2.1.4　5G关键技术

（1）大规模多天线

大规模多天线的概念，是贝尔实验室的Thomas于2010年年底提出的［3］。大规模多天线，也称大范围多入多出技术和大范围天线系统，是一种多入多出（Multiple Input and Multiple Output，MIMO）的通信系统，在基站侧的天线数量远多于终端的天线数量，并且为了实现终端信号的高速传输，建立了极大数量的信道；另外可通过大规模天线简化MAC层的设计，来进一步降低数据传输的时延。

在5G无线通信系统中，大规模多天线技术应用场景如图2-5所示。在5G的大规模多天线技术场景下，宏蜂窝与微蜂窝两种小区共存，网络可以为同构网络，也可以为异构网络，场景分为室内和室外两种。根据已有研究表明，70%的陆地移动通信系统中的数据传输业务来源于室内。因此，大规模多天线系统的传输链路可以分为宏小区基站对室内、室外用户，微小区基站对室内、室外用户。同时微小区也可以作为中继基站进行传输，传输链路也包括从宏小区基站到微小区基站。

很多运营商使用MIMO技术来实现WiFi和LTE容量的最大化，而Massive MIMO正是基于这种技术的又一种创新，不仅有助于提供大连接，还允许运营商利用其现有的站点和频谱来满足指数级增长的业务数据需求，可以满足智能制造过程中产生的工业大数据共享对移动通信传输速率的需求。

（2）毫米波通信

毫米波通常是指波长为1～10mm（频率30～300GHz）的电磁波，介于厘米波与光波之间。以毫米波作为传输信息的载体进行的通信，称为毫米波通信。毫米波通信分为毫米波波导通信和毫米波无线电通信两大类。毫米波无线电通信又可分为地面无线电通信和空间无线电通信。毫米波波导通信是以圆波导传送30～120GHz电磁波的通信。毫米波通信主要具有以下三个特征。

①穿透能力强　由于毫米波的波长介于微波和光波之间，因此它同时具备了微波和光波的某些特点。毫米波在传输过程中受杂波影响比较小，因此对云、雾、烟和尘埃的穿透能力很强；另外对于等离子体和恶劣环境等有较强的穿透能力，通信比较稳定。

②天线尺寸小、波束窄　毫米波通信设备的体积很小，可采用比微波小得多的天线，使用小尺寸的天线获得很高的方向性、空间分辨率，并且增益大。毫米波的波束窄、方向性强，从而能够很好地避免线路间的干扰。因此，能够使传输质量提高，且有较强的反侦察能力，安全保密性好。

③可用频带宽、信息容量大　毫米波的传输频带很宽，其频段是无线电短波、超短波和微波频段总和的十几倍。由于载频很高，瞬时射频带宽可以做得很宽，因此通信容量很大。毫米波通信信息容量约比微波大10倍，因此可用于多路通信和电视图像传输；而且传输速率高，有利于实现低截获概率通信，如扩频通信和跳频通信。另外，高损耗频率也可以用于军用保密通信和卫星通信。

由于毫米波的频率很高，波长很短，这就意味着其天线尺寸可以做得很小，这是部署小基站的基础。可以预见的是，未来5G移动通信将不再依赖大型基站的布建架构，大量的小型基站将成为新的趋势，它可以覆盖大基站无法触及的末梢通信。5G网络不仅能够为智能手机用户提供服务，而且能够在无人驾驶汽车、VR以及物联网等领域发挥重要作用。

（3）全双工技术

全双工（Full Duplex，FD）技术也被称为同时同频全双工（Co-frequency Co-time Full Duplex，CCFD）技术，是5G关键空中接口技术之一。通过全双工技术，通信终端设备可以在同一时间、同一频段发送和接收信号，与传统的TDD或FDD模式相比，在理论上能够提高一倍的频谱效率，此外还能有效地降低传输时延和信令开销［4］。由于收发天线的距离较近，并且有较大差异的收发信号功率，使得其自干扰会对信号的接收产生极大的影响。因此，全双工技术的核心问题是如何有效地抑制和消除自干扰的影响。

目前在全双工系统中，消除自干扰的主要方法是物理层干扰消除法，包括天线自干扰消除方法、模拟电路域自干扰消除方法以及数字域自干扰消除方法。天线自干扰消除方法主要依靠增加收发天线间损耗，包括分隔收发信号、隔离收发天线、天线交叉极化、天线调零法等；模拟电路域自干扰消除方法主要包括环形器隔离，通过模拟电路设计重建自干扰信号并从接收信号中直接减去重建的自干扰信号等；数字域自干扰消除方法主要依靠对自干扰进行参数估计和重建后，从接收信号中减去重建的自干扰来消除残留的自干扰。全双工终端自干扰消除方法的原理如图2-6所示。

（4）无线接入技术

①多址接入　多址技术可以看作是每一代移动通信技术的关键特点，通过在空/时/频/码域的叠加传输发送信号，显著地提升多种场景下系统频谱效率和接入能力［5］。5G中主要的多址接入技术方案包括基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址接入（SCMA）技术、基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入（MUSA）技术、基于非正交特征图样的图样分割多址接入（PDMA）技术以及基于功率叠加的非正交多址接入（NOMA）技术。

非正交多址接入（NOMA）是一种新型的基于功率域复用多址方案，通过增加接收端的复杂度来换取更高的频谱效率［6］。未来网络中设备的计算能力将有大幅度提升，因此该方案具有较强的可行性。

稀疏编码多址接入（SCMA）技术是基于码域复用的新型多址方案，该方案融合了QAM调制和签名传输过程，将输入的比特流映射成一个从特定码本中选出的多维SCMA码字，然后通过稀疏的方式传播到物理资源元素上［2］。

图样分割多址接入技术或简称图分多址接入（PDMA）技术是一种新型的基于发送端和接收端联合设计的非正交多址接入技术［7］。在相同的时域资源内，发送端将多个用户信号进行功率域、空域、编码域的单独或联合编码传输，并且通过易于干扰抵消接收机算法的特征图样进行区分；接收端则通过对多用户进行低复杂度、高性能的串行干扰抵消SIC接收机算法，实现通信系统的联合检测和性能优化。

多用户共享接入（MUSA）技术是一种基于复数域多元码的上行非正交多址新型接入技术，适合多用户共享免调度的接入方案，从而促进低成本、低功耗5G海量连接（万物互联）的实现［8］。

上述4种多址技术的特点比较如表2-1所示。

随着智能终端普及应用及移动新业务需求持续增长，无线传输速率需求呈指数增长，5G既要适应高速宽带又要适应物联网的海量连接。因此，5G系统中新型的多址技术可满足智能制造领域的大规模连接需求。

②动态TDD　在未来的5G网络中，超密集小小区部署（小区半径小于几米）和不同的从超低时延到千兆速率的需求将会是其关键特征。基于TDD的空口被提议应用于针对小小区信号小时延传播的部署，灵活分配每个子帧上下行传输资源。这种选择上下行配置灵活方式的TDD，也被称为动态TDD。当TDD上下行动态配置时，不同的小区对业务需求的适应更加灵活，同时能够在一定程度上减小基站能耗［9］。动态TDD技术一般只应用在小覆盖的低功率节点小区中，不应用在大覆盖的宏基站小区中。在5G无线通信系统中，超密集小小区组网和大量的应用将成为其基本内容。一个动态TDD的部署可能造成交错干扰的上下行子帧，并且降低系统性能。在5G中，动态TDD的主要挑战包括更短的TTI、更快的UL/DL切换和MIMO的结合等。为了应对这些挑战，目前被考虑的解决方案有4种：小区分簇干扰缓解（CCIM）、eICIC/FeICIC、功率控制、利用MIMO技术［10］。

（5）网络技术

①C-RAN　由于在4G中，广泛采用传统的蜂窝无线接入网络构架，尽管其中采用了一些先进的技术进行改进，但是对于不断增长的用户和网络需求仍然不能满足，接入网的弊端也严重阻碍了更好的用户体验。因此，在下一代移动通信网络中，找到一种能够显著提高系统容量、减少网络拥塞、成本效益较高的接入网架构迫在眉睫。因此，结合集中化和云计算，运营商提出了一种新型的基于云的无线接入网架构（C-RAN）［11，12］。

如图2-7所示，C-RAN架构主要由3个部分组成：由远端无线射频单元（RRH）和天线组成的分布式无线网络；由高带宽低时延的光传输网络连接的远端无线射频单元；由高性能处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池（BBU pool）。分布式的远端无线射频单元提供了一个高容量广覆盖的无线网络。高带宽低时延的光传输网络需要连接所有的基带处理单元和远端射频单元。基带池则由高性能处理器构成，通过实时虚拟技术连接在一起，集合成强大的处理能力，从而满足每个虚拟基站提供所需的处理性能需求［13］。

针对移动通信建网和运维成本的上升、多标准同时运营、移动互联网带来网络负荷冲击等现阶段网络运营面对的实际问题，专家提出了创新的C-RAN网络架构，“颠覆性”地改变了移动通信网原有的建设和运营模式，为将来移动通信市场开辟新的发展空间，促进了新型物联网的发展。

②D2D　未来网络中，移动数据流量将爆炸性增长，海量的终端设备急需连接以及濒临匮乏的频谱资源等都是急需解决的问题［14］。设备到设备通信（Device to Device Communication，D2D）作为下一代移动通信网络（5G）中的关键技术之一，可以在一定程度上减轻基站压力、提升系统网络性能、降低端到端的传输时延、提高频效率的潜力［15～17］。

D2D通信是一种两个终端设备不借助于其他设备而直接进行通信的新型技术，已被考虑到下一代移动通信系统的应用场景中。例如在车联网中应用，未来车联网需要频繁地在车车、车路、车人（V2V、V2I、V2P，统称V2X）中进行短程的交互通信，采用D2D通信技术可以有效地进行短时延、短距离、高可靠的V2X通信［18］。此外，蜂窝与D2D异构网络的结合（图2-8）也是很有前景的应用。在系统基站的控制下，D2D通信复用蜂窝小区用户的无线资源，将D2D带给小区的干扰控制在可接受的范围内，直接在终端之间进行通信，从而在很大程度上减轻基站压力，提高频谱资源的利用效率［19］。

在万物互联的5G网络中，由于存在大量的物联网通信终端，网络的接入负荷成为严峻挑战之一。基于D2D的网络接入有望解决这个问题。比如，在巨量终端场景中，大量存在的低成本终端不是直接接入基站，而是通过D2D方式接入邻近的特殊终端，通过该特殊终端建立与蜂窝网络的连接。如果多个特殊终端在空间上具有一定隔离度，则用于低成本终端接入的无线资源可以在多个特殊终端间重用，不但缓解基站的接入压力，而且能够提高频谱效率。只有D2D技术与物联网结合，才有可能产生真正意义上的互联互通无线通信网络。