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

崔曉慶 張憲永 王秀明

【摘 ?要】隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及移動(dòng)設(shè)備用戶的不斷增加，無線通信網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。作為現(xiàn)階段的全新無線通信手段，5G無線通信構(gòu)成了無線通信領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)。然而，實(shí)質(zhì)上，5G通信網(wǎng)絡(luò)包含較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部構(gòu)成，尤其是其中的網(wǎng)絡(luò)物理層需要依賴多種5G關(guān)鍵技術(shù)才能得以建成。對于健全5G通信網(wǎng)絡(luò)而言，全面保障無線網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)效的著眼點(diǎn)就在于改進(jìn)物理層性能，據(jù)此達(dá)到提升整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效能的宗旨。本文就對5G無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，可供參考。

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

一、5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的簡介

5G是第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的簡稱。按照理論峰值，其傳輸速度可達(dá)10GB/s，比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快數(shù)百倍。換言之，一部大小為1G的電影可在8s內(nèi)下載完成。5G的主要目標(biāo)是讓終端用戶始終處于一個(gè)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，所支持的設(shè)備不止手機(jī)，還有其他智能產(chǎn)品。

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

（一）毫米波通信技術(shù)

任何無線通信網(wǎng)絡(luò)在發(fā)展的過程中，都需要依賴頻譜資源，頻譜資源的利用率直接影響著無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速率，現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用的過程中，頻譜資源較為集中，而這有限的頻譜資源在應(yīng)用的過程中，必然會(huì)存在一定的漏洞和缺陷，影響無線通信的質(zhì)量，所以在5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的物理層研究過程中，必須要提高頻譜資源的利用率，解決頻譜資源短缺問題。毫米波通信技術(shù)是一種典型的傳輸方式，主要是利用毫米波的方式進(jìn)行通信，在具體應(yīng)用過程中，具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，如：對煙霧具有極強(qiáng)的穿透力、信號傳輸質(zhì)量相對較高、信號傳輸?shù)谋Ｃ苄员容^高。就目前而言，幾乎所有的無線通信頻段都集中在300MHz-3GHz，而對該頻段之外的3-300GHz毫米波頻段的利用率相對較低。5G通信技術(shù)就是打破了傳統(tǒng)的無線通信頻段，著力對毫米波頻段進(jìn)行有效的開發(fā)和利用，有效提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量和傳輸效率，以滿足當(dāng)今社會(huì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求。

（二）大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提高系統(tǒng)的頻譜效率、增加信號的覆蓋范圍，提高信號的傳輸質(zhì)量，以及解決熱點(diǎn)地區(qū)的高容量問題，對無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是至關(guān)重要的，當(dāng)前該技術(shù)在無線通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中，已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用，但是5G無線通信網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建的過程中，對于信號的要求會(huì)更高，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)已經(jīng)無法滿足其要求，在這種情況下，就必須要加強(qiáng)大規(guī)模MIMO技術(shù)的研究，通過對基站的改造，有效提高系統(tǒng)的容量和頻譜效率。該技術(shù)在應(yīng)用的過程中，只需要增加基站的天線數(shù)目，就能夠增加系統(tǒng)容量，改造的過程十分便利;而且，系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中成本比較低，輸出功率卻比較大，能夠降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本;最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，天線數(shù)量增大，能在一定程度上解決噪聲和干擾問題，所以該技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提高信號的傳輸速率和質(zhì)量。

（三）綠色通信技術(shù)

綠色通信技術(shù)主要用于降低信息傳輸過程中的能量消耗。從現(xiàn)有技術(shù)水平來說，這是目前無線通信業(yè)發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。雖說目前無線通信所消耗的能源僅占所有產(chǎn)業(yè)總能耗的3%，但是這個(gè)數(shù)值每年以15%～20%的速度增長。4G通信方式的普及已使通信技術(shù)的能耗大幅度增加，一旦5G通信系統(tǒng)普及，將面臨更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，研究綠色通信技術(shù)有非常重要的意義。目前，針對這方面的研究主要以提高能源的利用效率為目的，但降低了通信系統(tǒng)的頻譜效率。如何根據(jù)實(shí)際情況權(quán)衡兩者，成為當(dāng)前必須面對的一個(gè)問題。

（四）雙公開技術(shù)

通常意義上的雙公開技術(shù)指信息能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)傳輸和同頻率傳輸?，F(xiàn)有的通信系統(tǒng)在信息傳輸過程中會(huì)受到信號干擾，而全公開技術(shù)能有效提高頻率的利用率，實(shí)現(xiàn)多頻率的信息傳輸，克服了一個(gè)通信系統(tǒng)不能同頻率和雙向傳輸?shù)募夹g(shù)難題。這是當(dāng)下人們熱衷于研究雙公開技術(shù)的原因。對5G通信系統(tǒng)而言，應(yīng)用雙公開技術(shù)能夠有效利用無線頻譜資源。具體來說，通過抵消干擾信號的模擬端，抵消已知干擾端數(shù)字信號的干擾，解決傳輸過程中系統(tǒng)的干擾問題。

三、5G應(yīng)用場景分析

5G無線通信網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，不僅要滿足移動(dòng)終端用戶對語音、視頻、圖片等多項(xiàng)業(yè)務(wù)的需求，并且5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有效增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)范圍、業(yè)務(wù)能力。未來的世界是5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的世界，是一個(gè)多網(wǎng)絡(luò)的融合，構(gòu)成了一個(gè)涉及人們交通、工作、休閑、居住等各個(gè)場景在內(nèi)的、巨大的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。并且5G異構(gòu)網(wǎng)（如圖1所示）絡(luò)將突破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號傳輸質(zhì)量和傳輸效率，尤其是在高密住宅區(qū)、辦公室、、露天集會(huì)、體育場擁擠的交通、地鐵、高速公路等特殊的場景下，5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)顯示了巨大的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，5G無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在人們?nèi)粘５纳?、工作、休閑娛樂中得到了廣泛的應(yīng)用，并且具有顯著的優(yōu)勢，集中表現(xiàn)在：第一是增加了信道的帶寬，充分利用了新興的信息技術(shù)，如：毫米波通信技術(shù)、無線電認(rèn)知技術(shù)等，獲得了更多的頻譜資源，提高了網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的容量;第二是充分利用了大規(guī)模的MIMO信息技術(shù)、空間調(diào)制技術(shù)等，有效增加了信道的子信道數(shù)目;第三是增加了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，有效消除了信息傳輸過程中的干擾因素，提高了信息傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量。

四、結(jié)語

總之，網(wǎng)絡(luò)物理層構(gòu)成了5G無線網(wǎng)絡(luò)的核心，物理層的基本性能也直接關(guān)系到整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前我國5G通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)步伐也在逐步加快，計(jì)劃在2020年后進(jìn)行5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，5G通信網(wǎng)絡(luò)能夠使得信息傳輸進(jìn)一步加快，滿足更多用戶更高的通信要求，提升用戶體驗(yàn)，但是，在建設(shè)過程中我們還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，加強(qiáng)對毫米波通信、大規(guī)模MIMO技術(shù)等的研究探討，加速推動(dòng)我國5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)。

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作者簡介：

崔曉慶（1978.11-），男，山東省濟(jì)南市人，山東大學(xué)畢業(yè)，本科，研究方向：通訊傳輸與無線技術(shù)。

（作者單位：山東省郵電工程有限公司）