5G無線通信網絡物理層技術探討

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摘要：本文首先闡述了5g無線通信網絡信息技術的優勢，其次對5G無線網絡的架構進行了簡要研究，最后對5G無線通信網絡物理層的關鍵技術進行了詳細的分析，以期能夠加快5G無線通信網絡技術的發展步伐。

關鍵詞：5G無線通信網絡；物理層

無線通信技術是與當前的社會經濟發展息息相關的，作為通信領域的關鍵技術，隨著人們對通信安全性、高效性等提出了更高的要求，無線通信技術要緊跟時展潮流和趨勢，最大程度上實現技術創新。隨著5G時代的到來，5G無線通信網絡技術日漸進步，雖然在當前5G網絡并未全覆蓋，但是在相關領域方面迎來了嶄新的發展。物理層關鍵技術是影響無線通信效果的重要因素，在當前的技術條件下，物理層關鍵技術方面還存在著很多亟待解決的問題，在未來必須要積極推進技術創新與改革。

15G無線通信網絡信息技術的優勢

4G網絡技術在我國經歷了多年的發展，基本實現了全覆蓋，雖然其技術優勢明顯，但由于存在一定的技術限制，在4G網絡技術的應用過程中，頻譜效率、用戶數量和網絡流量等方面還尚存一定的發展空間，而這些方面的問題也為5G無線通信技術的發展帶來了更多的可能性。5G無線通信網絡技術的出現，改變了傳統4G技術的限制，可以直接利用高頻段來實現通信，保持了通信信號的可靠性與穩定性。5G無線通信技術主要具有以下優勢：

1.1提升了頻譜資源的利用率

現階段的通信網絡發展條件下，全球范圍內可直接利用的頻譜資源主要處于300MHz～3GHz的區間內，在當前移動用戶數量逐年增加的發展趨勢下，無線通信網絡發展中的頻譜資源過度集中問題日漸突出，這一現象不僅影響了信息傳輸的效率，也使得在信息傳輸過程中難以保持穩定性，甚至會存在嚴重的干擾，信息傳輸質量有待解決[1]。而5G無線通信網絡技術下，現有的頻譜資源得到了更為有效的利用與分配，頻譜段在原有基礎上得到了一定的擴展，滿足了通信需求。

1.2擴展了系統的容量

信息時代到來以后，在社會經濟生活的很多領域，對于通信技術的依賴性大大提升，技術的進步也在一定程度上刺激了通信行業的變革。移動用戶數量逐年遞增，如果依舊采用的是傳統的4G網絡，將難以滿足用戶的各種通信需求，通信效率低下，且質量較差。因此，5G無線通信網絡技術下的系統容量得到了有效的控制，通信系統完全可以滿足各類信息的傳輸需求，即使是音頻、視頻等大文件，依舊可以保持傳輸的穩定性。

1.3更加注重了用戶的體驗

5G無線通信網絡中由于采用的是更為先進的通信和網絡技術，也就可以在人們使用該系統的過程中，為人們帶來更好的體驗，使得人們在生產生活的過程中，可以積極利用5G移動通信網絡來開展各種的服務。

25G無線網絡的架構

5G無線通信網絡技術的特殊性，使得利用此技術所構建的通信網絡系統具有高傳輸效率、高穩定性和可靠性、低延時的特，也就可以為用戶帶來更高的通信網絡體驗，用戶完全可以利用該通信網絡系統來實現各種的信息傳遞。從5G無線網絡的總體架構來看，其采用的是蜂窩結構，在室內環境中的應用相對較多，為室外應用相對較少，傳統的技術條件下，小區建筑中墻體結構的存在，使得在無線網絡信號的傳輸過程中可能會存在一定的干擾，也就使得信號傳輸的效率、質量都會受到其影響。而5G無線通信技術的出現，在一定程度上可以克服這種技術限制，避免信號傳輸過程中的各種干擾，使得傳輸的穩定性得以大大提升。此外，5G無線網絡的總體架構也相對靈活，其接口數量相對較多，且接入方式也非常靈活，通過多跳方式的采用，可以使得網絡覆蓋面有所擴大，基站Mac層與用戶之間實現的連接效果更好。當然，5G無線通信網絡還具有極高的環境適應性，在具體的應用過程中，由于系統的兼容性相對較好，有關人員可以直接根據實際的需求來進行系統內資源的合理調配和利用[2]。網絡架構中，轉發平面、控制平面與接入平面是其中的關鍵要素，其中，控制平面的存在可以對整體架構中的無線資源實現集中管理與分配，接入平面可以保障多種無線設備接入基站的便捷性和高效性，轉發平面則使得數據得以有效傳輸。

35G無線通信網絡物理層關鍵技術

3.1毫米波通信

通信技術在快速發展的過程中，也需要有足夠可利用頻譜資源的支持，根據當前的發展現狀，商業無線通信工程中，其工作頻段多處于300MHz～3GHz區間中，在這一工作頻段內，頻段資源并未得到有效的利用，才能夠解決當下通信工程領域頻譜資源有限的問題。隨著我國逐步邁入了5G時代，在該時代下，毫米波通信技術尚處于論證階段，技術發展水平相對有限。根據當前的研究現狀，部分研究人員設計出了一種能夠在毫米波頻段工作的波束成形天線，這一天線在應用時，可以在2km的距離保持一定的數據傳輸速率；部分研究人員在28GHz和38GHz頻段都開展了相應的試驗，根據試驗獲得了一些路徑損耗、建筑物穿透等指標，在5G通信網絡系統的建設過程中，可以直接將這些結果作為5G通信網絡設計的依據[3]。毫米波通信技術在當前的發展條件下尚存在很多的發展問題，主要表現在以下方面：

3.1.1路徑損耗在毫米波通信技術的應用過程中，如果發射功率存在較大的輻射擴散，再加上信道傳播的特殊性，都將會造成嚴重的路徑損耗。路徑損耗問題在無線通信網絡領域非常常見，發射信號在傳輸的過程中，常常會受到很多因素的干擾，再加上信號自身的特性，使得路徑損耗問題不可避免。根據已有的自由空間路徑損耗模型，波長與頻率都與自由空間傳播損耗存在著緊密的聯系，當波長減小或者頻率增大時，傳播損耗也相對較大，因此，在無線通信網絡領域，在特定的傳播空間內，損耗是與頻率正向變化的[4]。同300MHz～3GHz頻段相比，毫米波頻段的自由空間傳播損耗更為嚴重。為有效解決這一問題，可以在高頻段利用大規模接收發射天線，來實現波束成形。

3.1.2建筑物穿透損耗建筑物墻體結構比較特殊，使得在信號經過建筑物的過程中可能會面臨一定的損耗，低頻段信號在建筑物中的穿透性更好，其信號損耗相對較小，而毫米波穿透時的損耗相對較大。如果在信號傳輸的過程中存在著非常大的穿透損耗，則會影響到信號的接收，信號失真現象將非常突出。如果要有效解決這一問題，可以在室內建立Wi-Fi節點，或者可以通過毫微微蜂窩的方式，來避免信號傳輸中建筑物的穿透損耗，最大程度上保障傳輸效率。

3.1.3雨衰毫米波通信技術在應用的過程中，同樣會受到雨衰因素的影響，這主要是由于毫米波在傳輸過程中的無線信號特殊性所造成的。由于雨衰的存在，使得信號在傳輸的過程中常常會受到無線系統傳播路徑長度的限制，信號傳輸的可靠性難以保障。在雨量相對較大的情況下，毫米波通信信號傳輸時將會受到非常大的干擾，根據相關研究，雨滴大小一般會發生波長相差無幾，發生散射的概率相對較高。事實上，在平均雨衰理論下，構建相應的雨衰預測模型，進而在該模型中分析降雨速率、結構與大氣溫度之間的關系，也就可以有針對性的在無線通信中對雨衰加以有效控制[5]。

3.2大規模MIMO技術

3.2.1大規模MIMO技術簡介在無線通信網絡物理層中，大規模MIMO技術是核心技術，這一技術在應用以后，可以使得通信系統的頻譜效率得以有效提升，且能夠維持高效、穩定、安全的信號傳輸，是傳統技術所無法實現的。在當前的移動通信網絡系統中，大規模MIMO技術已經得到了廣泛的推廣與應用，其中，最為突出的就是3G、LTE技術的應用。傳統的MIMO技術在發展過程中，存在著很多的技術發展局限性，比如，硬件系統的復雜性大大提升、信號處理的難度增加、能量消耗嚴重，就需要在無線通信網絡的發展過程中，來不斷擴大其物理空間，使得系統本身有較大的物理空間來容納天線，也就會增大系統的建設和優化成本。在2010年，部分研究人員提出了在基站側設置大規模天線的技術，這一理論也就是大規模MIMO技術的雛形。在大規模MIMO技術應用以后，在無線通信網絡領域，基本上可以在不改變用戶終端設備的基礎上，就可以提升傳輸效率，只需要對原有基站加以改造，就可以滿足系統容量和頻譜效率的需求。大規模MIMO技術具有以下的突出特征：（1）傳統的技術下，如果要提升系統容量，一般會采用減小小區尺寸的方式，而在大規模MIMO技術下，可以直接通過基站改造，也就是增加基站天線的數量的方式，來保障系統容量，這一改造技術的實現相對簡單；（2）在系統中對于相關元器件并沒有嚴格的性能標準，即使采用低價、低輸出功率的元器件，也可以使得系統的性能得以有效提升，當天線數量滿足了特定標準時，所存在的噪聲干擾等對通信的影響也就微乎其微了。

3.2.2信道狀態信息的獲取近年來，5G無線通信網絡技術的發展步伐加快，取得了矚目的成就，雖然解決了部分的傳統技術困境，但也衍生出來了一些新的問題。5G無線通信網絡中的基站數量相對較多，要保障信息傳輸的可靠性與安全性、穩定性，基站就必須在發展的過程中，能夠更為精準地獲得信道的狀態信息。信道狀態信息的準確獲取又稱為了新的難題，在當前，人們更傾向于采用時分雙工系統來獲取信道狀態信息，在具體的應用過程中，由于上行信道與下行信道之間存在著緊密的關系，在特定的時間范圍內，信道狀態存在互易性，也就可以保障狀態信息獲得的準確性。在傳統的信道狀態信息獲取的過程中，主要采用的是頻分雙工系統，這一系統在應用時，相關人員需利用終端用戶的信道估計來獲得相應的反饋信息，而時分雙工系統則有所不同，在具體的應用過程中，信道開銷相對較小，也不需要在信道狀態信息的獲取過程中構建專門的反饋機制和系統，操作起來相對簡單。但是，基于互易性的時分雙工系統下，高速移動場景下的通信很難實現，在上行訓練的過程中，終端用戶需要及時向各自基站來發送導頻信號，在此基礎上開展信道估計。但是，導頻信號比較特殊，其空間維數是非常有限的，這也就使得小區中的不同用戶可能會采用相同導頻來進行信號發送，基站在接收到這些信息以后，無法進行更為準確地區分，導頻污染問題難以避免。由于導頻污染現象產生的過程比較特殊，即使在當前基站天線數量逐步增加的過程中，這一現象也不會消失。根據當下的研究情況，導頻污染對于通信系統的性能影響非常大，可以采用干擾抵消法、預編碼、盲估計等方法來消除這一不利影響。大規模MIMO系統額的下行數據傳輸過程中，信號干擾源主要為小區內干擾、非相干干擾、區間干擾，如果要使得大規模MIMO技術得到最為良好的應用效果，就需要有關人員在實際的工作過程中，通過這些干擾信號的類型與原因，采取更為有效的控制策略。

4結束語

5G時代到來以后，人們對無線通信網絡提出了更高的要求，在各類通信工程的實施過程中，加強無線通信網絡物理層關鍵技術的研究與應用具有現實意義，相關部門在日常的工作中需要著力解決各種的技術難題，加快5G無線通信網絡技術的發展步伐。

參考文獻

[1]朱好楠.5G無線通信網絡物理層關鍵技術分析[J].中國新通信,2020,22(03):31.

[2]陳先.試論5G無線通信網絡物理層關鍵技術[J].數字技術與應用,2020,355(01):25-26.

[3]陳龍章.5G無線通信網絡物理層關鍵技術研究[J].科學大眾,2019,000(001):15.

[4]楊威.5G無線通信網絡物理層關鍵技術分析[J].數字化用戶,2019,025(006):8.

[5]黃榮列,張冠浩,薛澤斌.探討5G無線通信網絡物理層關鍵技術要點[J].大科技,2019,000(008):201-202.

作者：高宏亮 李長鶴 單位：中國移動通信集團設計院有限公司黑龍江分公司