第五代移动通信系统若干关键技术概述

在将协作中继技术和认知无线电技术相融合的认知中继网络中，进一步采用大规模MIMO技术，构成大规模MIMO多用户认知中继网络，深度挖掘空间维度无线资源，从而大幅度提升频谱效率、能量效率和传输可靠性。对5G移动通信系统若干关键技术进行综述，对大规模MIMO技术、协作中继技术以及认知无线电技术这些具有代表性的技术进行介绍和梳理，重申其重要作用和意义。

大规模MIMO 认知中继网络 频谱效率 能量效率 5G

Review on Key Technologies in 5G Mobile Communication System

YANG Jing， CHEN Lei， LIU Qi， WANG Hong-yan， XU Cai-hong

For cognitive relay network， in which cooperative relay and cognitive radio technologies are integrated， the adoption of massive MIMO is able to constitute massive MIMO multi-user cognitive relay network. It is beneficial for deep development of spatial dimensional radio resources to greatly enhance spectral efficiency， energy efficiency and transmission reliability. In this paper， several key and representative technologies in 5G mobile communication system were reviewed， including massive MIMO， cooperative relay and cognitive radio， as well as their important significance was analyzed in depth.

massive MIMO cognitive relay network spectral efficiency energy efficiency 5G

1 引言

随着移动互联网的迅猛发展，人们对无线传输速率要求越来越高，通信系统能源消耗所占的比例不断增加，绿色通信也越来越受到人们的关注。因此，如何在4G基础上，进一步提升无线移动通信的频谱效率和能量效率，是4G/5G移动通信的核心所在[1-2]。为了提高无线资源利用率、改善系统覆盖性能、提升通信的能量效率，多用户多输入多输出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）技术、协作中继技术以及干扰对齐技术得到了业界的广泛关注。然而，这些技术并不能从根本上带来系统容量的飞跃提升，也无法满足用户的需求。为此，研究者们提出大规模MIMO技术，在基站设以大规模阵列天线代替目前所采用的多天线，由此形成大规模MIMO通信系统，大规模MIMO系统具有无可比拟的技术优势：空前的频谱效率，更高的能量效率，精准的空间区分度，相对廉价的硬件实现等[3-4]。另一方面，无线中继技术和认知无线电（CR，Cognitive Radio）技术分别被认为是提高系统传输可靠性和频谱利用率的核心技术。无线中继技术具有潜在能力扩展通信业务覆盖区域，实现分集增益以抵抗大小尺度衰落[5]等优点;认知无线电技术允许非授权用户或认知用户（SU，Secondary User）在不影响授权用户（PU，Primary User）的服务质量（QoS，Quality of Service）的前提下，灵活、动态地进行频谱接入，共享分配给PU的频谱资源[6]，从而提高频谱效率。

综上所述，大规模MIMO技术、协作中继技术、认知无线电技术在提升频谱效率、能量效率、传输可靠性等方面具有较强的技术优势，是第五代移动通信系统中最具潜力的技术。

2 大规模MIMO技术

大规模MIMO技术通过在基站端架设数百根低功率天线，使得天线数较4G系统中的4（或8）根增加了一个数量级，天线数目远远超过在同一时频资源上同时调度的单天线用户数量，模型框图如图1所示。大规模天线阵列所带来的分集增益、阵列增益以及干扰抑制增益，使得每个用户与基站之间通信的功率效率和频谱效率得到极大提升。由于大规模MIMO技术的研究都才刚刚起步，有大量的未知空间待探索，比如信道建模、导频污染、最优波束成型等。

图1 大规模天线通信系统框图

近年来，大规模MIMO引起了学者们的广泛关注，并在信道容量[7，8]、预编码方案[3，9]、能量效率[8]、导频污染[10]、单载波传输方案[11]等方面取得了一些进展。另一方面，如何使用更少的天线，而不是无穷多的天线来获取更高的频谱效率？在参考文献[12，13]中对此问题进行了研究。文献[12]针对大规模分布式天线系统，提出了2种天线选择方案，以优化能量效率和频谱效率为目标，减少使用的天线数目;文献[13]对在接收端采用匹配滤波器接收机的问题进行了研究。

为了获得大规模MIMO系统的性能增益，基站需要获取信道状态信息（CSI，Channel State Information）。基于信道估计和反馈问题的考虑，上下行信道具有互易性的时分双工（TDD，Time Division Duplexing）模式[3]成为当前大规模MIMO技术研究的重点。众所周知，频分双工（FDD，Frequency Division Duplexing）模式不具有上下行信道的互易性。如何在FDD系统下采用大规模MIMO技术？目前，学术界主要有2种方法：一种方法是基于部分CSI[14]或者甚至在没有任何CSI信息的情形下，设计高效的预编码方案;另一种方法是利用压缩感知的方法降低反馈开销[15]。