社会发展的要求，5G无线通信技术在不断探索研究过程中。基于此，对5G无线通信网络物理层关键技术，毫米波通信技术以及大规模MIMO技术进行了探讨，以满足未来无线通信的发展要求。

5G无线通信；网络；物理层；关键技术

无线通信是一个有着无限可能并充满生机的领域。随着信息社会的快速发展，人们对通信要求越来越高，使无线通信技术得到了迅速发展。虽然5G系统的技术标准还没有制定，但其已经成为世界通信领域的研究重点。而5G技术的主要目标就是实现无缝、可靠的全球互联互通，并对现在的网络状况进行改善，为信息社会的大数据需求提供服务，促进社会的良好发展。

1 5G无线通信技术的特点

5G无线通信技术的特点包括：（1）对更高的频谱资源进行利用。目前全世界所利用的频谱资源通常在300 MHz～3 GHz之间，由于严重缺乏频谱资源，所以研究人员对没有被利用的3～300 GHz进行研究利用，并用于5G移动通信中；（2）系统容量更大。随着移动互联网的迅速发展，信息社会进入大数据时代。所以就要求5G移动通信系统具备更大容量，从而满足未来社会的发展需求；（3）提升用户体验。当数据速率的增长可以对大部分用户提供良好服务，并满足其需求时，人们就会更加注重最佳的用户体验。高效、安全、稳定的网络环境，任意时间、地点的最佳体验，是无线网络未来的发展重点；（4）降低能量消耗。能量消耗是目前全世界重点解决的问题，所以5G无线通信必定会更加绿色、环保，在满足业务需求、提升服务质量、增强用户体验的前提下，尽可能降低能量消耗。

2 5G无线通信网络物理层关键技术

2.1 毫米波通信

频谱资源是通信技术发展的根本，目前大部分商业无线通信频谱都在300 MHz～3 GHz频段，而5G无线通信技术对3～300 GHz频段进行有效利用，不仅有利于解决频谱资源短缺问题，而且为大数据的传输奠定基础，提升网络的传送效率[1]。通过相关实验研究得到了到达角、均方根、时延拓展、路径消耗等测量数据，对5G毫米波移动通信有着十分重要的参考价值。但是毫米波通信的发展依然会受到相应因素的影响。其中（1）由于发射功率的辐射扩散和信道传播特性会造成路径消耗问题，这是无线通信中通常都存在的问题，信号在无线信道中进行传播时会受到噪音干扰以及其他信道的影响，并且信号自身也存有相应因素导致损耗。通过研究表明在相同传播距离中，频率越高造成的损耗就越大。可以将大规模发射天线在高频段进行应用，可以波束成形，然后将能量集中在较小的区域内，增加效益，降低自由空间的传播消耗；（2）在穿透建筑物的过程中信号会出现损耗，低频段信号受到的影响较小。所以毫米波穿透建筑物时消耗较大，并且传播的距离近、频段小。因此，可以在室内安装Wi-Fi节点或者是毫微蜂窝方式，从而确保室内的通信质量；（3）在毫米波通信过程中需要对该频段信号的传播特性进行充分考虑，而雨衰就是必须要考虑的因素。雨衰可以对无线系统传播路径的长度与可靠性造成严重影响[2]。当雨量过大时，会对毫米波通信系统造成强烈干扰。同时雨点大小和发射波长相差无几，十分容易造成散射。

2.2 大规模MIMO技术

（1）简介

MIMO技术具有其自身的明显优势，已经在各种移动通信系统中得到了广泛应用。但是传统的MIMO技术存在着较多问题，并且随着数据业务的不断增长，传统MIMO技术已经不能满足高数据物业的发展要求。而大规模MIMO技术不需要对用户终端设备进行更新，只需要对基站进行相应改造，就可以显著提升系统的容量与频道效率。大规模MIMO基本模型如图1所示。

图1 大规模MIMO基本模型

（2）优势

大规模MIMO系统可以通过增加基站中天线的数量直接扩充系统容量，并且有效降低实现的复杂度。同时可以运用价格低廉、功率为毫瓦的放大元件对系统进行构建，可以有效提升经济效益，降低发射功率的消耗。此外，有相应理论证实，当天线的数量达到一定量后，噪音与不相关的干扰可以忽略，而且最简单的线性预编码以及译码算法已经趋近于最优。

（3）获取信道状态信息

在大规模MIMO系统中由于天线数量的增加，基站只有对信道状态信息进行有效获取，才可以确保系统通信的可靠性。目前大部分研究都是在时分双工系统的基础上进行探究的。基于信道互异的时分双工系统可以显著降低信道开销，并且不用构建复杂的反馈机制，天线的数量也不会受到限制。但是根据互易性原理的特点，很难完成快速移动情况下的通信。同时由于导频信号的空间维数是十分有限的，如果用户运用相同导频同时向基站发射，可能会让基站没有办法区分，从而导致导频污染状况的出现，并且此问题不会随着天线数量的增多而消失。而解决此问题的主要方法有干扰抵消法、盲估计法、预编码法等。大规模MIMO系统中的数据传输通常会受到小区内干扰、非相干干扰以及导频污染导致的区间干扰三种干扰因素的影响。

3 结束语

5G无线通信网络会更好地满足移动互联网业务的发展需求，并且可以对多技术多业务进行有效融合，从而使用户得到最佳体验。5G无线通信技术的应用可以对频谱效率、能耗效率问题进行有效解决，并对现在的网络按照统一标准进行相应整合，从而使网络变得更加灵活高效，以提供高水平的服务。同时设备终端会更加智能化，网络的配置、维护费用会越来越低，从而更好的促进信息社会的快速发展。

[1]赵国锋，陈婧，韩远兵，等.5G移动通信网络关键技术综述[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2015（4）：63-64.

[2]王东明，尤肖虎，高西奇，等.面向5G的大规模天线无线传输理论与技术[J].中国科学：信息科学，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