5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)

李瑩

【摘 要】21世紀(jì)是信息化技術(shù)時(shí)代，是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，是大數(shù)據(jù)時(shí)代，在這個(gè)時(shí)代當(dāng)中，信息化技術(shù)不僅為我們的生活帶來(lái)了極大的便利，而且任何行業(yè)的發(fā)展都離不開(kāi)信息化技術(shù)。無(wú)線通信技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要因素，要想信息傳播的很快，信息傳播的質(zhì)量更好，必須對(duì)無(wú)線通信技術(shù)不斷創(chuàng)新。我們經(jīng)常會(huì)說(shuō)到5G時(shí)代即將帶來(lái)，因?yàn)槲覀兘?jīng)歷了從2G，3G到4G的變化，5G無(wú)線通信的到來(lái)將會(huì)給人們的生活和社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)極大的改變，本文將主要闡述5G通信網(wǎng)路的特點(diǎn)，以及探討一些5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】5G；無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)；物理層；關(guān)鍵技術(shù)

目前我國(guó)的無(wú)線通信網(wǎng)路正處于4G階段，無(wú)線通信網(wǎng)路技術(shù)經(jīng)歷了從2G到3G再到4G的跨越性轉(zhuǎn)變，2G移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)研發(fā)于1991年，從而我國(guó)無(wú)線通信技術(shù)開(kāi)始了新的篇章，3G移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)在2001年被研發(fā)，3G通信技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和使用使得無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了從一個(gè)單純的無(wú)線通信技術(shù)系統(tǒng)到能夠傳輸大量信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，4G無(wú)線通信技術(shù)相比于2G與3G在傳播速度，傳播質(zhì)量，以及傳播范圍等方面都有了跨越式的進(jìn)步，并且目前也在廣泛應(yīng)用當(dāng)中。人類對(duì)信息的需求量越來(lái)越高，因此5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)即將帶來(lái)，5無(wú)線通信網(wǎng)路正處于探索和研究的階段，下面將主要闡述5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層的關(guān)鍵技術(shù)。

一、5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和主要特點(diǎn)

雖然目前5G無(wú)線通信網(wǎng)路處于探索和研發(fā)狀態(tài)，但是它將會(huì)近一兩年應(yīng)用于實(shí)際生活中，5G無(wú)線通信網(wǎng)路的研究和探索不僅僅是我國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的主要研究方向，而且也是世界移動(dòng)通信網(wǎng)路的研究熱點(diǎn)。在2012年，歐盟開(kāi)始了5G的研究和探索，并且確立了“5G，NOW”的研究課題，而我國(guó)緊隨其后，在2013年開(kāi)始了對(duì)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的研究，不僅啟動(dòng)了“563”研究計(jì)劃，而且也成立了專業(yè)的研究小組。隨著我國(guó)科技水平的提高，5G研究計(jì)劃取得了快速的進(jìn)展，目前已經(jīng)形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而且將計(jì)劃在2020年統(tǒng)一實(shí)施和應(yīng)用。5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的成功實(shí)施不僅可以解決4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，有效的改善目前我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)狀況，而且可以更高程度的滿足社會(huì)發(fā)展和人們生活的需求。

未來(lái)5G移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，它的主要主要特點(diǎn)表現(xiàn)在利用更高的頻譜資源，更大的系統(tǒng)容量，更好的用戶體驗(yàn)，更低的能量耗損。目前全球移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用的頻譜資源在300MHZ到3GMHZ，為了解決頻譜資源短缺這一問(wèn)題，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)利用的頻譜資源更高，主要應(yīng)用于3GMZ到300GMHZ。隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本普及到了千家萬(wàn)戶，為了滿足更多人們的需要以及人們更高的需求，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)擴(kuò)大系統(tǒng)容量，更好的適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率的要求也越來(lái)越高，因此穩(wěn)定的，高速的，安全的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將是5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)必備的，從而給用戶更好的體驗(yàn)。目前我國(guó)正在大力提倡節(jié)能控制，而5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具備低能耗的特點(diǎn)，由此可見(jiàn)在不久的將來(lái)5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)被廣泛應(yīng)用到實(shí)際生活中。

二、5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的物理層關(guān)鍵技術(shù)

1、毫米波通信技術(shù)

可利用的頻譜資源是無(wú)線通信網(wǎng)路發(fā)展的前提，目前存在的主要問(wèn)題就是頻譜資源短缺，為了使得無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得跨越式的發(fā)展必須開(kāi)發(fā)利用更高頻率的頻譜資源。5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)利用的頻譜資源更高，主要應(yīng)用于3GMZ到300GMHZ。毫米波通信技術(shù)的主要特點(diǎn)就是提高3GMZ到300GMHZ這一階段的利用率，從而使得5G移動(dòng)通信網(wǎng)路具備高速率，高容量的優(yōu)點(diǎn)，但是研發(fā)毫米波通信技術(shù)的道路也是非常困難的，在研發(fā)過(guò)程中會(huì)遇到許許多多需要解決的問(wèn)題，比如路徑損耗、建筑物穿透損耗、雨衰等等。

（1）、路徑損耗

路徑損耗問(wèn)題是無(wú)線通信經(jīng)常遇到的問(wèn)題，由于發(fā)射功率的特點(diǎn)以及傳播的特性造成了路徑損耗的必然性。發(fā)射信號(hào)很容易在傳輸過(guò)程中收到其他信號(hào)或者噪音等因素的干擾，另外發(fā)射信號(hào)也存在導(dǎo)致能耗的因素，根據(jù)自由空間路徑損耗模型的公式我們可以知道，能耗的高低主要受頻率的影響，頻率越高，能耗越大。5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)在的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相比，它利用的是更高的頻譜資源，所以它有更高的自由空間能耗，所以降低5G的能耗是研究的重點(diǎn)。為了解決這一問(wèn)題，采用的主要方式是在高頻段運(yùn)用大規(guī)模發(fā)射天線，從而將能量集中到很小的區(qū)域，有效的降低自由空間的能耗。

（2）、建筑物穿透損耗

無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)穿過(guò)許多不同的建筑物，在這個(gè)過(guò)程中信號(hào)會(huì)有一定的損耗。傳統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)路技術(shù)是低頻段信號(hào)，它在穿過(guò)建筑物的過(guò)程中能耗比較低，而5G移動(dòng)通信網(wǎng)路的毫米波在穿透過(guò)程中的能耗很高，如果在建筑物穿透過(guò)程中的能耗非常高，那么將會(huì)導(dǎo)致無(wú)線移動(dòng)信號(hào)將無(wú)法被室內(nèi)的人接受到，或者接受到的信號(hào)非常的弱，而解決這一問(wèn)題的主要方法是在室內(nèi)建立WIFI節(jié)點(diǎn)或者毫微微蜂窩。

（3）雨衰

顧名思義，雨衰的就是雨水會(huì)影響無(wú)線信號(hào)的傳播，雨衰是毫米波通訊必須考慮的問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)降低無(wú)線系統(tǒng)的穩(wěn)定性，影響無(wú)線信號(hào)的傳播路徑的長(zhǎng)度等等當(dāng)降雨量比較大時(shí)，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)產(chǎn)生的影響最大，因?yàn)檫@時(shí)候雨滴的大小和發(fā)射波長(zhǎng)基本相同，很容易發(fā)生散射。

2、大規(guī)模MIMO技術(shù)

1、大規(guī)模MIMO技術(shù)的概念

MIMO技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，它不僅可以提高系統(tǒng)的頻譜效率，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，而且可以提高無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，增加系統(tǒng)的覆蓋范圍，從而滿足人們更高的需求。但是，它也有許多不足，比如傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)提高了硬件的復(fù)雜程度，增加了信號(hào)處理的難度等等。目前大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)已經(jīng)不能滿足社會(huì)生產(chǎn)和人們生活的需要，因此對(duì)MIMO技術(shù)進(jìn)行改革和創(chuàng)新是必然的趨勢(shì)。在2010年形成了大規(guī)模MIMO技術(shù)理論，大規(guī)模MIMO技術(shù)在很大程度上解決了傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的不足，比如它可以采取減小小區(qū)尺寸的方式來(lái)提高系統(tǒng)的容量；無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以采用廉價(jià)的器件構(gòu)建，很大程度的降低了研發(fā)的成本；當(dāng)天線的數(shù)量足夠多時(shí)，可以不受噪音或者其他因素的干擾等等。

2、信道狀態(tài)信息的獲取

大規(guī)模MIMO技術(shù)的研發(fā)雖然很大程度的加快了5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，由于大規(guī)模MIMO技術(shù)需要更多的天線，當(dāng)天線數(shù)目增多時(shí)，基站就需要獲取精確的信道狀態(tài)信息，這樣獲取精確的信道狀態(tài)信息才能保證整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，但是目前如何獲取準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，在解決這個(gè)問(wèn)題的過(guò)程中采用的方法主要是利用時(shí)分雙工系統(tǒng)。時(shí)分雙工系統(tǒng)主要是利用上行道和下行道在相關(guān)時(shí)間內(nèi)的信道狀態(tài)的互易性原理來(lái)獲取期望CSI。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中經(jīng)常會(huì)受到不同因素的影響，比如小區(qū)內(nèi)干擾，非相干干擾以及有導(dǎo)頻引起的區(qū)間干擾等等。另外，由于在應(yīng)用大規(guī)模MIMO技術(shù)的過(guò)程中會(huì)用到許多的天線，由于天線數(shù)目的增多，會(huì)給系統(tǒng)處理，外觀建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面帶來(lái)不同程度的困難。天線的尺寸和配置方式主要受系統(tǒng)運(yùn)行頻率的影響，所以5G移動(dòng)通信系統(tǒng)將采用全新的天線型態(tài)設(shè)計(jì)，使得大規(guī)模MIMO在高頻段的利用成為未來(lái)主要的研究方向。

綜上所述，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，它的實(shí)施應(yīng)用不僅會(huì)為人們的生活帶來(lái)更大的便利，而且為國(guó)家的發(fā)展提供源源不斷的動(dòng)力，并且它將會(huì)成為信息技術(shù)時(shí)代一個(gè)新的階段。

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（作者單位：中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣西有限公司南寧分公司）