5G無線傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

楊大為+胡娟

摘 要

在移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，研究5G移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)于我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的意義。本文從無線傳輸技術(shù)角度深入介紹了5G潛在關(guān)鍵技術(shù)及最新進(jìn)展，分析了其中一些關(guān)鍵無線傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及未來可能的研究方向。最后，對(duì)5G無線傳輸技術(shù)面臨的問題進(jìn)行了剖析，及其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探索。

【關(guān)鍵詞】5G 無線傳輸 關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

5G概念的提出最早可以追溯到2000年的中后期，早在全球規(guī)模部署4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，5G研發(fā)已經(jīng)成為業(yè)界關(guān)注和爭奪的焦點(diǎn)。行業(yè)中討論5G可能包含的概念：高于10Gbps的數(shù)據(jù)速率，至少高于4G技術(shù)10倍；覆蓋中更統(tǒng)一的用戶體驗(yàn)；極低的延遲，低于1ms，比4G的低10倍，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更高的實(shí)時(shí)性控制；使用高頻，在5GHz以上包括毫米波（30GHz以及更高的GHz）；寬的無線信道，1～2GHz，甚至更寬；無線更為靈活；更多元素的天線陣列；用戶設(shè)備和多個(gè)基站之間的同步連接，跨越多種接入技術(shù)和頻率；先進(jìn)的頻譜共享技術(shù)；上下感知的網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)執(zhí)行基于用戶位置或活動(dòng)的功能；適用于新興的設(shè)備對(duì)設(shè)備（D2D）通信的部署。

其中無線部分需要考慮的技術(shù)有：先進(jìn)的干擾管理、大規(guī)模多天線技術(shù)、安全、調(diào)制解調(diào)、編解碼、毫米波技術(shù)等。本文從無線傳輸?shù)慕嵌冉榻B分析了5G一些潛在的關(guān)鍵技術(shù)，闡述學(xué)術(shù)界具有代表性的一些觀點(diǎn)。

2 5G無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大規(guī)模多天線技術(shù)

貝爾實(shí)驗(yàn)室的Thomas在2010年底的《無線通信》中提出了5G中的大規(guī)模多天線的概念。所謂大規(guī)模多天線是一種多入多出（MIMO，multiple input and multiple output）的通信系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中基站天線數(shù)目遠(yuǎn)高于終端天線數(shù)目，通過建立極大數(shù)目信道到達(dá)終端實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速傳輸，并且通過大規(guī)模多天線的建設(shè)簡化物理層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低時(shí)延傳輸。大規(guī)模多天線的應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。小區(qū)為宏蜂窩和微蜂窩并存，場(chǎng)景分為室內(nèi)和室外兩種，基站天線數(shù)可以趨于無限大，同時(shí)用戶天線數(shù)目也可以增大。大規(guī)模多天線技術(shù)在整個(gè)5G系統(tǒng)中會(huì)帶來以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）大規(guī)模多天線多入多出系統(tǒng)的空間分辨率被極大提升了。大規(guī)模多天線技術(shù)可以在沒有基站分裂的條件下實(shí)現(xiàn)空間資源的深度挖掘。

（2）波束賦形技術(shù)能夠讓能量極小的波束集中在一塊小型區(qū)域，因此干擾能夠被極大地減少。

（3）相比于單一天線系統(tǒng)，大規(guī)模多天線技術(shù)能夠通過不同的維度（空域、時(shí)域、頻域、極化域）提升頻譜利用效率和能量利用效率。

有此諸多可實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，大規(guī)模多天線技術(shù)被認(rèn)為是5G中的一項(xiàng)關(guān)鍵可行技術(shù)。

大規(guī)模多天線技術(shù)是一種結(jié)合了通信理論、電磁傳播理論等領(lǐng)域的全新研究領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)仍有一系列問題需要克服。例如當(dāng)小區(qū)內(nèi)采用正交的導(dǎo)頻序列、小區(qū)間采用相同的導(dǎo)頻序列組時(shí)，存在導(dǎo)頻污染問題。由于導(dǎo)頻污染的存在，使上、下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男鸥杀龋⊿IR，signal to interference ratio）不能隨著基站天線數(shù)增加而增加。同時(shí)，需要對(duì)特殊的實(shí)際場(chǎng)景下大規(guī)模多天線和測(cè)試模型進(jìn)行信道測(cè)量工作，以充分利用潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。另一方面，在基站側(cè)部署大規(guī)模多天線技術(shù)會(huì)帶來大量成本開銷。在實(shí)際場(chǎng)景中，由于設(shè)計(jì)和完成大規(guī)模多天線需要靈活地適應(yīng)復(fù)雜的天線電環(huán)境。

大規(guī)模多天線技術(shù)是一種同時(shí)提升系統(tǒng)容量和峰值速率、減少能量消耗和傳輸時(shí)延的潛在可行關(guān)鍵技術(shù)。但是直到現(xiàn)在，大規(guī)模多天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程也面臨著上述一系列關(guān)鍵技術(shù)問題帶來的挑戰(zhàn)。

2.2 信道建模

信道建模通過對(duì)無線環(huán)境的抽象性描述，可用一系列的參數(shù)來表征無線環(huán)境的物理特征，進(jìn)而準(zhǔn)確刻畫出無線信號(hào)的傳播機(jī)制，是評(píng)估無線技術(shù)性能的最有效手段之一。由于MIMO技術(shù)的應(yīng)用，信道模型由時(shí)——頻倆個(gè)維度擴(kuò)展成空——時(shí)——頻這三個(gè)維度。

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，信道建模也表現(xiàn)出了一些新特征。

空間連續(xù)性與移動(dòng)性。由于D2D技術(shù)發(fā)送端和接收端的雙移動(dòng)性，而傳統(tǒng)的信道模型中發(fā)送端位置固定，接收端移動(dòng)的模型不再適用。另外，目前的信道模型對(duì)每條鏈路而言，散射環(huán)境是隨機(jī)產(chǎn)生的，使得即使距離很近的移動(dòng)臺(tái)所處的散射環(huán)境也是獨(dú)立的，這與實(shí)際情況不符。許多研究機(jī)構(gòu)針對(duì)上述信道特性又提出了新的模型，描述D2D信道的雙移動(dòng)性和空間連續(xù)性。

大規(guī)模多天線陣列的信道特性。為了提高信道容量和頻率利用率，大規(guī)模多天線技術(shù)勢(shì)必將成為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，相應(yīng)信道模型也呈現(xiàn)新的特性。例如考慮用球面波取代平面波進(jìn)行建模；以及隨著天線陣列的增大，不同的散射體只對(duì)不同的天線單元可見，衰落表現(xiàn)出非靜態(tài)特性。

高頻段的信道特性、未來短距離的無線通信系統(tǒng)需要支持超大數(shù)據(jù)率，發(fā)展毫米波段中大量未使用的頻譜資源具有很好的應(yīng)用前景。毫米波信道建模具有很多新的特征，比如高路損、高散射和對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境敏感等。許多機(jī)構(gòu)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了建模研究。

隨著研究深入，相應(yīng)的信道模型也表現(xiàn)出不同特征，相應(yīng)新技術(shù)的測(cè)量和建模工作亟需深入開展。

2.3 信道編碼

低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC，low density parity check）碼和極化（polar）碼是5G信道編碼的關(guān)鍵候選碼。在2016年11月17日結(jié)束的3GPP RAN1會(huì)議的5G短嗎方案討論中，中國主推的極化（polar）碼方案，從美國主推LDPC和法國主推的Turbo2.0兩大競(jìng)爭對(duì)手中脫穎而出，成為5G控制信道eMBB場(chǎng)景編碼方案，而LDPC碼成為數(shù)據(jù)信道的上行和下行短碼方案。此前，5G中長碼編碼確認(rèn)方案為LDPC。

LDPC碼是由Robert G.Gallager博士于1963年提出的一類具有稀疏校驗(yàn)矩陣的線性分組碼，有逼近香農(nóng)極限的良好性能，是近年來信道編碼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于深空通信、光纖通信、衛(wèi)星數(shù)字視頻和音頻廣播等領(lǐng)域。

極化碼是由土耳其畢爾肯大學(xué)（bilkent）Erdal Arikan教授于2008年首次提出，其論文從理論上第一次嚴(yán)格證明了在二進(jìn)制輸入對(duì)稱離散無記憶信道下，極化碼可以“達(dá)到”香農(nóng)容量，并且有著低的編碼譯碼復(fù)雜度。

早在3GPP討論前，Polar Code（極化碼）便在中國IMT-2020（5G）推進(jìn)組5G第一階段外場(chǎng)測(cè)試，包括靜止和移動(dòng)場(chǎng)景的性能。

測(cè)試結(jié)果顯示，通過極化編碼的使用和譯碼算法的動(dòng)態(tài)選擇，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了短包（大連接物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景）和長包（高速移動(dòng)場(chǎng)景，如自動(dòng)駕駛等低時(shí)延要求）場(chǎng)景中穩(wěn)定的性能增益，使現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率提升10%，還與毫米波結(jié)合達(dá)到27Gbps的速率，實(shí)測(cè)結(jié)果證明極化碼可以同時(shí)滿足ITU的超高速率、低時(shí)延、大連接的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)三大類應(yīng)用場(chǎng)景需求。

2.4 全雙工技術(shù)

全雙工技術(shù)是指在相同的頻譜上，通信的收發(fā)雙工同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)。相對(duì)與傳統(tǒng)的FDD，TDD半雙工模式，全雙工技術(shù)突破了頻譜資源使用限制，使系統(tǒng)可用頻譜資源提升1倍，是未來有可能改變移動(dòng)通信傳統(tǒng)工作模式的革命性技術(shù)方向。全雙工技術(shù)需要具備極高的干擾消除能力以消除來自發(fā)送天線的自干擾信號(hào)。從目前自干擾消除的研究成果來看，全雙工系統(tǒng)主要采用物理層干擾消除的方法。全雙工系統(tǒng)的自干擾消除技術(shù)主要包括天線自干擾消除、模擬電路域自干擾消除以及數(shù)字域自干擾消除方法。

除了自干擾消除技術(shù)外，還包括很多其他方面內(nèi)容：設(shè)計(jì)低復(fù)雜度的物理層干擾消除的算法，研究全雙工系統(tǒng)功率控制與能耗控制問題；將全雙工技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)知無線網(wǎng)中，使次要節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)感知與使用空閑頻譜，減少次要節(jié)點(diǎn)之間的碰撞，提高認(rèn)知無線網(wǎng)的性能；將全雙工技術(shù)應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，解決無線回傳問題；將全雙工技術(shù)同中繼技術(shù)相結(jié)合，能夠解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中隱藏終端問題、擁塞導(dǎo)致吞吐量損失問題以及端到端延時(shí)問題等；將全雙工中繼與MIMO技術(shù)結(jié)合，聯(lián)合波束賦形的最優(yōu)化技術(shù)，提高系統(tǒng)端到端的性能和抗干擾能力。

目前，將全雙工技術(shù)應(yīng)用于多天線系統(tǒng)以及全雙工組網(wǎng)是全雙工技術(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用需要重要研究的問題。隨著無線多媒體業(yè)務(wù)不斷增多，傳統(tǒng)的以基站為中心的業(yè)務(wù)提供方式已無法滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。

3 展望

世界各國針對(duì)未來5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)的可行性研究、標(biāo)準(zhǔn)化以及產(chǎn)品發(fā)展方面進(jìn)行了大量投入，5G的發(fā)展需要在統(tǒng)一的框架下進(jìn)行全球范圍內(nèi)的協(xié)調(diào)。同時(shí)，綠色節(jié)能也將成為5G發(fā)展的重要方向，網(wǎng)絡(luò)功能不能再以能源的大量消耗為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)無線移動(dòng)通信的可持續(xù)發(fā)展。

5G是一個(gè)融合的網(wǎng)絡(luò)，也是更加復(fù)雜的密集網(wǎng)絡(luò)。5G的支持遠(yuǎn)超3G、4G網(wǎng)絡(luò)所滿足的場(chǎng)景、數(shù)據(jù)量及設(shè)備接入量，實(shí)現(xiàn)這一網(wǎng)絡(luò)需要技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。5G技術(shù)的未來與重點(diǎn)并不僅僅在于大幅度提升數(shù)據(jù)的傳輸速度，更是人類認(rèn)知能力的延伸。后續(xù)5G技術(shù)方案征集、標(biāo)準(zhǔn)化工作也在緊鑼密鼓的開展。

4 結(jié)語

本文從無線傳輸方面介紹了5G潛在的關(guān)鍵技術(shù)及最新進(jìn)展，分析了一些關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及未來研究方向。5G將滲透到未來社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，以用戶為中心構(gòu)建全方位的信息生態(tài)領(lǐng)域。5G將使信息突破時(shí)空限制，提供極佳的交互體驗(yàn)，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴。目前，5G的研究處于關(guān)鍵發(fā)展階段，各技術(shù)研究進(jìn)展迅速，未來圍繞用戶需求、規(guī)模、成本能耗等問題進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)評(píng)估還有大量工作需要完成。

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