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

簡(jiǎn)智斌

（公誠(chéng)管理咨詢有限公司，廣東 廣州 510610）

1 5G無(wú)線通信系統(tǒng)概述

1.1 5G無(wú)線通信系統(tǒng)

5G無(wú)線通信系統(tǒng)是一種基于第五代移動(dòng)通信技術(shù)而產(chǎn)生的無(wú)線通信系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，將其認(rèn)為4G無(wú)線通信系統(tǒng)的延伸[1]。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，包括了固定式、便攜式以及移動(dòng)式的設(shè)備，用戶可以利用無(wú)線協(xié)議進(jìn)行通信。5G無(wú)線通信技術(shù)具有靈活性和便利性，其包含了各種升級(jí)改進(jìn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此能夠有效保障用戶的隱私安全，在傳遞過(guò)程中提高信息的傳遞速度。另外，隨著人們對(duì)納米技術(shù)的關(guān)注，5G無(wú)線通信技術(shù)能夠有效降低能源損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1.2 5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括轉(zhuǎn)發(fā)平面、控制平面以及接入平面3個(gè)部分[2]。根據(jù)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的3個(gè)部分，也可以將其劃分為3個(gè)層級(jí)，即城域網(wǎng)、核心網(wǎng)、接入網(wǎng)。城域網(wǎng)作為第1層，用戶可以在其中利用無(wú)線呼叫進(jìn)行信號(hào)的傳遞和感知，促進(jìn)信息的共享；核心網(wǎng)是第2層，用戶可以利用數(shù)據(jù)端口和通信設(shè)備的銜接，實(shí)現(xiàn)信息的分類和傳輸；接入網(wǎng)是第3層，其主要作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)信息的全覆蓋。

1.3 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)包括擴(kuò)展通信網(wǎng)的容量、優(yōu)化用戶通信體驗(yàn)等[3]。以擴(kuò)展通信網(wǎng)容量為例，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)通信的穩(wěn)定傳輸，通過(guò)密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行盲點(diǎn)的清除，增加技術(shù)容量，提高小區(qū)密度。另外，多天線傳輸技術(shù)的應(yīng)用能夠降低頻譜資源的浪費(fèi)，推動(dòng)5G信息技術(shù)的發(fā)展。

2 5G無(wú)線通信系統(tǒng)構(gòu)建意義

2.1 有利于利用頻譜資源

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜資源的集中化，提高利用率[4]。頻譜資源是人類共享的寶貴自然資源，但并不是取之不盡、用之不竭的，在一定條件下，技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)頻譜資源的重復(fù)利用，因此它也是國(guó)家重要的戰(zhàn)略性資源。通過(guò)技術(shù)的進(jìn)步，工作人員能夠用新技術(shù)對(duì)頻譜資源進(jìn)行有效管理，提高管理效率。5G無(wú)線通信系統(tǒng)的構(gòu)建能夠有效提高頻譜資源的利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻譜資源的最大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 有利于提高通信質(zhì)量

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建能夠提升無(wú)線通信信息的質(zhì)量[5]。5G無(wú)線通信系統(tǒng)中，技術(shù)人員可以利用納米系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的搜集，根據(jù)扁平化的IP互聯(lián)網(wǎng)傳遞模式傳遞信息，引進(jìn)用戶終端。技術(shù)人員可以利用納米技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，保障信號(hào)的質(zhì)量，其中的自動(dòng)化模式能夠?yàn)橛脩籼峁└憬莸臈l件，提升通信質(zhì)量。

2.3 有利于拓展系統(tǒng)容量

建設(shè)5G互聯(lián)網(wǎng)可以有效擴(kuò)大系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)帶寬[6]。帶寬的概念較為抽象，其指在給定時(shí)間等條件下流過(guò)特定區(qū)域的最大數(shù)據(jù)位數(shù)，網(wǎng)絡(luò)帶寬是指在單位時(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。隨著5G無(wú)線通信系統(tǒng)的構(gòu)建，其具有更專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能夠有效進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)帶寬的擴(kuò)大，處理爆炸性增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，提高用戶體驗(yàn)感。

3 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)接入流量現(xiàn)狀

根據(jù)中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部數(shù)據(jù)顯示，在2017—2021年間，用戶互聯(lián)網(wǎng)接入流量亟劇上升，推動(dòng)了5G建設(shè)及應(yīng)用。圖1為2017—2021年國(guó)內(nèi)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量，圖2為2017—2021年國(guó)內(nèi)月戶均移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量。根據(jù)圖片信息可知，自2018年以來(lái)，我國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量呈現(xiàn)了井噴式的增長(zhǎng)，為4G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了較大的壓力，因此5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是現(xiàn)階段需要關(guān)注的重點(diǎn)話題之一。從圖2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，用戶流量消費(fèi)方面，5G用戶已達(dá)到4G用戶的2倍。

圖1 2017—2021年國(guó)內(nèi)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量

圖2 2017—2021年國(guó)內(nèi)月戶均移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量

3.2 國(guó)內(nèi)5G基站建設(shè)現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著人們對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)要求的升高，為解決數(shù)據(jù)流量和終端數(shù)帶給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的壓力，我國(guó)加大了5G基站開通總數(shù)，圖3為2019年以來(lái)國(guó)內(nèi)5G基站開通總數(shù)統(tǒng)計(jì)圖。

根據(jù)圖3中的信息可知，2021年我國(guó)5G基站開通總數(shù)是2019年基站開通總數(shù)的10多倍，由此可見我國(guó)現(xiàn)階段5G無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展需求，而根據(jù)國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)發(fā)展和資金規(guī)劃，到2025年實(shí)際建設(shè)的5G宏基站和小基站數(shù)目約在400～500萬(wàn)個(gè)。

圖3 2019—2021年國(guó)內(nèi)5G基站開通總數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

4 基于5G的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)探究

4.1 蜂窩通信技術(shù)

技術(shù)人員在進(jìn)行基站構(gòu)建時(shí)，采用蜂窩通信模式能夠?qū)崿F(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)與通信功能[7]。蜂窩移動(dòng)通信能夠?qū)崿F(xiàn)用戶在活動(dòng)中的相互通信，其運(yùn)用蜂窩無(wú)線組網(wǎng)的模式，利用無(wú)線通道將終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來(lái)，因此終端具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)跨本地網(wǎng)的自動(dòng)漫游和跨區(qū)切換。技術(shù)類型包括宏蜂窩技術(shù)、微蜂窩技術(shù)以及智能蜂窩技術(shù)，另外根據(jù)使用頻段的不同，也可分為雙頻段網(wǎng)絡(luò)、雙模式網(wǎng)絡(luò)等。以宏蜂窩技術(shù)為例，宏蜂窩每小區(qū)的覆蓋半徑大多為1～25 km，因此基站天線要建造的足夠高，但在實(shí)際的紅蜂窩小區(qū)內(nèi)，其存在著兩點(diǎn)問題，一是盲點(diǎn)，二是熱點(diǎn)。由于盲點(diǎn)問題和熱點(diǎn)問題的存在，當(dāng)小區(qū)分裂到一定程度時(shí)，基站成本將會(huì)增加，影響到小區(qū)半徑的縮小，通信質(zhì)量也會(huì)出現(xiàn)下降，因此需要技術(shù)人員進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4.2 雙公開技術(shù)分析

在5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)中，雙公開技術(shù)主要就是確保信息可以滿足同時(shí)進(jìn)行傳輸以及同頻率傳輸?shù)囊骩8]。現(xiàn)階段，無(wú)線通信系統(tǒng)會(huì)受到信號(hào)干擾等因素的影響，導(dǎo)致信息的傳送信號(hào)較弱，從而影響到無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的整體質(zhì)量。將雙公開技術(shù)應(yīng)用到5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中能夠?qū)崿F(xiàn)多頻率信息的傳輸，提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)整體的頻率使用率，進(jìn)而解決雙向傳輸?shù)葐栴}。同時(shí)，通過(guò)雙公開技術(shù)，技術(shù)人員能夠利用信號(hào)模擬端進(jìn)行干擾因素的消除，也能夠有效避免已知信號(hào)的干擾，提升無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4.3 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(guò)程中的能量消耗[9]。技術(shù)人員在進(jìn)行綠色無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)的研究時(shí)，需要關(guān)注到綠色無(wú)線通信技術(shù)中的衡量準(zhǔn)則、設(shè)備器械、鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)層等內(nèi)容。以網(wǎng)絡(luò)層為例，無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，帶來(lái)了一定的浪費(fèi)和污染，通過(guò)綠色無(wú)線通信技術(shù)中的協(xié)作傳輸功能，信息能夠?qū)崿F(xiàn)多徑傳播，提高系統(tǒng)容量。另外，將綠色無(wú)線通信系統(tǒng)與分布式天線技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)分布式天線收發(fā)機(jī)和集中的基站處理器，技術(shù)人員能夠有效提高頻譜使用率，降低發(fā)射功率，進(jìn)而提高無(wú)線通信系統(tǒng)的整體使用效率，實(shí)現(xiàn)多用戶應(yīng)用。

4.4 MIMO技術(shù)

多進(jìn)多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)能夠提升通信系統(tǒng)的頻率，實(shí)現(xiàn)多天線通道的建立，提升無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用效果[10]。MIMO技術(shù)屬于多天線技術(shù)利用空間分級(jí)復(fù)用來(lái)提高吞吐量，實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸。在5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，MIMO技術(shù)是大規(guī)模的MIMO信息技術(shù)，它能夠提高信號(hào)傳輸容量，提高系統(tǒng)的覆蓋率，但在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)MIMO技術(shù)會(huì)受到多種因素的干擾，其對(duì)基站信道狀態(tài)的要求較高。現(xiàn)階段，在線通信網(wǎng)絡(luò)中，MIMO技術(shù)的應(yīng)用分為2類。一類是天線陣列集中式MIMO技術(shù)，該技術(shù)在進(jìn)行基站天線放置時(shí)需要呈現(xiàn)集中排列的形式，覆蓋整個(gè)小區(qū)；另一類是分布式MIMO技術(shù)，該技術(shù)在進(jìn)行基站天線放置時(shí)需要將天線分布在小區(qū)中。它能夠與傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)相結(jié)合，利用多天線的移動(dòng)臺(tái)和分散在附近的基站天線進(jìn)行通信，建立MIMO通信鏈路，能夠有效減少路徑損耗，提高信道容量，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)功耗、提高系統(tǒng)覆蓋率的目的。

4.5 毫米波通信技術(shù)

毫米波通信技術(shù)是一種典型的傳輸方式，其利用毫米波進(jìn)行通信，具有較強(qiáng)的穿透力和較高的信號(hào)傳輸保密性[11]。在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，毫米波通信技術(shù)具有以下的傳播特性：其是一種典型的視距傳輸方式，具有“大氣窗口”和“衰減峰”，在降雨時(shí)衰減較為嚴(yán)重，但對(duì)沙塵和煙霧具有很強(qiáng)的穿透能力。當(dāng)前的毫米波通信系統(tǒng)主要包括毫米波地面通信和毫米波衛(wèi)星通信2種。以毫米波衛(wèi)星通信為例，其具有通信距離遠(yuǎn)、以廣播方式進(jìn)行工作、通信容量大、可以自發(fā)自收等優(yōu)點(diǎn)。技術(shù)人員進(jìn)行毫米波通信技術(shù)的研究能夠?yàn)橥貙捄撩撞ㄍㄐ偶夹g(shù)的市場(chǎng)做出巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)毫米波通信系統(tǒng)也具有較大的發(fā)展前景，值得技術(shù)人員進(jìn)行深入研究。

5 結(jié) 論

隨著科技的進(jìn)步以及人們對(duì)無(wú)線通信技術(shù)要求的提高，在5G背景下進(jìn)行無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)探究是技術(shù)人員現(xiàn)階段關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)探究時(shí)，技術(shù)人員要結(jié)合現(xiàn)階段5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，明確5G無(wú)線通信系統(tǒng)構(gòu)建的重要性以及構(gòu)建要點(diǎn)，深入研究無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層的關(guān)鍵技術(shù)，如蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)、雙公開技術(shù)等，推動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)5G無(wú)線通信系統(tǒng)的建立，提高無(wú)線通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。