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

江敏仙

（中建電子信息技術(shù)有限公司，北京 100000）

0 引言

就目前來看，現(xiàn)代信息新技術(shù)層出不窮、移動(dòng)設(shè)備用戶量持續(xù)增長(zhǎng)，無線通訊網(wǎng)絡(luò)事業(yè)發(fā)展速度進(jìn)一步加快。在5G 時(shí)代下，無線通信網(wǎng)絡(luò)體系將更加完善。通過利用高頻段開展通信工作，為用戶提供更為高效、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的無線通訊方式。物理層是無線通信網(wǎng)絡(luò)體系重要結(jié)構(gòu)之一，通過研究無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)，能夠不斷優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)功能，加快信息傳輸速度，為用戶帶來更好的通信體驗(yàn)。

1 5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)特征

當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，大眾網(wǎng)絡(luò)通訊要求進(jìn)一步提升，無線通信網(wǎng)絡(luò)可以傳輸更多媒體數(shù)據(jù)，并具備大量媒體數(shù)字型、服務(wù)型特征。為有效解決傳統(tǒng)4G 系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間頻譜資源較為緊缺、頻譜資源較少、用戶數(shù)目持續(xù)增長(zhǎng)、快速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流會(huì)使通信要求無法切實(shí)滿足等問題，開發(fā)了5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。

5G 需要以無縫、可靠的互聯(lián)互通為目標(biāo)，有效改善當(dāng)前環(huán)境，滿足未來信息發(fā)展下的大數(shù)據(jù)要求?，F(xiàn)階段5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)特征包括以下5 點(diǎn)。

（1）5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)能夠借助更高頻譜資源。原有無線通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源多數(shù)大多數(shù)為300MHz～3GHz，頻譜資源稀缺。而5G 無線通訊網(wǎng)絡(luò)的主要頻譜資源為3GHz～3003GHz，切實(shí)提升了頻譜資源利用率。

（2）5G 無線通訊網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量更大。現(xiàn)有移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展速度極快，頻譜技術(shù)更加成熟，數(shù)據(jù)傳輸速率以及無線通信數(shù)據(jù)量不斷增長(zhǎng)。而5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)具有更大的系統(tǒng)容量，能夠更好地滿足社會(huì)發(fā)展期間的網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)利用要求。

（3）提供高質(zhì)量用戶服務(wù)、現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶數(shù)據(jù)的傳輸速度進(jìn)一步提升，數(shù)據(jù)速率也與用戶體驗(yàn)感密切相關(guān)。5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)體系能夠?yàn)橛脩籼峁└影踩?、高效、穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，增強(qiáng)用戶最佳體驗(yàn)感。

（4）控制能量損耗率。現(xiàn)階段無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸期間的能耗問題更為嚴(yán)重，為確保無線通信系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)能夠始終秉持可持續(xù)發(fā)展原則，需要著重控制運(yùn)行期間的能量消耗度。5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)逐步趨向綠色通信、環(huán)境友好型通信轉(zhuǎn)變，可以在滿足不斷增長(zhǎng)業(yè)務(wù)量的同時(shí)，將能耗量控制在最小范圍內(nèi)。

（5）5G 網(wǎng)絡(luò)以蜂窩結(jié)構(gòu)為主要形態(tài)。使用蜂窩結(jié)構(gòu)體系，能夠有效滿足建筑系統(tǒng)要求。由于戶外利用時(shí)間是總時(shí)間的20%，小區(qū)建筑物會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)效果、建筑墻體結(jié)構(gòu)也會(huì)使得無線網(wǎng)絡(luò)在穿過墻體期間出現(xiàn)一定的損耗情況，減少數(shù)據(jù)傳輸速率以及頻譜速率，導(dǎo)致無線傳輸能量降低、配合使用5G 蜂窩結(jié)構(gòu)，可以有效解決信息傳輸期間的損耗問題。利用基站天線陣列DAS 以及MIMO 技術(shù)，可起到更加良好的輔助作用[2]。

2 5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)

無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需要各類核心技術(shù)支持，確保技術(shù)應(yīng)用過程中能夠滿足網(wǎng)絡(luò)通信需求，推動(dòng)無線通信網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展。在5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)中，也需要著重研究無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 毫米波通信技術(shù)

通訊技術(shù)發(fā)展需要使用大量的頻譜資源，但就目前來看，大部分商業(yè)無線通信工作頻率都集中在300MHz～3GHz，3GHz～3003GHz 頻譜資源利用率始終處于有待提升階段，難以有效解決頻譜資源緊缺問題。

在5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)中，物理層主要使用了毫米波通信技術(shù)。具體來說，毫米波通信技術(shù)主要就是可以在毫米波頻段進(jìn)行通信，提高通信質(zhì)量水平，確保2km 范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸總量能夠得到持續(xù)增長(zhǎng)。通過建立起城市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信道、城市移動(dòng)波段通信體系建設(shè)具有支持作用。但在毫米波通訊技術(shù)應(yīng)用過程中，也需要著重解決關(guān)于路徑損耗、MIMO 物穿透損耗、雨衰的問題。

路徑損耗就是在無線通信線路實(shí)際運(yùn)行過程中，受到發(fā)射功率輻射拓展、信道傳輸因素影響，導(dǎo)致線路運(yùn)行緩解異常消耗、信道傳輸效率不高。在出現(xiàn)路徑損耗問題后，無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間極為常見，信號(hào)發(fā)射以及在無線信道內(nèi)傳輸時(shí)，經(jīng)常會(huì)受到噪聲、電磁干擾、其他信道影響。信道自身原因也會(huì)出現(xiàn)損耗情況，需要構(gòu)建起自由空間路徑損耗模型[3]。通過實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，信道內(nèi)部波長(zhǎng)減少，頻率持續(xù)增加，信道自由空間損耗量將會(huì)進(jìn)一步增大。換言之，在一定信號(hào)傳輸范圍內(nèi)，傳輸頻率越高、信號(hào)的損耗率將越大。通過使用高頻段大規(guī)模設(shè)施接收發(fā)射天線，形成波束結(jié)構(gòu)，可以將頻譜與能量值集中傳輸，從根本上提升通信水平，避免自由空間內(nèi)部能耗量過大。對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行效率造成不利影響。

MIMO 物穿透損耗。信號(hào)在穿過MIMO 物時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)損耗，由于頻率較低的信號(hào)會(huì)穿透MIMO物材料，實(shí)際損耗量能夠得到有效控制。消耗傳輸期間的透損率較大，傳輸距離差。若穿透損耗量持續(xù)增長(zhǎng)，信號(hào)往往無法穿透MIMO 物進(jìn)入室內(nèi)，導(dǎo)致室內(nèi)接收到的信號(hào)十分微弱?，F(xiàn)階段通過在市內(nèi)建立WiˉFi 節(jié)點(diǎn)、毫微微蜂窩手段，能夠有效提升室內(nèi)信號(hào)傳輸質(zhì)量，并可實(shí)現(xiàn)傳輸無壓縮視頻目標(biāo)。

雨衰。在毫米波通訊過程中，需要著重分析無線通信信號(hào)在毫米波段運(yùn)行期間的傳輸特性。雨衰是毫米波通信期間需要著重考量的重要因素。受到雨衰作用影響，無線系統(tǒng)傳輸路徑會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行期間的穩(wěn)定性下降。高頻段視距微波鏈路實(shí)際應(yīng)用也受到不利影響，因此需要進(jìn)行嚴(yán)格管控。在雨量較大的情況下，毫米波通信系統(tǒng)將會(huì)被嚴(yán)重干擾。因雨滴大小與發(fā)射波長(zhǎng)基本相同，很容易出現(xiàn)散射情況，因此需要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況、降雨結(jié)構(gòu)特征、大氣溫度持續(xù)變化，構(gòu)建起平均雨衰模型。

2.2 大規(guī)模MIMO 技術(shù)

2.2.1 大規(guī)模MIMO 概況

MIMO 技術(shù)可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行期間的頻率值，切實(shí)保障數(shù)據(jù)傳輸水平，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。在擴(kuò)大系統(tǒng)運(yùn)行覆蓋范圍過程中，應(yīng)當(dāng)將關(guān)注重點(diǎn)放置在分析并解決高容量地區(qū)熱點(diǎn)特征上，當(dāng)前被廣泛應(yīng)用在各類移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中。原有MIMO 技術(shù)應(yīng)用期間會(huì)存在硬件復(fù)雜性強(qiáng)、信號(hào)處理難度大、能耗量更多，需要進(jìn)一步擴(kuò)大物理空間的允許天線范圍，導(dǎo)致無線通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)期間的土地租賃費(fèi)用成本增加。不僅如此，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算技術(shù)下的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)指數(shù)不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)MIMO 技術(shù)體系依然無法滿足大眾日漸提升的多類型信息、互聯(lián)網(wǎng)接入等高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸要求。

大規(guī)模MIMO 技術(shù)主要就是在基站附近設(shè)置規(guī)模較大的天線，要求基站天線量應(yīng)當(dāng)大于當(dāng)天線移動(dòng)終端數(shù)目。在使用大規(guī)模MIMO 技術(shù)過程中，可以不用增加大量的用戶終端設(shè)備，而是通過對(duì)基站展開改造處理，提高基站運(yùn)行過程中的容量值以及頻譜值，保障信號(hào)傳輸水平。

大規(guī)模MIMO 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)MIMO 技術(shù)更為顯著。具體來說，大規(guī)模MIMO 技術(shù)能夠有效控制尺寸，切實(shí)保障系統(tǒng)容量大小。通過增加基站天線數(shù)量，擴(kuò)大系統(tǒng)容量值，有效簡(jiǎn)化無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸流程，保障信號(hào)傳輸水平。另外，大規(guī)模MIMO 技術(shù)具體應(yīng)用過程中可以使用價(jià)格更低、輸出功率更為可靠的放大元件，有效控制發(fā)射效率消耗量。在具體應(yīng)用過程中，在天線數(shù)量充足的情況下，信號(hào)傳播期間的噪聲以及其他干擾就可忽略不計(jì)，使用最簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼以及預(yù)編碼算法，而獲得最優(yōu)結(jié)果[4]。

2.2.2 信道狀態(tài)信息獲取

大規(guī)模MIMO 技術(shù)現(xiàn)階段應(yīng)用時(shí)間較短，取得成就顯著，具體應(yīng)用期間依然存在較多不足之處。具體來說，在天線數(shù)量快速增長(zhǎng)的情況下，基站運(yùn)行期間對(duì)信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性與全面性要求更高，確保信道始終處于穩(wěn)定可靠運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于信道信息的獲取工作，配合使用先進(jìn)技術(shù)手段，借助時(shí)分雙工系統(tǒng)、上下行信道中的信息狀態(tài)互譯原理，保障信息傳輸水平。

借助頻分雙工系統(tǒng)，利用終端用戶進(jìn)行信道預(yù)估，獲得有限反饋信息。借助信道互譯專項(xiàng)系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步控制信道開銷量，省略建設(shè)復(fù)雜反饋機(jī)制的流程，基站天線數(shù)量也可根據(jù)實(shí)際建設(shè)要求靈活控制。依照互譯原理特性，在頻分雙攻系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)，無法切實(shí)滿足高校移動(dòng)場(chǎng)景通信要求。上行訓(xùn)練運(yùn)行環(huán)節(jié)，用戶終端應(yīng)當(dāng)肩負(fù)起向基站發(fā)送高頻信號(hào)的職責(zé)，對(duì)信道展開估算工作。因?qū)ьl空間信號(hào)維度較為有限，小區(qū)用戶需要結(jié)合實(shí)際導(dǎo)頻要求開展基站發(fā)射工作，導(dǎo)致導(dǎo)頻污染問題更為嚴(yán)重，難以在導(dǎo)頻污染問題出現(xiàn)后消失。由于導(dǎo)頻的污染較強(qiáng)，不會(huì)在增加基站天線數(shù)目的情況下消失，可以借助相同方差加性噪聲判斷手段，如果導(dǎo)頻污染問題對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)造成嚴(yán)重影響，應(yīng)當(dāng)在具體建設(shè)期間配合使用干擾抵消技術(shù)、預(yù)編碼技術(shù)、傳輸協(xié)議方式控制污染。

在大規(guī)模MIMO 技術(shù)期間，數(shù)據(jù)傳輸水平會(huì)受到小區(qū)干擾、非相干干擾、有頻率污染下的區(qū)間干擾等因素。計(jì)算出不同干擾因素下的系統(tǒng)容量值，分析終端用戶、系統(tǒng)數(shù)量值、基站天線數(shù)目變化實(shí)際情況。在基站天線數(shù)量為100 時(shí)，導(dǎo)線復(fù)用因子為2，相對(duì)終端干擾位置因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響差異性更大[5]。

2.2.3 大規(guī)模MIMO 技術(shù)在高頻段中的應(yīng)用

基站天線數(shù)量不斷增長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)信息處理水平、系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)水平、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度將大幅提升。系統(tǒng)運(yùn)行頻率與天線配置方式存在密切關(guān)聯(lián)。如天線間距及尺寸小，高頻段運(yùn)行期間的工程建設(shè)難度較小，5G 無線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，借助全新天線形態(tài)設(shè)計(jì)工作，可以使大規(guī)模MIMO 在高頻段的利用效果更為良好。

2.3 雙公開技術(shù)

雙公開技術(shù)需要使信息能夠滿足傳輸、同頻率傳輸要求?，F(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸過程中，信號(hào)會(huì)受到各類干擾因素影響，難以切實(shí)保障傳輸效率。通過使用全公開技術(shù)，切實(shí)提升頻率資源利用水平，增強(qiáng)多頻信息傳輸效果，解決通信系統(tǒng)運(yùn)行期間同頻率以及雙向傳輸難度大問題。5G 通信技術(shù)中的雙公開技術(shù)可以利用無線頻譜資源實(shí)現(xiàn)抵干擾信號(hào)模擬端目標(biāo)，控制干擾信號(hào)端帶來的影響，保障信息整體傳輸期間的穩(wěn)定性。雙公開技術(shù)能夠?qū)ΜF(xiàn)有資源進(jìn)行精簡(jiǎn)處理，減少外界干擾，從根本上提升傳輸效率控制傳輸成本?，F(xiàn)階段雙公開技術(shù)的研究工作需要從保障通信的可靠性與實(shí)時(shí)性、加大無線資源管理力度等方面入手。

2.4 綠色信道技術(shù)

綠色信道技術(shù)的應(yīng)用能夠有效降低信息傳輸期間的能量消耗率。在現(xiàn)有無線通信領(lǐng)域中，消耗能源總量占總能源消耗總量的3%，并呈現(xiàn)出逐年上漲態(tài)勢(shì)。因此在現(xiàn)階段5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，需要著重關(guān)注綠色信道研究工作，以增強(qiáng)能源利用率為目標(biāo)，提升通信系統(tǒng)實(shí)際頻譜效率，為5G 技術(shù)的普及提供重要技術(shù)保障。針對(duì)綠色信道技術(shù)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者提出了一種有效的綠色通信解決方案，如設(shè)計(jì)出高能效資源配置系統(tǒng)，利用CoMP 高能效頻譜設(shè)計(jì)協(xié)作休眠方案。積極利用綠色共享通路保護(hù)計(jì)算工作，有效解決存在于綠色通道建立期間的回程功耗量[6]。

3 5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

5G 技術(shù)不僅需要滿足語音及短信通信業(yè)務(wù)，還需要符合大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)施特征，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。具體來說，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量是所有子信道以及網(wǎng)絡(luò)容量的總和，為從根本上提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，需要著重關(guān)注以下工作。

首先，進(jìn)一步增加信道寬度，配合使用毫米波通信技術(shù)手段、無線電認(rèn)知技術(shù)獲取更多頻率資源，提高系統(tǒng)容量值。

其次，增強(qiáng)信道信號(hào)功率，提高能量效率，消除干擾因素，建設(shè)綠色信道。進(jìn)一步增加子信道數(shù)量，積極應(yīng)用大規(guī)模MIMO 技術(shù)、空間調(diào)制技術(shù)，不斷優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

最后，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，通過建設(shè)家庭基站、中繼等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)能量值，提升無線通信網(wǎng)絡(luò)的超高移動(dòng)性、超高連接密度、超高流量值。

4 結(jié)語

總而言之，5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)更需要滿足多元化物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)要求，將各類業(yè)務(wù)技術(shù)充分融合在一起，達(dá)到最佳用戶體驗(yàn)。通過分析移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用頻段、技術(shù)指標(biāo)以及發(fā)展方向的確立已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期，為充分發(fā)揮出5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)作用，還需要加大無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)的研究力度，切實(shí)提高通信系統(tǒng)頻譜效率、能耗效率管控水平，重新整合無線通信網(wǎng)絡(luò)體系，使無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層更為靈活，為推動(dòng)我國(guó)無線通信網(wǎng)絡(luò)事業(yè)快速發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。