5G无线传输的关键技术

杨大为+胡娟

摘 要

在移动通信技术飞速发展的背景下，研究5G移动通信技术对于我国经济的发展具有十分重要的意义。本文从无线传输技术角度深入介绍了5G潜在关键技术及最新进展，分析了其中一些关键无线传输技术的优缺点及未来可能的研究方向。最后，对5G无线传输技术面临的问题进行了剖析，及其未来发展趋势进行探索。

【关键词】5G 无线传输 关键技术

1 引言

5G概念的提出最早可以追溯到2000年的中后期，早在全球规模部署4G网络时，5G研发已经成为业界关注和争夺的焦点。行业中讨论5G可能包含的概念：高于10Gbps的数据速率，至少高于4G技术10倍；覆盖中更统一的用户体验；极低的延迟，低于1ms，比4G的低10倍，以实现系统更高的实时性控制；使用高频，在5GHz以上包括毫米波（30GHz以及更高的GHz）；宽的无线信道，1～2GHz，甚至更宽；无线更为灵活；更多元素的天线阵列；用户设备和多个基站之间的同步连接，跨越多种接入技术和频率；先进的频谱共享技术；上下感知的网络，在该网络自动执行基于用户位置或活动的功能；适用于新兴的设备对设备（D2D）通信的部署。

其中无线部分需要考虑的技术有：先进的干扰管理、大规模多天线技术、安全、调制解调、编解码、毫米波技术等。本文从无线传输的角度介绍分析了5G一些潜在的关键技术，阐述学术界具有代表性的一些观点。

2 5G无线传输关键技术

2.1 大规模多天线技术

贝尔实验室的Thomas在2010年底的《无线通信》中提出了5G中的大规模多天线的概念。所谓大规模多天线是一种多入多出（MIMO，multiple input and multiple output）的通信系統，在此系统中基站天线数目远高于终端天线数目，通过建立极大数目信道到达终端实现信号的高速传输，并且通过大规模多天线的建设简化物理层设计实现信号的低时延传输。大规模多天线的应用场景如图1所示。小区为宏蜂窝和微蜂窝并存，场景分为室内和室外两种，基站天线数可以趋于无限大，同时用户天线数目也可以增大。大规模多天线技术在整个5G系统中会带来以下优点：

（1）大规模多天线多入多出系统的空间分辨率被极大提升了。大规模多天线技术可以在没有基站分裂的条件下实现空间资源的深度挖掘。

（2）波束赋形技术能够让能量极小的波束集中在一块小型区域，因此干扰能够被极大地减少。

（3）相比于单一天线系统，大规模多天线技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域）提升频谱利用效率和能量利用效率。

有此诸多可实现的优点，大规模多天线技术被认为是5G中的一项关键可行技术。

大规模多天线技术是一种结合了通信理论、电磁传播理论等领域的全新研究领域。为实现此项技术仍有一系列问题需要克服。例如当小区内采用正交的导频序列、小区间采用相同的导频序列组时，存在导频污染问题。由于导频污染的存在，使上、下行数据传输的信干比（SIR，signal to interference ratio）不能随着基站天线数增加而增加。同时，需要对特殊的实际场景下大规模多天线和测试模型进行信道测量工作，以充分利用潜在的技术优势。另一方面，在基站侧部署大规模多天线技术会带来大量成本开销。在实际场景中，由于设计和完成大规模多天线需要灵活地适应复杂的天线电环境。

大规模多天线技术是一种同时提升系统容量和峰值速率、减少能量消耗和传输时延的潜在可行关键技术。但是直到现在，大规模多天线系统的设计和工程也面临着上述一系列关键技术问题带来的挑战。

2.2 信道建模

信道建模通过对无线环境的抽象性描述，可用一系列的参数来表征无线环境的物理特征，进而准确刻画出无线信号的传播机制，是评估无线技术性能的最有效手段之一。由于MIMO技术的应用，信道模型由时——频俩个维度扩展成空——时——频这三个维度。

随着5G技术的发展，信道建模也表现出了一些新特征。

空间连续性与移动性。由于D2D技术发送端和接收端的双移动性，而传统的信道模型中发送端位置固定，接收端移动的模型不再适用。另外，目前的信道模型对每条链路而言，散射环境是随机产生的，使得即使距离很近的移动台所处的散射环境也是独立的，这与实际情况不符。许多研究机构针对上述信道特性又提出了新的模型，描述D2D信道的双移动性和空间连续性。

大规模多天线阵列的信道特性。为了提高信道容量和频率利用率，大规模多天线技术势必将成为5G的关键技术之一，相应信道模型也呈现新的特性。例如考虑用球面波取代平面波进行建模；以及随着天线阵列的增大，不同的散射体只对不同的天线单元可见，衰落表现出非静态特性。

高频段的信道特性、未来短距离的无线通信系统需要支持超大数据率，发展毫米波段中大量未使用的频谱资源具有很好的应用前景。毫米波信道建模具有很多新的特征，比如高路损、高散射和对动态环境敏感等。许多机构学者对此进行了建模研究。

随着研究深入，相应的信道模型也表现出不同特征，相应新技术的测量和建模工作亟需深入开展。

2.3 信道编码

低密度奇偶校验（LDPC，low density parity check）码和极化（polar）码是5G信道编码的关键候选码。在2016年11月17日结束的3GPP RAN1会议的5G短吗方案讨论中，中国主推的极化（polar）码方案，从美国主推LDPC和法国主推的Turbo2.0两大竞争对手中脱颖而出，成为5G控制信道eMBB场景编码方案，而LDPC码成为数据信道的上行和下行短码方案。此前，5G中长码编码确认方案为LDPC。

LDPC码是由Robert G.Gallager博士于1963年提出的一类具有稀疏校验矩阵的线性分组码，有逼近香农极限的良好性能，是近年来信道编码领域的研究热点，目前已经广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域。

极化码是由土耳其毕尔肯大学（bilkent）Erdal Arikan教授于2008年首次提出，其论文从理论上第一次严格证明了在二进制输入对称离散无记忆信道下，极化码可以“达到”香农容量，并且有着低的编码译码复杂度。

早在3GPP讨论前，Polar Code（极化码）便在中国IMT-2020（5G）推进组5G第一阶段外场测试，包括静止和移动场景的性能。

测试结果显示，通过极化编码的使用和译码算法的动态选择，同时实现了短包（大連接物联网场景）和长包（高速移动场景，如自动驾驶等低时延要求）场景中稳定的性能增益，使现有的蜂窝网络的频谱效率提升10%，还与毫米波结合达到27Gbps的速率，实测结果证明极化码可以同时满足ITU的超高速率、低时延、大连接的移动互联网和物联网三大类应用场景需求。

2.4 全双工技术

全双工技术是指在相同的频谱上，通信的收发双工同时发射和接收信号。相对与传统的FDD，TDD半双工模式，全双工技术突破了频谱资源使用限制，使系统可用频谱资源提升1倍，是未来有可能改变移动通信传统工作模式的革命性技术方向。全双工技术需要具备极高的干扰消除能力以消除来自发送天线的自干扰信号。从目前自干扰消除的研究成果来看，全双工系统主要采用物理层干扰消除的方法。全双工系统的自干扰消除技术主要包括天线自干扰消除、模拟电路域自干扰消除以及数字域自干扰消除方法。

除了自干扰消除技术外，还包括很多其他方面内容：设计低复杂度的物理层干扰消除的算法，研究全双工系统功率控制与能耗控制问题；将全双工技术应用于认知无线网中，使次要节点能够同时感知与使用空闲频谱，减少次要节点之间的碰撞，提高认知无线网的性能；将全双工技术应用于异构网络中，解决无线回传问题；将全双工技术同中继技术相结合，能够解决当前网络中隐藏终端问题、拥塞导致吞吐量损失问题以及端到端延时问题等；将全双工中继与MIMO技术结合，联合波束赋形的最优化技术，提高系统端到端的性能和抗干扰能力。

目前，将全双工技术应用于多天线系统以及全双工组网是全双工技术在实际系统中应用需要重要研究的问题。随着无线多媒体业务不断增多，传统的以基站为中心的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。

3 展望

世界各国针对未来5G移动通信网络在技术的可行性研究、标准化以及产品发展方面进行了大量投入，5G的发展需要在统一的框架下进行全球范围内的协调。同时，绿色节能也将成为5G发展的重要方向，网络功能不能再以能源的大量消耗为代价，实现无线移动通信的可持续发展。

5G是一个融合的网络，也是更加复杂的密集网络。5G的支持远超3G、4G网络所满足的场景、数据量及设备接入量，实现这一网络需要技术的不断发展和创新。5G技术的未来与重点并不仅仅在于大幅度提升数据的传输速度，更是人类认知能力的延伸。后续5G技术方案征集、标准化工作也在紧锣密鼓的开展。

4 结语

本文从无线传输方面介绍了5G潜在的关键技术及最新进展，分析了一些关键技术的优缺点及未来研究方向。5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态领域。5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴。目前，5G的研究处于关键发展阶段，各技术研究进展迅速，未来围绕用户需求、规模、成本能耗等问题进行的标准化和技术评估还有大量工作需要完成。

参考文献

[1]MARZETTAT L.Non-cooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2010，9（11）：3590-3600.

[2]ARIKAN，E.Channel polarization：a method for constructing capacity-achieving codes for symmetric binary-input memoryless channels[J].IEEE TransactionsonInformation Theory，2009，55（07）：3051-3073.

[3]张平，陶运铮，张治.5G若干关键技术评述[J].通信学报，2016，37（07）：15-29.