研究5G無線通信網絡物理層關鍵技術

崔曉慶 張憲永 王秀明

【摘 ?要】隨著現代信息技術的不斷發展，以及移動設備用戶的不斷增加，無線通信網絡信息技術得到了迅猛的發展。作為現階段的全新無線通信手段，5G無線通信構成了無線通信領域的發展目標。然而，實質上，5G通信網絡包含較為復雜的網絡內部構成，尤其是其中的網絡物理層需要依賴多種5G關鍵技術才能得以建成。對于健全5G通信網絡而言，全面保障無線網絡通信實效的著眼點就在于改進物理層性能，據此達到提升整個通信網絡運行效能的宗旨。本文就對5G無線通信網絡物理層關鍵技術的有關內容進行分析，可供參考。

【關鍵詞】5G;無線通信網絡;物理層;關鍵技術

一、5G無線通信網絡的簡介

5G是第五代移動通信網絡的簡稱。按照理論峰值，其傳輸速度可達10GB/s，比4G網絡的傳輸速度快數百倍。換言之，一部大小為1G的電影可在8s內下載完成。5G的主要目標是讓終端用戶始終處于一個聯網狀態，所支持的設備不止手機，還有其他智能產品。

二、5G無線通信網絡物理層關鍵技術

（一）毫米波通信技術

任何無線通信網絡在發展的過程中，都需要依賴頻譜資源，頻譜資源的利用率直接影響著無線通信網絡的運行速率，現有無線通信網絡在應用的過程中，頻譜資源較為集中，而這有限的頻譜資源在應用的過程中，必然會存在一定的漏洞和缺陷，影響無線通信的質量，所以在5G無線通信網絡的物理層研究過程中，必須要提高頻譜資源的利用率，解決頻譜資源短缺問題。毫米波通信技術是一種典型的傳輸方式，主要是利用毫米波的方式進行通信，在具體應用過程中，具有較強的優勢，如：對煙霧具有極強的穿透力、信號傳輸質量相對較高、信號傳輸的保密性比較高。就目前而言，幾乎所有的無線通信頻段都集中在300MHz-3GHz，而對該頻段之外的3-300GHz毫米波頻段的利用率相對較低。5G通信技術就是打破了傳統的無線通信頻段，著力對毫米波頻段進行有效的開發和利用，有效提高網絡的傳輸質量和傳輸效率，以滿足當今社會大數據時代的需求。

（二）大規模MIMO技術

MIMO技術的應用，能夠有效提高數據傳輸速率，提高系統的頻譜效率、增加信號的覆蓋范圍，提高信號的傳輸質量，以及解決熱點地區的高容量問題，對無線通信網絡的建設是至關重要的，當前該技術在無線通信網絡的構建中，已經得到了普遍的應用，但是5G無線通信網絡在構建的過程中，對于信號的要求會更高，傳統的MIMO技術已經無法滿足其要求，在這種情況下，就必須要加強大規模MIMO技術的研究，通過對基站的改造，有效提高系統的容量和頻譜效率。該技術在應用的過程中，只需要增加基站的天線數目，就能夠增加系統容量，改造的過程十分便利;而且，系統在應用的過程中成本比較低，輸出功率卻比較大，能夠降低系統的運行成本;最后經過實驗證明，天線數量增大，能在一定程度上解決噪聲和干擾問題，所以該技術的應用能夠有效提高信號的傳輸速率和質量。

（三）綠色通信技術

綠色通信技術主要用于降低信息傳輸過程中的能量消耗。從現有技術水平來說，這是目前無線通信業發展的一大挑戰。雖說目前無線通信所消耗的能源僅占所有產業總能耗的3%，但是這個數值每年以15%～20%的速度增長。4G通信方式的普及已使通信技術的能耗大幅度增加，一旦5G通信系統普及，將面臨更加嚴峻的考驗。因此，研究綠色通信技術有非常重要的意義。目前，針對這方面的研究主要以提高能源的利用效率為目的，但降低了通信系統的頻譜效率。如何根據實際情況權衡兩者，成為當前必須面對的一個問題。

（四）雙公開技術

通常意義上的雙公開技術指信息能夠實現同時傳輸和同頻率傳輸。現有的通信系統在信息傳輸過程中會受到信號干擾，而全公開技術能有效提高頻率的利用率，實現多頻率的信息傳輸，克服了一個通信系統不能同頻率和雙向傳輸的技術難題。這是當下人們熱衷于研究雙公開技術的原因。對5G通信系統而言，應用雙公開技術能夠有效利用無線頻譜資源。具體來說，通過抵消干擾信號的模擬端，抵消已知干擾端數字信號的干擾，解決傳輸過程中系統的干擾問題。

三、5G應用場景分析

5G無線通信網絡與傳統的網絡不同，不僅要滿足移動終端用戶對語音、視頻、圖片等多項業務的需求，并且5G網絡系統有效增強了數據的業務范圍、業務能力。未來的世界是5G網絡系統的世界，是一個多網絡的融合，構成了一個涉及人們交通、工作、休閑、居住等各個場景在內的、巨大的異構網絡。并且5G異構網（如圖1所示）絡將突破現有網絡系統的信號傳輸質量和傳輸效率，尤其是在高密住宅區、辦公室、、露天集會、體育場擁擠的交通、地鐵、高速公路等特殊的場景下，5G異構網絡顯示了巨大的優勢。與傳統的網絡系統相比，5G無線通信網絡技術在人們日常的生活、工作、休閑娛樂中得到了廣泛的應用，并且具有顯著的優勢，集中表現在：第一是增加了信道的帶寬，充分利用了新興的信息技術，如：毫米波通信技術、無線電認知技術等，獲得了更多的頻譜資源，提高了網絡信息系統的容量;第二是充分利用了大規模的MIMO信息技術、空間調制技術等，有效增加了信道的子信道數目;第三是增加了傳統網絡的覆蓋率，有效消除了信息傳輸過程中的干擾因素，提高了信息傳輸的速率和質量。

四、結語

總之，網絡物理層構成了5G無線網絡的核心，物理層的基本性能也直接關系到整個無線網絡。當前我國5G通信網絡的建設步伐也在逐步加快，計劃在2020年后進行5G無線通信網絡的全面覆蓋，5G通信網絡能夠使得信息傳輸進一步加快，滿足更多用戶更高的通信要求，提升用戶體驗，但是，在建設過程中我們還有很多關鍵技術需要突破，加強對毫米波通信、大規模MIMO技術等的研究探討，加速推動我國5G無線通信網絡的建設實現。

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作者簡介：

崔曉慶（1978.11-），男，山東省濟南市人，山東大學畢業，本科，研究方向：通訊傳輸與無線技術。

（作者單位：山東省郵電工程有限公司）