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

高宏亮 李長(zhǎng)鶴

摘要：本文首先闡述了5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，其次對(duì)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要研究，最后對(duì)5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以期能夠加快5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展步伐。

關(guān)鍵詞：5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò);物理層

無(wú)線通信技術(shù)是與當(dāng)前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)的，作為通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，隨著人們對(duì)通信安全性、高效性等提出了更高的要求，無(wú)線通信技術(shù)要緊跟時(shí)代發(fā)展潮流和趨勢(shì)，最大程度上實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日漸進(jìn)步，雖然在當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)并未全覆蓋，但是在相關(guān)領(lǐng)域方面迎來(lái)了嶄新的發(fā)展。物理層關(guān)鍵技術(shù)是影響無(wú)線通信效果的重要因素，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，物理層關(guān)鍵技術(shù)方面還存在著很多亟待解決的問(wèn)題，在未來(lái)必須要積極推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新與改革。

1 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在我國(guó)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，基本實(shí)現(xiàn)了全覆蓋，雖然其技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，但由于存在一定的技術(shù)限制，在4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，頻譜效率、用戶數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)流量等方面還尚存一定的發(fā)展空間，而這些方面的問(wèn)題也為5G無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了更多的可能性。5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)4G技術(shù)的限制，可以直接利用高頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，保持了通信信號(hào)的可靠性與穩(wěn)定性。5G無(wú)線通信技術(shù)主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.1 提升了頻譜資源的利用率

現(xiàn)階段的通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展條件下，全球范圍內(nèi)可直接利用的頻譜資源主要處于300MHz - 3GHz的區(qū)間內(nèi)，在當(dāng)前移動(dòng)用戶數(shù)量逐年增加的發(fā)展趨勢(shì)下，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中的頻譜資源過(guò)度集中問(wèn)題日漸突出，這一現(xiàn)象不僅影響了信息傳輸?shù)男?，也使得在信息傳輸過(guò)程中難以保持穩(wěn)定性，甚至?xí)嬖趪?yán)重的干擾，信息傳輸質(zhì)量有待解決[1]。而5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下，現(xiàn)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(chǔ)上得到了一定的擴(kuò)展，滿足了通信需求。

1.2 擴(kuò)展了系統(tǒng)的容量

信息時(shí)代到來(lái)以后，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的很多領(lǐng)域，對(duì)于通信技術(shù)的依賴性大大提升，技術(shù)的進(jìn)步也在一定程度上刺激了通信行業(yè)的變革。移動(dòng)用戶數(shù)量逐年遞增，如果依舊采用的是傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)，將難以滿足用戶的各種通信需求，通信效率低下，且質(zhì)量較差。因此，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的系統(tǒng)容量得到了有效的控制，通信系統(tǒng)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?shù)姆€(wěn)定性。

1.3 更加注重了用戶的體驗(yàn)

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中由于采用的是更為先進(jìn)的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也就可以在人們使用該系統(tǒng)的過(guò)程中，為人們帶來(lái)更好的體驗(yàn)，使得人們?cè)谏a(chǎn)生活的過(guò)程中，可以積極利用5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)開展各種的服務(wù)。

2 5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特殊性，使得利用此技術(shù)所構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高傳輸效率、高穩(wěn)定性和可靠性、低延時(shí)的特征，也就可以為用戶帶來(lái)更高的通信網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，用戶完全可以利用該通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種的信息傳遞。從5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)來(lái)看，其采用的是蜂窩結(jié)構(gòu)，在室內(nèi)環(huán)境中的應(yīng)用相對(duì)較多，為室外應(yīng)用相對(duì)較少，傳統(tǒng)的技術(shù)條件下，小區(qū)建筑中墻體結(jié)構(gòu)的存在，使得在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸過(guò)程中可能會(huì)存在一定的干擾，也就使得信號(hào)傳輸?shù)男省①|(zhì)量都會(huì)受到其影響。而5G無(wú)線通信技術(shù)的出現(xiàn)，在一定程度上可以克服這種技術(shù)限制，避免信號(hào)傳輸過(guò)程中的各種干擾，使得傳輸?shù)姆€(wěn)定性得以大大提升。此外，5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)也相對(duì)靈活，其接口數(shù)量相對(duì)較多，且接入方式也非常靈活，通過(guò)多跳方式的采用，可以使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋面有所擴(kuò)大，基站Mac層與用戶之間實(shí)現(xiàn)的連接效果更好。當(dāng)然，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)還具有極高的環(huán)境適應(yīng)性，在具體的應(yīng)用過(guò)程中，由于系統(tǒng)的兼容性相對(duì)較好，有關(guān)人員可以直接根據(jù)實(shí)際的需求來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)資源的合理調(diào)配和利用 [2]。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，轉(zhuǎn)發(fā)平面、控制平面與接入平面是其中的關(guān)鍵要素，其中，控制平面的存在可以對(duì)整體架構(gòu)中的無(wú)線資源實(shí)現(xiàn)集中管理與分配，接入平面可以保障多種無(wú)線設(shè)備接入基站的便捷性和高效性，轉(zhuǎn)發(fā)平面則使得數(shù)據(jù)得以有效傳輸。

3 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)

3.1 毫米波通信

通信技術(shù)在快速發(fā)展的過(guò)程中，也需要有足夠可利用頻譜資源的支持，根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀，商業(yè)無(wú)線通信工程中，其工作頻段多處于300MHz - 3GHz區(qū)間中，在這一工作頻段內(nèi)，頻段資源并未得到有效的利用，才能夠解決當(dāng)下通信工程領(lǐng)域頻譜資源有限的問(wèn)題。隨著我國(guó)逐步邁入了5G時(shí)代，在該時(shí)代下，毫米波通信技術(shù)尚處于論證階段，技術(shù)發(fā)展水平相對(duì)有限。根據(jù)當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，部分研究人員設(shè)計(jì)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(yīng)用時(shí)，可以在2km的距離保持一定的數(shù)據(jù)傳輸速率;部分研究人員在28GHz和38GHz頻段都開展了相應(yīng)的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)獲得了一些路徑損耗、建筑物穿透等指標(biāo)，在5G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程中，可以直接將這些結(jié)果作為5G通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的依據(jù)[3]。毫米波通信技術(shù)在當(dāng)前的發(fā)展條件下尚存在很多的發(fā)展問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下方面：

3.1.1 路徑損耗

在毫米波通信技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，如果發(fā)射功率存在較大的輻射擴(kuò)散，再加上信道傳播的特殊性，都將會(huì)造成嚴(yán)重的路徑損耗。路徑損耗問(wèn)題在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域非常常見，發(fā)射信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，常常會(huì)受到很多因素的干擾，再加上信號(hào)自身的特性，使得路徑損耗問(wèn)題不可避免。根據(jù)已有的自由空間路徑損耗模型，波長(zhǎng)與頻率都與自由空間傳播損耗存在著緊密的聯(lián)系，當(dāng)波長(zhǎng)減小或者頻率增大時(shí)，傳播損耗也相對(duì)較大，因此，在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，在特定的傳播空間內(nèi)，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(yán)重。為有效解決這一問(wèn)題，可以在高頻段利用大規(guī)模接收發(fā)射天線，來(lái)實(shí)現(xiàn)波束成形。

3.1.2 建筑物穿透損耗

建筑物墻體結(jié)構(gòu)比較特殊，使得在信號(hào)經(jīng)過(guò)建筑物的過(guò)程中可能會(huì)面臨一定的損耗，低頻段信號(hào)在建筑物中的穿透性更好，其信號(hào)損耗相對(duì)較小，而毫米波穿透時(shí)的損耗相對(duì)較大。如果在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中存在著非常大的穿透損耗，則會(huì)影響到信號(hào)的接收，信號(hào)失真現(xiàn)象將非常突出。如果要有效解決這一問(wèn)題，可以在室內(nèi)建立Wi-Fi節(jié)點(diǎn)，或者可以通過(guò)毫微微蜂窩的方式，來(lái)避免信號(hào)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(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中，同樣會(huì)受到雨衰因素的影響，這主要是由于毫米波在傳輸過(guò)程中的無(wú)線信號(hào)特殊性所造成的。由于雨衰的存在，使得信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中常常會(huì)受到無(wú)線系統(tǒng)傳播路徑長(zhǎng)度的限制，信號(hào)傳輸?shù)目煽啃噪y以保障。在雨量相對(duì)較大的情況下，毫米波通信信號(hào)傳輸時(shí)將會(huì)受到非常大的干擾，根據(jù)相關(guān)研究，雨滴大小一般會(huì)發(fā)生波長(zhǎng)相差無(wú)幾，發(fā)生散射的概率相對(duì)較高。事實(shí)上，在平均雨衰理論下，構(gòu)建相應(yīng)的雨衰預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而在該模型中分析降雨速率、結(jié)構(gòu)與大氣溫度之間的關(guān)系，也就可以有針對(duì)性的在無(wú)線通信中對(duì)雨衰加以有效控制[5]。

3.2大規(guī)模MIMO技術(shù)

3.2.1大規(guī)模MIMO技術(shù)簡(jiǎn)介

在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層中，大規(guī)模MIMO技術(shù)是核心技術(shù)，這一技術(shù)在應(yīng)用以后，可以使得通信系統(tǒng)的頻譜效率得以有效提升，且能夠維持高效、穩(wěn)定、安全的信號(hào)傳輸，是傳統(tǒng)技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在當(dāng)前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，大規(guī)模MIMO技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的推廣與應(yīng)用，其中，最為突出的就是3G、LTE技術(shù)的應(yīng)用。傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中，存在著很多的技術(shù)發(fā)展局限性，比如，硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性大大提升、信號(hào)處理的難度增加、能量消耗嚴(yán)重，就需要在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程中，來(lái)不斷擴(kuò)大其物理空間，使得系統(tǒng)本身有較大的物理空間來(lái)容納天線，也就會(huì)增大系統(tǒng)的建設(shè)和優(yōu)化成本。在2010年，部分研究人員提出了在基站側(cè)設(shè)置大規(guī)模天線的技術(shù)，這一理論也就是大規(guī)模MIMO技術(shù)的雛形。在大規(guī)模MIMO技術(shù)應(yīng)用以后，在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，基本上可以在不改變用戶終端設(shè)備的基礎(chǔ)上，就可以提升傳輸效率，只需要對(duì)原有基站加以改造，就可以滿足系統(tǒng)容量和頻譜效率的需求。

大規(guī)模MIMO技術(shù)具有以下的突出特征：

（1）傳統(tǒng)的技術(shù)下，如果要提升系統(tǒng)容量，一般會(huì)采用減小小區(qū)尺寸的方式，而在大規(guī)模MIMO技術(shù)下，可以直接通過(guò)基站改造，也就是增加基站天線的數(shù)量的方式，來(lái)保障系統(tǒng)容量，這一改造技術(shù)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單;

（2）在系統(tǒng)中對(duì)于相關(guān)元器件并沒有嚴(yán)格的性能標(biāo)準(zhǔn)，即使采用低價(jià)、低輸出功率的元器件，也可以使得系統(tǒng)的性能得以有效提升，當(dāng)天線數(shù)量滿足了特定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，所存在的噪聲干擾等對(duì)通信的影響也就微乎其微了。

3.2.2信道狀態(tài)信息的獲取

近年來(lái)，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展步伐加快，取得了矚目的成就，雖然解決了部分的傳統(tǒng)技術(shù)困境，但也衍生出來(lái)了一些新的問(wèn)題。5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的基站數(shù)量相對(duì)較多，要保障信息傳輸?shù)目煽啃耘c安全性、穩(wěn)定性，基站就必須在發(fā)展的過(guò)程中，能夠更為精準(zhǔn)地獲得信道的狀態(tài)信息。信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確獲取又稱為了新的難題，在當(dāng)前，人們更傾向于采用時(shí)分雙工系統(tǒng)來(lái)獲取信道狀態(tài)信息，在具體的應(yīng)用過(guò)程中，由于上行信道與下行信道之間存在著緊密的關(guān)系，在特定的時(shí)間范圍內(nèi)，信道狀態(tài)存在互易性，也就可以保障狀態(tài)信息獲得的準(zhǔn)確性。

在傳統(tǒng)的信道狀態(tài)信息獲取的過(guò)程中，主要采用的是頻分雙工系統(tǒng)，這一系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)，相關(guān)人員需利用終端用戶的信道估計(jì)來(lái)獲得相應(yīng)的反饋信息，而時(shí)分雙工系統(tǒng)則有所不同，在具體的應(yīng)用過(guò)程中，信道開銷相對(duì)較小，也不需要在信道狀態(tài)信息的獲取過(guò)程中構(gòu)建專門的反饋機(jī)制和系統(tǒng)，操作起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，基于互易性的時(shí)分雙工系統(tǒng)下，高速移動(dòng)場(chǎng)景下的通信很難實(shí)現(xiàn)，在上行訓(xùn)練的過(guò)程中，終端用戶需要及時(shí)向各自基站來(lái)發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，在此基礎(chǔ)上開展信道估計(jì)。但是，導(dǎo)頻信號(hào)比較特殊，其空間維數(shù)是非常有限的，這也就使得小區(qū)中的不同用戶可能會(huì)采用相同導(dǎo)頻來(lái)進(jìn)行信號(hào)發(fā)送，基站在接收到這些信息以后，無(wú)法進(jìn)行更為準(zhǔn)確地區(qū)分，導(dǎo)頻污染問(wèn)題難以避免。由于導(dǎo)頻污染現(xiàn)象產(chǎn)生的過(guò)程比較特殊，即使在當(dāng)前基站天線數(shù)量逐步增加的過(guò)程中，這一現(xiàn)象也不會(huì)消失。根據(jù)當(dāng)下的研究情況，導(dǎo)頻污染對(duì)于通信系統(tǒng)的性能影響非常大，可以采用干擾抵消法、預(yù)編碼、盲估計(jì)等方法來(lái)消除這一不利影響。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)額的下行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，信號(hào)干擾源主要為小區(qū)內(nèi)干擾、非相干干擾、區(qū)間干擾，如果要使得大規(guī)模MIMO技術(shù)得到最為良好的應(yīng)用效果，就需要有關(guān)人員在實(shí)際的工作過(guò)程中，通過(guò)這些干擾信號(hào)的類型與原因，采取更為有效的控制策略。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G時(shí)代到來(lái)以后，人們對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，在各類通信工程的實(shí)施過(guò)程中，加強(qiáng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義，相關(guān)部門在日常的工作中需要著力解決各種的技術(shù)難題，加快5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展步伐。

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作者簡(jiǎn)介

高宏亮（1983-），男，黑龍江省哈爾濱市人。碩士研究生學(xué)歷，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司黑龍江分公司，任咨詢?cè)O(shè)計(jì)總監(jiān)。研究方向?yàn)?G、SG無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

李長(zhǎng)鶴（1982-），男，黑龍江省哈爾濱市人。大學(xué)本科學(xué)歷，工學(xué)學(xué)士，工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司黑龍江分公司，任高級(jí)咨詢?cè)O(shè)計(jì)師。研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)4G/5G規(guī)劃方案、組網(wǎng)方案。