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

朱曉敏

摘要：文章從5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)入手，介紹了5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探究，從而進(jìn)一步提出強(qiáng)化5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)的有效策略，旨在為未來(lái)5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供積極的參考作用。

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

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）30-0077-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

在信息時(shí)代發(fā)展的潮流下，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已逐漸成熟并投入應(yīng)用，在相關(guān)領(lǐng)域表現(xiàn)出了新的發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)必定會(huì)有更廣闊的發(fā)展前景。由于物理層的關(guān)鍵技術(shù)是影響無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)效果的重要因素，因此對(duì)于5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，要進(jìn)一步做好對(duì)物理層的關(guān)鍵技術(shù)分析，強(qiáng)化5G無(wú)線通信的能力，使5G網(wǎng)絡(luò)向著更高的安全通信和高效通信的目標(biāo)前進(jìn)。

1 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)主要包含增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、大量節(jié)點(diǎn)機(jī)器型通信和高可靠機(jī)器通信三大模塊，其關(guān)鍵性能指標(biāo)預(yù)期如圖1所示：

通過(guò)對(duì)這三大模塊的覆蓋和高效連接，能夠有效提升5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，從而更好地提升5G技術(shù)在各項(xiàng)場(chǎng)景中的應(yīng)用能力。其中，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶模塊能夠有效改善移動(dòng)寬帶的延遲，提高接入速率、容量、覆蓋范圍和用戶服務(wù)率，即使是在用戶眾多、信號(hào)擁擠的區(qū)域，也能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)流傳輸；大量節(jié)點(diǎn)機(jī)器型通信能夠使得低成本、低功耗的耐用設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式高速傳感器、停車傳感器和智能電表的應(yīng)用；高可靠機(jī)器通信能夠使得用戶與設(shè)備能夠以最低的延遲進(jìn)行雙向通信，在保證網(wǎng)絡(luò)的高可用性的同時(shí)，也大幅提升了數(shù)據(jù)信息共享的效率[1]。

此外，蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景應(yīng)用也是5G關(guān)鍵性能指標(biāo)中的重要部分。對(duì)于蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其場(chǎng)景應(yīng)用主要為移動(dòng)熱點(diǎn)的高容量和連續(xù)的廣域覆蓋，其中，移動(dòng)熱點(diǎn)的高容量需要在商場(chǎng)、步行街等終端分布密度極大的區(qū)域，能夠保證用戶體驗(yàn)速率平均達(dá)到1Gbps，峰值速率在10Gbps以上；連續(xù)的廣域覆蓋則要求在信號(hào)較差的區(qū)域，例如高鐵、動(dòng)車和高速公路等信號(hào)較差的場(chǎng)景，用戶終端的體驗(yàn)速率也要達(dá)到100Mbps。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)，其場(chǎng)景應(yīng)用主要為低功耗熱點(diǎn)連接和低時(shí)延業(yè)務(wù)，其中，低功耗熱點(diǎn)連接需要在保證成本較低和功耗較低的情況下，熱點(diǎn)連接的覆蓋區(qū)域達(dá)到100萬(wàn)平方千米；而低時(shí)延業(yè)務(wù)則需要在保證業(yè)務(wù)質(zhì)量可靠的同時(shí)，空口時(shí)延處于1ms，從而具有更快的響應(yīng)速度。

2 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，目前正處于4G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，5G網(wǎng)絡(luò)處于發(fā)展高速期的階段，雖然4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有更好的覆蓋優(yōu)勢(shì)，且其應(yīng)用效果也能夠滿足大眾的生活需求，但由于技術(shù)的限制，導(dǎo)致4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于其頻譜效率、用戶總數(shù)和系統(tǒng)容量等方面與目前理論上的峰值還具有較大的差距，只有通過(guò)運(yùn)用5G技術(shù)，才能進(jìn)一步突破瓶頸，實(shí)現(xiàn)高頻段通信，進(jìn)而達(dá)到更好的通信效果。5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在提升頻譜資源的利用率、提升用戶體驗(yàn)和擴(kuò)展系統(tǒng)容量等方面：

1）提升頻譜資源的利用率。在現(xiàn)階段，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)可以直接利用的資源主要處在300Mhz—3Ghz的范圍內(nèi)，隨著用戶數(shù)量的不斷增多，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在進(jìn)行發(fā)展時(shí)，其中的頻譜資源容易出現(xiàn)過(guò)度集中的問題，會(huì)導(dǎo)致信息傳輸?shù)倪^(guò)程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的干擾，進(jìn)而影響到信息傳輸?shù)膶?shí)際效率[2]。而通過(guò)運(yùn)用5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)㈩l譜資源進(jìn)行更加細(xì)致的分析，從而依據(jù)自身特點(diǎn)做出科學(xué)合理的分配，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜段的有效拓展，進(jìn)一步提升信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，滿足用戶更高的通信需求。

2）提升用戶體驗(yàn)。通過(guò)運(yùn)用5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠幫助用戶更好地進(jìn)行視頻、音頻、圖像和文字資源的獲取效率，并保持良好的抗干擾性，能夠長(zhǎng)時(shí)間不受外部環(huán)境的干擾，從而更好地提升用戶之間溝通和對(duì)接的效率。例如，用戶在觀看大容量高碼率的視頻或者直播時(shí)，采用4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，雖然能做到秒開和秒看的需求，但一旦出現(xiàn)用戶擁擠的情況，將會(huì)導(dǎo)致卡頓和長(zhǎng)時(shí)間的緩沖，而通過(guò)運(yùn)用5G網(wǎng)絡(luò)，能大幅降低出現(xiàn)用戶擁擠的情況，強(qiáng)化預(yù)加載的能力，從而避免出現(xiàn)卡頓或長(zhǎng)時(shí)間卡頓的異常情況，進(jìn)一步提升用戶的體驗(yàn)感。

3）擴(kuò)展系統(tǒng)容量。在網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代，傳統(tǒng)通信技術(shù)系統(tǒng)的容量已經(jīng)無(wú)法滿足用戶日益增長(zhǎng)的無(wú)線通信的需要，例如在應(yīng)用4G無(wú)線通信技術(shù)時(shí)，由于技術(shù)存在限制，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的容量無(wú)法得到有效的擴(kuò)展，因此在實(shí)際的無(wú)線通信中，一旦信號(hào)擁擠，不僅會(huì)導(dǎo)致通信效率受到影響，通信的質(zhì)量也容易受到干擾；而通過(guò)運(yùn)用5G無(wú)線通信技術(shù)，能夠突破傳統(tǒng)系統(tǒng)容量的上限，使得整體的系統(tǒng)容量得到有效的擴(kuò)展，不僅提高了信息的傳輸速率，更為無(wú)線通信提供了大量的可利用資源，使得用戶之間的溝通與信息共享更加穩(wěn)定。

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

3.1 大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)

3.1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

MIMO無(wú)線通信技術(shù)作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層的核心部分，在應(yīng)用到無(wú)線通信后，能夠有效提升通信系統(tǒng)的頻譜效率，從而保持穩(wěn)定安全的信號(hào)傳輸能力。從無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程來(lái)看，傳統(tǒng)的MIMO無(wú)線通信技術(shù)雖然能夠在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮出良好的應(yīng)用價(jià)值，但隨著通信技術(shù)的不斷更新，傳統(tǒng)的MIMO無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)存在著很多的技術(shù)瓶頸，出現(xiàn)了例如用戶端的流程復(fù)雜、頻譜資源不匹配等問題；而基于5G的大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)，不僅能夠提升系統(tǒng)容量，簡(jiǎn)化流程，而且對(duì)于用戶終端，可以在不改變終端設(shè)備的基礎(chǔ)上，只需要對(duì)原有基站進(jìn)行一定的改造，就能滿足頻譜效率的需求，從而提升傳輸效率。大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)具有極強(qiáng)的時(shí)效性和適用性，在當(dāng)前的移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，大規(guī)模的MIMO無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。大規(guī)模的MIMO無(wú)線通信技術(shù)具有以下的特點(diǎn)：

1）大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)可以通過(guò)對(duì)基站的改造來(lái)提升通信系統(tǒng)的容量，例如采用增加基站天線的數(shù)量的方式，不僅方法簡(jiǎn)單，還能更好地匹配不同的頻譜資源；

2）大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)在通信系統(tǒng)中對(duì)相關(guān)的元器件沒有嚴(yán)格的性能需求，即使采用的元器件的價(jià)格和輸出功率較低，只要基站的天線數(shù)量達(dá)標(biāo)，依然能夠提升信息傳輸?shù)男蔥3]。此外，天線的數(shù)量達(dá)標(biāo)還能提升基站的抗干擾能力，使得通信質(zhì)量進(jìn)一步提高。

3.1.2 信道信息狀態(tài)的獲取

通過(guò)應(yīng)用大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)，雖然能夠突破大部分的傳統(tǒng)技術(shù)限制，但由于基站數(shù)量眾多，在應(yīng)用過(guò)程中很容易衍生出一些新的問題，要解決這些問題，就必須對(duì)信道信息狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的掌握，且對(duì)于5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，保障信息傳輸?shù)陌踩c穩(wěn)定是重中之重，因此，在基站的發(fā)展建設(shè)中，對(duì)于信道信息狀態(tài)的獲取是十分重要的。

信道信息狀態(tài)的獲取方式主要分為頻分雙工系統(tǒng)和時(shí)分雙工系統(tǒng)，其中，頻分雙工系統(tǒng)主要應(yīng)用于傳統(tǒng)的信道信息狀態(tài)的獲取，時(shí)分雙工系統(tǒng)主要應(yīng)用于大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)對(duì)信道信息狀態(tài)的獲取。雖然時(shí)分雙工系統(tǒng)相較于頻分雙工系統(tǒng)，具有成本更低、操作簡(jiǎn)便和具有反饋機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)，但在具體的應(yīng)用過(guò)程中，往往難以實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)場(chǎng)景下的信道信息狀態(tài)的獲取，從而造成此場(chǎng)景下的通信質(zhì)量較差。因此，為進(jìn)一步提高信道信息狀態(tài)的獲取能力，基站可以通過(guò)安裝信號(hào)放大器的方式來(lái)進(jìn)一步提升接收用戶的導(dǎo)頻信號(hào)的能力，從而使得時(shí)分雙工系統(tǒng)能夠更好地獲取信道信息的狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)高速移動(dòng)場(chǎng)景中的信道信息狀態(tài)的高效獲取。

3.2 毫米波無(wú)線通信技術(shù)

3.2.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

作為5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層中的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，毫米波無(wú)線通信技術(shù)具有波長(zhǎng)短、波束窄、頻譜廣泛和傳輸頻率高等特點(diǎn)，例如在波長(zhǎng)方面，毫米波無(wú)線通信技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中不需要使用尺寸較大的天線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的信息數(shù)據(jù)的接收，從而節(jié)省了很多的占地空間，并使得基站天線的設(shè)置更加簡(jiǎn)便；由于毫米波技術(shù)的波束較窄，在傳輸?shù)倪^(guò)程中不易發(fā)散，具有很好的抗干擾能力，因此不會(huì)受天氣影響而引發(fā)通信信道的丟失問題，使得無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定，在多媒體領(lǐng)域中有著很好的應(yīng)用效果。

3.2.2 發(fā)展中存在的一些不足

毫米波無(wú)線通信技術(shù)在目前的發(fā)展階段中，還存在著一些不足，具體表現(xiàn)如下：

1）建筑物穿透損耗

由于建筑物的墻體通常都是由固體的實(shí)心或夾層空心結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在無(wú)線電信號(hào)傳播的過(guò)程中，往往會(huì)起到一定的吸收作用，從而加劇了信號(hào)在經(jīng)過(guò)建筑物時(shí)的穿透損耗，毫米波相對(duì)于低頻段信號(hào)來(lái)說(shuō)，對(duì)于建筑物的穿透性能要差一些，因此在穿過(guò)建筑物時(shí)，往往損耗更加嚴(yán)重，極易影響到信號(hào)的最終接收效果，造成信號(hào)失真。為有效解決建筑物穿透的損耗，可以建立Wi-Fi節(jié)點(diǎn)，從而將毫米波的信號(hào)進(jìn)行放大，進(jìn)一步提升信號(hào)的傳播質(zhì)量。

2）路徑損耗

在應(yīng)用毫米波無(wú)線通信技術(shù)時(shí)，如果信號(hào)的傳輸存在著較大的散射，將會(huì)進(jìn)一步干擾到信道信息的獲取，從而造成嚴(yán)重的路徑損耗。路徑損耗問題在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域是十分常見的，與波長(zhǎng)和頻率都存在著密切的聯(lián)系，當(dāng)波長(zhǎng)減小或者頻率增大時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致路徑損耗更嚴(yán)重。由此可見，在特定的傳播空間內(nèi)，路徑損耗是與波長(zhǎng)成反比，與頻率成正比的，因此，可以通過(guò)在高頻段布設(shè)大規(guī)模的發(fā)射天線和接收天線的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米波信號(hào)傳輸?shù)牟ㄊ尚危瑥亩M(jìn)一步降低路徑損耗，提升信號(hào)的完整度。

3）雷雨天氣的影響

毫米波無(wú)線通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還會(huì)受到雷雨天氣的影響，雷雨天氣會(huì)帶來(lái)大量雨水，從而導(dǎo)致毫米波的信號(hào)受到雨水的吸收作用，進(jìn)一步降低了毫米波信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)際效果。針對(duì)這一問題，研究人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索，發(fā)現(xiàn)毫米波的波長(zhǎng)與雨滴的大小非常接近，在雷雨天氣來(lái)臨時(shí)，與毫米波波長(zhǎng)相同大小的雨滴容易導(dǎo)致毫米波產(chǎn)生散射，進(jìn)而加劇了信號(hào)的擴(kuò)散，造成信號(hào)的失真[4]。因此，要進(jìn)一步降低雷雨天氣對(duì)毫米波的影響，可以構(gòu)建相應(yīng)的雷雨預(yù)測(cè)模型，從而對(duì)降雨情況做出良好的判斷，在發(fā)射和接收毫米波信號(hào)時(shí)，盡量避開與之波長(zhǎng)相同的降雨情況，進(jìn)一步提升毫米波信號(hào)的傳輸和接收質(zhì)量。

4 強(qiáng)化5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)的有效策略

4.1 提升物理層關(guān)鍵技術(shù)的安全等級(jí)

為進(jìn)一步強(qiáng)化5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層的關(guān)鍵技術(shù)，要對(duì)物理層關(guān)鍵技術(shù)的安全系數(shù)給予充分的重視，提升物理層關(guān)鍵技術(shù)的安全等級(jí)。在具體的安全等級(jí)的提升過(guò)程中，技術(shù)團(tuán)隊(duì)要充分將以人為本的理念始終貫徹到關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與維護(hù)的過(guò)程中去，從而在5G無(wú)線通信系統(tǒng)的建設(shè)中，能夠?yàn)橛脩舻碾[私安全和個(gè)人利益提供更加堅(jiān)實(shí)的保障。例如，在進(jìn)行公共場(chǎng)所的5G無(wú)線通信時(shí)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)督，將其中隱含的風(fēng)險(xiǎn)因素及時(shí)清除；針對(duì)個(gè)人的通信服務(wù)，可以進(jìn)一步完善加密處理，并為用戶的權(quán)限訪問設(shè)置提供有效保護(hù)，從而避免個(gè)人隱私泄露和用戶數(shù)據(jù)盜用問題的產(chǎn)生，保證用戶的良好使用體驗(yàn)[5]。由此可見，通過(guò)提升物理層關(guān)鍵技術(shù)的安全等級(jí)，不僅能為更多用戶提供安全的通信服務(wù)，更能提高用戶對(duì)5G無(wú)線通信技術(shù)的信賴度，助力社會(huì)的健康和諧發(fā)展。

4.2 加大頻譜資源的開發(fā)力度

頻譜資源對(duì)于5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的良好運(yùn)行有著核心的支撐作用，能夠?yàn)樾盘?hào)的穩(wěn)定傳輸提供更多的支持。然而，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，往往存在著頻譜資源不充足，進(jìn)而影響用戶實(shí)際的5G通信體驗(yàn)的情況，不僅會(huì)給通信行業(yè)帶來(lái)無(wú)形的壓力和額外的負(fù)擔(dān)，還會(huì)導(dǎo)致用戶降低對(duì)通信服務(wù)的滿意度和信任度。因此，為提高5G無(wú)線通信的實(shí)際效果，需要加大對(duì)頻譜資源的開發(fā)力度，通過(guò)結(jié)合實(shí)際情況，合理開發(fā)低頻段的頻譜資源，并對(duì)高頻段的復(fù)雜頻譜資源做好準(zhǔn)確判斷，做好拓寬高頻段的頻譜資源工作，從而為用戶提供更加豐富的選擇，進(jìn)一步提高他們的滿意度和信任度。

4.3 注重基礎(chǔ)設(shè)施的更新與維護(hù)

由于在5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用期間，會(huì)長(zhǎng)期使用大量的基礎(chǔ)設(shè)施，而基礎(chǔ)設(shè)施通常具有更新速度較快和易損耗的特點(diǎn)，因此要加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)，就必須注重對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的更新和維護(hù)工作。在具體的基礎(chǔ)設(shè)施更新和維護(hù)工作中，要做好對(duì)需要的基礎(chǔ)設(shè)施的記錄工作，從而掌握好設(shè)備的型號(hào)、功能、大小和數(shù)量等重要信息，從而為日后的設(shè)施更新和設(shè)施維護(hù)提供完整的參考依據(jù)[6]。同時(shí)，對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施在工作中出現(xiàn)的設(shè)備老化問題和設(shè)備故障問題，在進(jìn)行上報(bào)后，要做好相應(yīng)的更新工作和維護(hù)工作，從而降低突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)，減少事故發(fā)生的概率，從整體上提升基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到了十分重要的作用。要進(jìn)一步強(qiáng)化5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層的關(guān)鍵技術(shù)，提高5G無(wú)線通信的實(shí)際應(yīng)用效果，還需要做好提升物理層關(guān)鍵技術(shù)的安全等級(jí)、加大頻譜資源的開發(fā)力度和注重基礎(chǔ)設(shè)施的更新與維護(hù)等工作，從而進(jìn)一步創(chuàng)造出良好的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為通信事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供持續(xù)不斷的活力。

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【通聯(lián)編輯：張薇】