面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)綜述

張粵修

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面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)綜述

張粵修

中移鐵通有限公司甘肅分公司，甘肅 蘭州 730000

隨著我國社會(huì)市場主義經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在不斷向前發(fā)展。隨著人民群眾對(duì)生活水平的質(zhì)量要求不斷提高，人民群眾對(duì)通信技術(shù)的使用要求也在不斷提高。顯而易見，經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和人民需求的急劇增加是刺激無線通信系統(tǒng)技術(shù)改善和發(fā)展的最主要因素。目前，無線網(wǎng)絡(luò)已遍布人們生活的每個(gè)角落，這也就增多了移動(dòng)端的業(yè)務(wù)需求。為了滿足這種巨大的需求量和人們?nèi)招略庐惖纳顮顟B(tài)，就需要研究人員對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳輸技術(shù)進(jìn)行更深入的研究和發(fā)展。

無線通信系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)；研究綜述

引言

眾所周知，世界各個(gè)國家的技術(shù)研究者之間也在不斷交流經(jīng)驗(yàn)，為促進(jìn)世界無線通信技術(shù)的發(fā)展積極探討實(shí)驗(yàn)。本文以“面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)”為主題進(jìn)行了探析。首先，對(duì)我國無線通信技術(shù)進(jìn)行了簡單的分析，并且簡要概述了無線通信技術(shù)在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的實(shí)際應(yīng)用。其次，簡單分析了我國無線通信技術(shù)中全頻譜的具體應(yīng)用。最后，介紹了面向5G無線通信系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)，主要包括無線通信網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)化演化以及大規(guī)模MIMO通信技術(shù)。

1 無線通信技術(shù)的簡單概述

世界經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展使得當(dāng)今世界絕大部分地區(qū)都已進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。由于科技的發(fā)展和人們?nèi)招略庐惖男枨?，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能產(chǎn)品更新的速度越來越快。就無線通信技術(shù)而言，在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，研究者們一直都在深入研討無線通信技術(shù)，并針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的頻段、關(guān)鍵性技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)、人們對(duì)無線通信技術(shù)的要求以及未來無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展前景制定了標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展戰(zhàn)略。由此可見，無線通信技術(shù)具備不可磨滅的重要作用。眾所周知，無線通信系統(tǒng)主要由4個(gè)部分構(gòu)成，主要包括蜂窩系統(tǒng)、無線本地局域網(wǎng)、尋呼系統(tǒng)以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)。除此之外，還有一些小規(guī)模的通信技術(shù)。隨著我國社會(huì)市場主義經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在不斷向前發(fā)展?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)正廣泛應(yīng)用于人們生活的各個(gè)方面，如傳感技術(shù)、定位系統(tǒng)、快遞行業(yè)、網(wǎng)上的使用軟件、通信技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航、軍事電子對(duì)抗等等。其中與我們生活最貼近的就是無線通信技術(shù)。近年來，隨著通信技術(shù)和通信相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)端的需求也在急劇增加。人們的需求與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展往往是相互作用的。無線通信技術(shù)的使用不斷促進(jìn)我國各個(gè)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在滿足人們生活需求的同時(shí)也對(duì)人們工作上的要求起到很大的輔助作用。無線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也體現(xiàn)在很多方面，如移動(dòng)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、航空導(dǎo)航、視頻通話、應(yīng)急通信系統(tǒng)、軍事科技、衛(wèi)星定位等等。不僅在民用方面有較強(qiáng)的實(shí)用性，而且在軍事領(lǐng)域也有著極強(qiáng)的輔助作用。隨著人們?nèi)招略庐惖男枨笞兓?，人們?duì)無線通信技術(shù)的功能和效率方面的要求也在不斷增強(qiáng)?？萍紝＜覀円苍诓粩喔纳茻o線通信技術(shù)的通信轉(zhuǎn)向性，努力實(shí)現(xiàn)通信的穩(wěn)定性和信號(hào)發(fā)射的穿透性。目前，在研究者們的努力下，無線通信系統(tǒng)已經(jīng)從單一轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬哟螤顟B(tài)，功能也從單一的語音通話向多方面的圖片傳送、視頻通話等復(fù)雜化傳輸技術(shù)轉(zhuǎn)變。研究者們就無線通信技術(shù)的未來發(fā)展前景提出了一些關(guān)鍵性技術(shù)研究，如無線通信技術(shù)的自適應(yīng)調(diào)制功能、多天線通信系統(tǒng)、信道技術(shù)、通信合作技術(shù)、蜂窩移動(dòng)的數(shù)據(jù)調(diào)試、全頻譜的應(yīng)用、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等[1]。

在無線通信系統(tǒng)的發(fā)展史上，也有幾次革命性的變化：

第一代移動(dòng)通信（1G）主要是語音通信，但由于受到傳出帶寬的限制，只能進(jìn)行區(qū)域通信；

第二代移動(dòng)通信（2G）主要是數(shù)字語音傳輸技術(shù)，可以降低噪音，提高通話音質(zhì)；

第三代移動(dòng)通信（3G）主要是聲音和數(shù)據(jù)信息，可以用于高速傳輸?shù)姆涓C數(shù)據(jù)；

第四代移動(dòng)通信（4G）集3G與無線于一體，可用于高清圖片的傳送。

在數(shù)字信息全球化的今天，多元網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量需求也在逐步提高。在無線通信領(lǐng)域，研究者也會(huì)進(jìn)一步深入研發(fā)探討。綜合以上探討的無線通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程可知，我國的移動(dòng)通信經(jīng)過二十多年的不斷發(fā)展，移動(dòng)通信緊跟時(shí)代的潮流，緊扣人民群眾的生活需求，做到與時(shí)俱進(jìn)，與人民群眾的日常生活、工作緊密聯(lián)系、息息相關(guān)。移動(dòng)通信的重要程度不言而喻。

2 無線通信技術(shù)在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的實(shí)際應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技水平的進(jìn)步，無線通信技術(shù)的發(fā)展水平也在不斷提高。為了滿足人們的生活需求，開發(fā)公司將頻段和一些新的科技運(yùn)用于無線通信技術(shù)中，如頻段、節(jié)點(diǎn)、波束技術(shù)等等，以提供更為廣泛的業(yè)務(wù)服務(wù)，并滿足客戶更高的質(zhì)量追求。世界各國研發(fā)者也都在致力于實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球漫游。在全球統(tǒng)一的框架下，實(shí)現(xiàn)任何人、任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、任意方式無條件地快速、無縫、高效的在無線網(wǎng)絡(luò)中享受通信。但是就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，無線通信技術(shù)也存在一定的問題，如受距離限制、受頻段信號(hào)限制、對(duì)同一發(fā)射信號(hào)的反應(yīng)強(qiáng)弱不一、易受外界信號(hào)的干擾、密集地方傳輸信號(hào)差、易受物理阻擋、易受空氣影響、傳輸損耗大等等日?？梢姷男栴}。這些常見問題也需要研發(fā)者、設(shè)計(jì)者在細(xì)微處對(duì)無線通信技術(shù)的傳輸性加以改善，降低通信過程中的傳輸損耗，增強(qiáng)通信過程中的傳輸信號(hào)。

3 無線通信技術(shù)中全頻譜的應(yīng)用

全頻譜包括高頻譜和低頻譜，其中以低頻譜為重要組成部分。在無線通信技術(shù)中可以幫助實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋的狀況下，在保障信號(hào)全覆蓋的情況下，用高頻段輔助，主要是為了改善目前信號(hào)集中區(qū)域的信號(hào)性差的狀況，提升密集區(qū)域的傳輸質(zhì)量和效率。充分利用高低頻段各自的優(yōu)點(diǎn)滿足人民生活中對(duì)于無縫覆蓋、容量性大、傳輸效率高的需求。全頻譜具有豐富的空閑頻率資源、設(shè)備小型化的特點(diǎn)。在當(dāng)前快節(jié)奏的社會(huì)中，可以改善一些因受到物理阻礙而降低傳送效率，因外界條件而導(dǎo)致的反射、散射信號(hào)降低傳輸效率，又或者是因外界環(huán)境質(zhì)量而降低傳輸效率等問題。另外，高頻信道不同于傳統(tǒng)性蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道，在傳輸過程中容易出現(xiàn)信道變化快、資源損耗大、降低阻礙能力弱等劣勢(shì)。為了提高高頻信道的優(yōu)勢(shì)，科技研究者應(yīng)在此方面深入探討，就高頻信道的銜接能力、繞射能力、組接技術(shù)提出解決措施[2]。

4 無線通信網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)化演化

4.1 異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)

近些年來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)在高速發(fā)展，我國集成電路技術(shù)也在不斷發(fā)展，無線通信系統(tǒng)以及終端能力隨之得到質(zhì)的飛躍。我國的計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)能夠完美結(jié)合，從而促使我國的無線接入技術(shù)呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，并且被社會(huì)各界人士高度重視以及廣泛關(guān)注，多種多樣的無線接入技術(shù)的應(yīng)用頻率也非常高。由此可見，隨著我國信息技術(shù)的不斷發(fā)展，5G無線通信系統(tǒng)將會(huì)完成量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)化。5G無線通信系統(tǒng)將突破傳統(tǒng)模式下的簡單功能（簡單的數(shù)據(jù)語音功能以及短信功能），逐漸演變?yōu)楫悩?gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)，能夠構(gòu)成一種多業(yè)務(wù)以及多技術(shù)完美融合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成一種“百家爭鳴、百花齊放”的局面。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，會(huì)呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，并且異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的有用信號(hào)以及干擾信號(hào)都有所增加，如圖1所示。

4.2 異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的分布式資源分配

筆者通過調(diào)查相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，我國異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的資源分布方案呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)。我們從廣義上進(jìn)行劃分，可以將其分為兩個(gè)主要的資源分配方案，包括局部資源分配方案和全局資源分配方案。第一，局部資源分配方案。其實(shí)就是指D2D的用戶一直選擇并使用宏基站中的資源，整個(gè)過程不會(huì)采取其他資源，僅僅局限選擇宏基站。第二，全局資源分配方案。其實(shí)就是指D2D的用戶除了可以選取并且使用宏基站的資源外，還能夠選擇其他資源。隨著我國逐漸步入信息化時(shí)代，如何有效地進(jìn)行異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的分布式資源分配是我國社會(huì)各界人士關(guān)注的一個(gè)重要問題?；诖耍覈姸郉2D用戶結(jié)合博弈論建立了有關(guān)模型并且進(jìn)行分析，從而確定異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)的分布式資源分配方案，并且加以落實(shí)。D2D用戶有效結(jié)合博弈論建立模型從而進(jìn)行分析的示意圖如圖2所示：

圖1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2 D2D用戶結(jié)合博弈論建立模型并進(jìn)行分析的示意圖

結(jié)合圖2可知，博弈理論的本質(zhì)其實(shí)是一個(gè)數(shù)學(xué)工具。我國諸多D2D客戶在選擇異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)資源分配方案的時(shí)候可以結(jié)合博弈理論展開分析。首先，我們應(yīng)融合異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)資源分配問題與博弈理論，建立一個(gè)合適的模型，保障此模型至少存在一個(gè)均衡點(diǎn)。其次，結(jié)合學(xué)習(xí)算法以及另外一些優(yōu)化方法來尋找目標(biāo)均衡點(diǎn)，從而解決異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)資源分配的問題，并且在一定程度上減輕宏基站的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

4.3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提高數(shù)據(jù)流量

隨著數(shù)據(jù)信息化社會(huì)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也越來越注重多元化、綜合智能化。當(dāng)今社會(huì)，各個(gè)領(lǐng)域都充斥著智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，不管是何種產(chǎn)業(yè)都有其配套的智能終端。這也就標(biāo)志著未來社會(huì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中的數(shù)據(jù)流量的功率將會(huì)出現(xiàn)不可估計(jì)的提高，而這種超密集的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)一種爆炸式增長，在應(yīng)用過程中也會(huì)出現(xiàn)咔嘣、斷代的現(xiàn)象。為了改善這種情況，就需要解決干擾，拉近節(jié)點(diǎn)和終端的距離。目前，研究者也在努力提高網(wǎng)絡(luò)的效率，擴(kuò)大覆蓋范圍，改善密集區(qū)域的不兼容問題。

5 大規(guī)模MIMO通信技術(shù)

5.1 大規(guī)模MIMO 通信技術(shù)的特征

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的信息技術(shù)得到高速發(fā)展。多輸入多輸出通信技術(shù)的出現(xiàn)，促使我國無線蜂窩通信得到質(zhì)的飛躍，逐漸完善無線蜂窩通信系統(tǒng)，提高無線蜂窩通信系統(tǒng)的各個(gè)功能。在這樣的社會(huì)背景下，為了提高頻譜的利用率，加強(qiáng)無線蜂窩通信系統(tǒng)的覆蓋性能，并大幅降低單位比特能耗，一種名為大規(guī)模MIMO的新型通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。大規(guī)模MIMO通信技術(shù)的特征獨(dú)樹一幟，其能夠促使頻譜利用率不斷提高。與此同時(shí)，大規(guī)模MIMO通信技術(shù)還能夠促使硬件由煩瑣轉(zhuǎn)變?yōu)楹喴住Ｈ欢?，隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)大規(guī)模MIMO通信技術(shù)的要求越來越高，促使大規(guī)模MIMO通信技術(shù)能夠不斷提高自身的頻譜效率以及逐漸優(yōu)化其他性能[3]。

筆者通過查詢相關(guān)資料可知，大規(guī)模MIMO通信技術(shù)的內(nèi)涵是指在基站端配置的時(shí)候，需要配置一定數(shù)量的天線，確保配置的天線數(shù)量規(guī)模大于現(xiàn)有系統(tǒng)中的天線數(shù)量規(guī)模，如圖3所示：

圖3 大規(guī)模MIMO通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

5.2 大規(guī)模MIMO 通信技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

大規(guī)模MIMO通信技術(shù)憑借自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，受到社會(huì)各界人士的高度重視。大規(guī)模MIMO通信技術(shù)在運(yùn)行過程中也面臨著挑戰(zhàn)，存在一定的問題，主要表現(xiàn)為由基站側(cè)天線的個(gè)數(shù)而起的無線傳輸問題、相關(guān)的資源調(diào)配技術(shù)問題、能夠用于大規(guī)模協(xié)作通信場景的無線傳輸方法以及空中接口方法。由此可見，當(dāng)前階段，我國大規(guī)模MIMO通信技術(shù)仍然存在一定的關(guān)鍵技術(shù)問題。面臨種種挑戰(zhàn)，需要有關(guān)部門及個(gè)人高度重視，具體問題具體分析，尋找有效措施進(jìn)行改善，推動(dòng)大規(guī)模MIMO通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[4]。

6 結(jié)束語

隨著我國通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們之間的聯(lián)系也在不斷加強(qiáng)，不管距離遠(yuǎn)近都可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)系。這種業(yè)務(wù)需求的增加也在反作用于通信技術(shù)的發(fā)展。世界各國都對(duì)通信技術(shù)的相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的資金、技術(shù)、人才的投入，并依據(jù)無線通信技術(shù)的特點(diǎn)探討了可行性研究目標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略、產(chǎn)品更新發(fā)展方向以及系統(tǒng)的自適應(yīng)協(xié)作。在滿足人們需求的情況下，挖掘無線通信技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Γ谌蚍秶鷥?nèi)實(shí)現(xiàn)通信統(tǒng)一發(fā)展協(xié)調(diào)的目標(biāo)。

[1]余焯偉.面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)綜述[C]//旭日華夏（北京）國際科學(xué)技術(shù)研究院.首屆國際信息化建設(shè)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集（二），2016：1.

[2]楊綠溪，何世文，王毅，等.面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2015，30（3）：469-485.

[3]陳磊.無線通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)與協(xié)作波束形成技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2011.

[4]劉慎發(fā).分布式天線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，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