基于5G 的無線通信網絡物理層關鍵技術探究

江敏仙

（中建電子信息技術有限公司，北京 100000）

0 引言

就目前來看，現代信息新技術層出不窮、移動設備用戶量持續增長，無線通訊網絡事業發展速度進一步加快。在5G 時代下，無線通信網絡體系將更加完善。通過利用高頻段開展通信工作，為用戶提供更為高效、穩定、實時的無線通訊方式。物理層是無線通信網絡體系重要結構之一，通過研究無線通信網絡物理層關鍵技術，能夠不斷優化無線通信網絡功能，加快信息傳輸速度，為用戶帶來更好的通信體驗。

1 5G 無線通信網絡物理層關鍵技術特征

當前信息技術發展速度不斷加快，大眾網絡通訊要求進一步提升，無線通信網絡可以傳輸更多媒體數據，并具備大量媒體數字型、服務型特征。為有效解決傳統4G 系統在實際運行期間頻譜資源較為緊缺、頻譜資源較少、用戶數目持續增長、快速增長的數據流會使通信要求無法切實滿足等問題，開發了5G 無線通信網絡系統[1]。

5G 需要以無縫、可靠的互聯互通為目標，有效改善當前環境，滿足未來信息發展下的大數據要求?，F階段5G 無線通信網絡特征包括以下5 點。

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

（2）5G 無線通訊網絡的系統容量更大。現有移動互聯網發展速度極快，頻譜技術更加成熟，數據傳輸速率以及無線通信數據量不斷增長。而5G 移動通信系統具有更大的系統容量，能夠更好地滿足社會發展期間的網絡通信與數據利用要求。

（3）提供高質量用戶服務、現有無線通信網絡對用戶數據的傳輸速度進一步提升，數據速率也與用戶體驗感密切相關。5G 無線通信網絡體系能夠為用戶提供更加安全、高效、穩定的無線網絡環境，增強用戶最佳體驗感。

（4）控制能量損耗率?，F階段無線通信網絡傳輸期間的能耗問題更為嚴重，為確保無線通信系統建設及運營環節能夠始終秉持可持續發展原則，需要著重控制運行期間的能量消耗度。5G 無線通信網絡逐步趨向綠色通信、環境友好型通信轉變，可以在滿足不斷增長業務量的同時，將能耗量控制在最小范圍內。

（5）5G 網絡以蜂窩結構為主要形態。使用蜂窩結構體系，能夠有效滿足建筑系統要求。由于戶外利用時間是總時間的20%，小區建筑物會影響到網絡基站建設效果、建筑墻體結構也會使得無線網絡在穿過墻體期間出現一定的損耗情況，減少數據傳輸速率以及頻譜速率，導致無線傳輸能量降低、配合使用5G 蜂窩結構，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，可起到更加良好的輔助作用[2]。

2 5G 無線通信網絡物理層關鍵技術

無線通訊網絡發展需要各類核心技術支持，確保技術應用過程中能夠滿足網絡通信需求，推動無線通信網絡不斷發展。在5G 無線通信網絡中，也需要著重研究無線通信網絡物理層關鍵技術。

2.1 毫米波通信技術

通訊技術發展需要使用大量的頻譜資源，但就目前來看，大部分商業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 無線通信網絡中，物理層主要使用了毫米波通信技術。具體來說，毫米波通信技術主要就是可以在毫米波頻段進行通信，提高通信質量水平，確保2km 范圍內數據傳輸總量能夠得到持續增長。通過建立起城市統計數據信道、城市移動波段通信體系建設具有支持作用。但在毫米波通訊技術應用過程中，也需要著重解決關于路徑損耗、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際運行過程中，受到發射功率輻射拓展、信道傳輸因素影響，導致線路運行緩解異常消耗、信道傳輸效率不高。在出現路徑損耗問題后，無線通信網絡運行期間極為常見，信號發射以及在無線信道內傳輸時，經常會受到噪聲、電磁干擾、其他信道影響。信道自身原因也會出現損耗情況，需要構建起自由空間路徑損耗模型[3]。通過實際研究發現，信道內部波長減少，頻率持續增加，信道自由空間損耗量將會進一步增大。換言之，在一定信號傳輸范圍內，傳輸頻率越高、信號的損耗率將越大。通過使用高頻段大規模設施接收發射天線，形成波束結構，可以將頻譜與能量值集中傳輸，從根本上提升通信水平，避免自由空間內部能耗量過大。對系統整體運行效率造成不利影響。

MIMO 物穿透損耗。信號在穿過MIMO 物時不可避免地會出現損耗，由于頻率較低的信號會穿透MIMO物材料，實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。若穿透損耗量持續增長，信號往往無法穿透MIMO 物進入室內，導致室內接收到的信號十分微弱。現階段通過在市內建立WiˉFi 節點、毫微微蜂窩手段，能夠有效提升室內信號傳輸質量，并可實現傳輸無壓縮視頻目標。

雨衰。在毫米波通訊過程中，需要著重分析無線通信信號在毫米波段運行期間的傳輸特性。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，無線系統傳輸路徑會進一步延長，系統運行期間的穩定性下降。高頻段視距微波鏈路實際應用也受到不利影響，因此需要進行嚴格管控。在雨量較大的情況下，毫米波通信系統將會被嚴重干擾。因雨滴大小與發射波長基本相同，很容易出現散射情況，因此需要結合當地實際情況、降雨結構特征、大氣溫度持續變化，構建起平均雨衰模型。

2.2 大規模MIMO 技術

2.2.1 大規模MIMO 概況

MIMO 技術可以進一步提高系統運行期間的頻率值，切實保障數據傳輸水平，提高數據傳輸質量。在擴大系統運行覆蓋范圍過程中，應當將關注重點放置在分析并解決高容量地區熱點特征上，當前被廣泛應用在各類移動通信網絡中。原有MIMO 技術應用期間會存在硬件復雜性強、信號處理難度大、能耗量更多，需要進一步擴大物理空間的允許天線范圍，導致無線通訊網絡建設期間的土地租賃費用成本增加。不僅如此，移動互聯網及云計算技術下的數據業務指數不斷增長，傳統MIMO 技術體系依然無法滿足大眾日漸提升的多類型信息、互聯網接入等高速率數據業務傳輸要求。

大規模MIMO 技術主要就是在基站附近設置規模較大的天線，要求基站天線量應當大于當天線移動終端數目。在使用大規模MIMO 技術過程中，可以不用增加大量的用戶終端設備，而是通過對基站展開改造處理，提高基站運行過程中的容量值以及頻譜值，保障信號傳輸水平。

大規模MIMO 技術的應用優勢MIMO 技術更為顯著。具體來說，大規模MIMO 技術能夠有效控制尺寸，切實保障系統容量大小。通過增加基站天線數量，擴大系統容量值，有效簡化無線通信網絡傳輸流程，保障信號傳輸水平。另外，大規模MIMO 技術具體應用過程中可以使用價格更低、輸出功率更為可靠的放大元件，有效控制發射效率消耗量。在具體應用過程中，在天線數量充足的情況下，信號傳播期間的噪聲以及其他干擾就可忽略不計，使用最簡單的線性預編碼以及預編碼算法，而獲得最優結果[4]。

2.2.2 信道狀態信息獲取

大規模MIMO 技術現階段應用時間較短，取得成就顯著，具體應用期間依然存在較多不足之處。具體來說，在天線數量快速增長的情況下，基站運行期間對信道狀態信息的準確性與全面性要求更高，確保信道始終處于穩定可靠運行狀態。對于信道信息的獲取工作，配合使用先進技術手段，借助時分雙工系統、上下行信道中的信息狀態互譯原理，保障信息傳輸水平。

借助頻分雙工系統，利用終端用戶進行信道預估，獲得有限反饋信息。借助信道互譯專項系統，能夠進一步控制信道開銷量，省略建設復雜反饋機制的流程，基站天線數量也可根據實際建設要求靈活控制。依照互譯原理特性，在頻分雙攻系統運行環節，無法切實滿足高校移動場景通信要求。上行訓練運行環節，用戶終端應當肩負起向基站發送高頻信號的職責，對信道展開估算工作。因導頻空間信號維度較為有限，小區用戶需要結合實際導頻要求開展基站發射工作，導致導頻污染問題更為嚴重，難以在導頻污染問題出現后消失。由于導頻的污染較強，不會在增加基站天線數目的情況下消失，可以借助相同方差加性噪聲判斷手段，如果導頻污染問題對系統運行會造成嚴重影響，應當在具體建設期間配合使用干擾抵消技術、預編碼技術、傳輸協議方式控制污染。

在大規模MIMO 技術期間，數據傳輸水平會受到小區干擾、非相干干擾、有頻率污染下的區間干擾等因素。計算出不同干擾因素下的系統容量值，分析終端用戶、系統數量值、基站天線數目變化實際情況。在基站天線數量為100 時，導線復用因子為2，相對終端干擾位置因素對系統性能的影響差異性更大[5]。

2.2.3 大規模MIMO 技術在高頻段中的應用

基站天線數量不斷增長時，系統信息處理水平、系統外觀設計水平、網絡建設難度將大幅提升。系統運行頻率與天線配置方式存在密切關聯。如天線間距及尺寸小，高頻段運行期間的工程建設難度較小，5G 無線通訊網絡系統建設時，借助全新天線形態設計工作，可以使大規模MIMO 在高頻段的利用效果更為良好。

2.3 雙公開技術

雙公開技術需要使信息能夠滿足傳輸、同頻率傳輸要求?，F有通信網絡信息傳輸過程中，信號會受到各類干擾因素影響，難以切實保障傳輸效率。通過使用全公開技術，切實提升頻率資源利用水平，增強多頻信息傳輸效果，解決通信系統運行期間同頻率以及雙向傳輸難度大問題。5G 通信技術中的雙公開技術可以利用無線頻譜資源實現抵干擾信號模擬端目標，控制干擾信號端帶來的影響，保障信息整體傳輸期間的穩定性。雙公開技術能夠對現有資源進行精簡處理，減少外界干擾，從根本上提升傳輸效率控制傳輸成本?，F階段雙公開技術的研究工作需要從保障通信的可靠性與實時性、加大無線資源管理力度等方面入手。

2.4 綠色信道技術

綠色信道技術的應用能夠有效降低信息傳輸期間的能量消耗率。在現有無線通信領域中，消耗能源總量占總能源消耗總量的3%，并呈現出逐年上漲態勢。因此在現階段5G 無線通信網絡建設過程中，需要著重關注綠色信道研究工作，以增強能源利用率為目標，提升通信系統實際頻譜效率，為5G 技術的普及提供重要技術保障。針對綠色信道技術，國內外研究學者提出了一種有效的綠色通信解決方案，如設計出高能效資源配置系統，利用CoMP 高能效頻譜設計協作休眠方案。積極利用綠色共享通路保護計算工作，有效解決存在于綠色通道建立期間的回程功耗量[6]。

3 5G 無線通信網絡物理層關鍵技術應用場景

5G 技術不僅需要滿足語音及短信通信業務，還需要符合大數據業務實施特征，進一步提高網絡系統容量。具體來說，網絡系統容量是所有子信道以及網絡容量的總和，為從根本上提高網絡系統容量，需要著重關注以下工作。

首先，進一步增加信道寬度，配合使用毫米波通信技術手段、無線電認知技術獲取更多頻率資源，提高系統容量值。

其次，增強信道信號功率，提高能量效率，消除干擾因素，建設綠色信道。進一步增加子信道數量，積極應用大規模MIMO 技術、空間調制技術，不斷優化無線通信網絡系統。

最后，提高網絡覆蓋率，通過建設家庭基站、中繼等異構網絡，提高系統能量值，提升無線通信網絡的超高移動性、超高連接密度、超高流量值。

4 結語

總而言之，5G 移動通信系統更需要滿足多元化物聯網業務要求，將各類業務技術充分融合在一起，達到最佳用戶體驗。通過分析移動通訊網絡發展規律，發現當前5G 移動通信網絡技術使用頻段、技術指標以及發展方向的確立已經進入關鍵時期，為充分發揮出5G 無線通信網絡作用，還需要加大無線通信網絡物理層關鍵技術的研究力度，切實提高通信系統頻譜效率、能耗效率管控水平，重新整合無線通信網絡體系，使無線通信網絡物理層更為靈活，為推動我國無線通信網絡事業快速發展奠定堅實技術基礎。