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

揭英俊，柏 松

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

21世紀(jì)以來，無線通信技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的革新。2001年3G技術(shù)問世，使無線通信技術(shù)逐步向多媒體科技方向發(fā)展。4G技術(shù)的出現(xiàn)給人們帶來了不一樣的體驗(yàn)，相較于3G技術(shù)而言，大大提升了無線通信的速率、性能等。雖然現(xiàn)階段我國(guó)5G技術(shù)仍處于逐步實(shí)驗(yàn)與推廣過程，但5G技術(shù)有著廣闊的發(fā)展空間，同時(shí)會(huì)給人們帶來不一樣的科技體驗(yàn)。所以，通過對(duì)5G無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的意義、5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的蜂窩結(jié)構(gòu)、5G無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)以及5G無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景等內(nèi)容的分析，希望能為5G技術(shù)的未來發(fā)展提供合理建議，推動(dòng)5G技術(shù)得到切實(shí)推廣與應(yīng)用[1]。

1 5G無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的意義

1.1 提升了頻譜資源的利用率

通過分析4G技術(shù)中的頻譜資源利用率可知，無線通信網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源相對(duì)集中，在一定程度上不但會(huì)影響通信信息的傳遞速率，也會(huì)對(duì)信息傳播的效率與質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。相較于4G無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，5G通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜資源的合理分配，提升了信息的傳遞速率。

1.2 擴(kuò)展了系統(tǒng)的容量

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，人們已走入信息化社會(huì)。相關(guān)科學(xué)統(tǒng)計(jì)表明，現(xiàn)階段全球通信數(shù)據(jù)使用的增長(zhǎng)量處于較高水平。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)通信過程中的信息傳輸質(zhì)量與速度要求越來越高，人們的使用量不斷提升，而4G技術(shù)已無法滿足人們現(xiàn)階段的需求，5G技術(shù)的應(yīng)用成為必然趨勢(shì)。5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以在確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性的基礎(chǔ)上，提升傳輸質(zhì)量與速度。

1.3 更加注重用戶的體驗(yàn)

無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展一定程度上給人們的生活帶來了極大便利，同時(shí)也改變著人們的生活方式。從通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與人們的需求出發(fā)，5G技術(shù)需要在保證技術(shù)先進(jìn)的同時(shí)不斷提升用戶體驗(yàn)。5G無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物理層等方面已取得了突破性進(jìn)展，能夠在保證質(zhì)量與速度的同時(shí)，極大地提升用戶的滿足感[2]。

2 5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的蜂窩結(jié)構(gòu)

蜂窩結(jié)構(gòu)是5G系統(tǒng)中的重要組成部分?，F(xiàn)階段，約90%的無線用戶在室內(nèi)使用網(wǎng)絡(luò)，在室外使用的用戶僅占10%左右。而小區(qū)的建設(shè)情況對(duì)室外基站在小區(qū)中的信號(hào)強(qiáng)弱有很大的影響。建筑物的墻體結(jié)構(gòu)會(huì)大大降低信息的傳輸速率與傳輸質(zhì)量，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l譜效率，最終降低無線傳輸?shù)哪芰?。針?duì)這一問題，5G蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，可以大大降低信息傳輸過程中的能量損耗。

對(duì)于無線通信網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)蜂窩結(jié)構(gòu)而言，只有針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)提出針對(duì)性的解決策略，并加強(qiáng)落實(shí)和實(shí)施，才能有效保證5G資源的充分利用。根據(jù)香農(nóng)理論，系統(tǒng)總?cè)萘繛椋?/p>

式中，Bi是第i個(gè)信道帶寬，Pi是第i個(gè)信道的信號(hào)功率，Np表示噪聲功率。

傳輸基站中的天線陣列需要在DAS系統(tǒng)和MIMO技術(shù)的共同輔助下才能實(shí)現(xiàn)其功能。現(xiàn)階段使用的MIMO系統(tǒng)多是利用2～4根天線，而大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)則需要通過使用大量的天線陣列來提升容量。室外基站需要依賴大型的天線陣列，通過光纖鏈接至BS、DAS和MIMO系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，室外移動(dòng)用戶的天線元件的數(shù)量受到了一定限制，通過相互配合而形成的虛擬大型陣列的天線與BS天線陣列的構(gòu)建，最終可以使MIMO鏈路正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，在實(shí)際安裝過程中，在室外安裝分布式天線陣列十分重要。該陣列通過電纜與無線接入點(diǎn)之間的連接實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外信息的互通。但是，在實(shí)際使用過程中，設(shè)備成本較高，導(dǎo)致短期內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的成本提升。若從中長(zhǎng)期來看，小區(qū)信息的吞吐量、頻譜效率、小區(qū)內(nèi)系統(tǒng)的通信速率都會(huì)大幅度提高。5G異構(gòu)蜂窩體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 5G異構(gòu)蜂窩體系結(jié)構(gòu)圖

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

無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展需要大量技術(shù)的支持，5G無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的使用也是網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著人們生活水平的不斷提升，人們對(duì)通信速率與質(zhì)量有了更高的標(biāo)準(zhǔn)與需求，在一定程度上推動(dòng)了無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展[3]。因此，將對(duì)5G無線通信網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際發(fā)展過程中需要的物理層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，架構(gòu)見圖2。

圖2 5G無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層架構(gòu)圖

3.1 毫米波通信

無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在實(shí)際發(fā)展中需要依賴大量的頻譜資源。現(xiàn)階段運(yùn)營(yíng)商的無線通信頻率多處在300 MHz～3 GHz，同時(shí)毫米波頻段的效率相對(duì)較差。高效使用頻譜資源在一定程度上可緩解頻譜資源稀缺的狀況，同時(shí)可以提升無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度。

3.1.1 路 徑

在信號(hào)發(fā)射過程中，輻射會(huì)導(dǎo)致信號(hào)分散，降低信號(hào)傳輸質(zhì)量。此類問題屬于信號(hào)傳輸過程中十分常見的問題。發(fā)射信號(hào)在無線信道中傳播時(shí)，極易受到外界環(huán)境的影響出現(xiàn)信號(hào)紊亂的情況。自由空間路徑的損耗可以表示為：

其中：d表示波長(zhǎng)范圍，單位為km；f為頻率，單位為MHz。

可以看出，在一定的傳播長(zhǎng)度內(nèi)，信號(hào)的傳輸頻率和傳輸路徑的損耗成正比。與300 MHz～3 GHz的頻段相較而言，毫米波頻段的允許消耗范圍更寬，所接收的信號(hào)可在高頻段內(nèi)產(chǎn)生波束，進(jìn)而將能量限制于一定范圍而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)能，降低能量損耗。

3.1.2 建筑物

無線通信網(wǎng)絡(luò)在信號(hào)實(shí)際傳輸過程中需要穿過建筑物，而在穿透建筑物的過程中會(huì)損耗一定的能量。低頻段的信號(hào)在穿透過程中能量損耗較小，而毫米波在實(shí)際穿透過程中能量損耗相對(duì)較大，同時(shí)傳輸路程短。

3.2 MIMO技術(shù)概念

MIMO技術(shù)在信號(hào)交換傳輸?shù)倪^程中可以有效提升傳輸信號(hào)質(zhì)量、信號(hào)強(qiáng)度，降低能量損耗，現(xiàn)階段已被廣泛應(yīng)用于諸多移動(dòng)通信技術(shù)中，如4G、WiFi。

大規(guī)模MIMO基本模型如圖3所示。大規(guī)模使用MIMO技術(shù)，可以在很大程度上縮短小區(qū)的尺寸，提升系統(tǒng)的信息容量[4]。MIMO系統(tǒng)通過增加基站的數(shù)目，大大提升了系統(tǒng)容量。同時(shí)，系統(tǒng)的組件可以使用相對(duì)廉價(jià)的原件進(jìn)行組合，很大程度上降低了運(yùn)營(yíng)成本。當(dāng)基站中天線的數(shù)目足夠多時(shí)，系統(tǒng)所受到的干擾可被忽略。

圖3 大規(guī)模MIMO基本模型

3.3 大規(guī)模MIMO在高頻段的應(yīng)用

當(dāng)無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處于發(fā)展階段時(shí)，移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行頻段均低于3 GHz。但是，隨著用戶需求量的增加，該頻段的信號(hào)傳輸將變得十分擁擠，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)卡頓等現(xiàn)象的出現(xiàn)。同時(shí)，由于天線數(shù)目增多，一定程度上提升了設(shè)備負(fù)載，給設(shè)備帶來了巨大壓力。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的頻率影響著天線尺寸，而增加MIMO在高頻段的使用可切實(shí)解決這一問題。所以，大規(guī)模使用MIMO技術(shù)是未來5G技術(shù)的發(fā)展方向，可以有效緩解高頻段信號(hào)中存在的資源緊張問題[5]。

4 5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景

與現(xiàn)階段使用的4G技術(shù)不同，5G無線通信網(wǎng)絡(luò)可以為用戶提供高質(zhì)量的視頻、語音等服務(wù)?，F(xiàn)階段，各國(guó)均投入大量的人力物力研究5G無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，力求在最短的時(shí)間內(nèi)研制成功。我國(guó)華為公司已成功研制出5G無線通信技術(shù)，正在全球逐步推廣[6]。5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的使用會(huì)大幅度提升人們的工作效率，使人們的生活更加便利，使互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向更多領(lǐng)域拓展，解決人口高密度地區(qū)網(wǎng)絡(luò)差等問題。需要注意，盡管現(xiàn)階段5G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍有部分問題需要解決。

5 結(jié) 論

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，人們的各方面需求也在不斷提升，同時(shí)人們對(duì)通信行業(yè)無線通信數(shù)據(jù)的質(zhì)量與速度要求也在不斷提高。為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，針對(duì)5G無線通信系統(tǒng)中的蜂窩結(jié)構(gòu)和物理層關(guān)鍵技術(shù)展開分析。它們是5G無線通信技術(shù)發(fā)展的核心，也是推動(dòng)5G無線通信技術(shù)發(fā)展的重要力量。綜上所述，使用5G通信技術(shù)是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是國(guó)家通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要內(nèi)容，在一定程度上能提升國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要意義。