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、移動設備用戶量持續(xù)增長，無線通訊網(wǎng)絡事業(yè)發(fā)展速度進一步加快。在5G 時代下，無線通信網(wǎng)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(wěn)定、實時的無線通訊方式。物理層是無線通信網(wǎng)絡體系重要結(jié)構(gòu)之一，通過研究無線通信網(wǎng)絡物理層關(guān)鍵技術(shù)，能夠不斷優(yōu)化無線通信網(wǎng)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(wǎng)絡物理層關(guān)鍵技術(shù)特征

當前信息技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，大眾網(wǎng)絡通訊要求進一步提升，無線通信網(wǎng)絡可以傳輸更多媒體數(shù)據(jù)，并具備大量媒體數(shù)字型、服務型特征。為有效解決傳統(tǒng)4G 系統(tǒng)在實際運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、快速增長的數(shù)據(jù)流會使通信要求無法切實滿足等問題，開發(fā)了5G 無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)[1]。

5G 需要以無縫、可靠的互聯(lián)互通為目標，有效改善當前環(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)絡特征包括以下5 點。

（1）5G 無線通信網(wǎng)絡能夠借助更高頻譜資源。原有無線通信網(wǎng)絡的頻譜資源多數(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(wǎng)絡的系統(tǒng)容量更大。現(xiàn)有移動互聯(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。而5G 移動通信系統(tǒng)具有更大的系統(tǒng)容量，能夠更好地滿足社會發(fā)展期間的網(wǎng)絡通信與數(shù)據(jù)利用要求。

（3）提供高質(zhì)量用戶服務、現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡對用戶數(shù)據(jù)的傳輸速度進一步提升，數(shù)據(jù)速率也與用戶體驗感密切相關(guān)。5G 無線通信網(wǎng)絡體系能夠為用戶提供更加安全、高效、穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡環(huán)境，增強用戶最佳體驗感。

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

（5）5G 網(wǎng)絡以蜂窩結(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。由于戶外利用時間是總時間的20%，小區(qū)建筑物會影響到網(wǎng)絡基站建設效果、建筑墻體結(jié)構(gòu)也會使得無線網(wǎng)絡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)絡物理層關(guān)鍵技術(shù)

無線通訊網(wǎng)絡發(fā)展需要各類核心技術(shù)支持，確保技術(shù)應用過程中能夠滿足網(wǎng)絡通信需求，推動無線通信網(wǎng)絡不斷發(fā)展。在5G 無線通信網(wǎng)絡中，也需要著重研究無線通信網(wǎng)絡物理層關(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。通過建立起城市統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(shù)應用過程中，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際運行過程中，受到發(fā)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(xiàn)路徑損耗問題后，無線通信網(wǎng)絡運行期間極為常見，信號發(fā)射以及在無線信道內(nèi)傳輸時，經(jīng)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(xiàn)損耗情況，需要構(gòu)建起自由空間路徑損耗模型[3]。通過實際研究發(fā)現(xiàn)，信道內(nèi)部波長減少，頻率持續(xù)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(nèi)，傳輸頻率越高、信號的損耗率將越大。通過使用高頻段大規(guī)模設施接收發(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。對系統(tǒng)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(xiàn)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(xù)增長，信號往往無法穿透MIMO 物進入室內(nèi)，導致室內(nèi)接收到的信號十分微弱。現(xiàn)階段通過在市內(nèi)建立WiˉFi 節(jié)點、毫微微蜂窩手段，能夠有效提升室內(nèi)信號傳輸質(zhì)量，并可實現(xiàn)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(tǒng)傳輸路徑會進一步延長，系統(tǒng)運行期間的穩(wěn)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(tǒng)將會被嚴重干擾。因雨滴大小與發(fā)射波長基本相同，很容易出現(xiàn)散射情況，因此需要結(jié)合當?shù)貙嶋H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)可以進一步提高系統(tǒng)運行期間的頻率值，切實保障數(shù)據(jù)傳輸水平，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。在擴大系統(tǒng)運行覆蓋范圍過程中，應當將關(guān)注重點放置在分析并解決高容量地區(qū)熱點特征上，當前被廣泛應用在各類移動通信網(wǎng)絡中。原有MIMO 技術(shù)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(wǎng)絡建設期間的土地租賃費用成本增加。不僅如此，移動互聯(lián)網(wǎng)及云計算技術(shù)下的數(shù)據(jù)業(yè)務指數(shù)不斷增長，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)務傳輸要求。

大規(guī)模MIMO 技術(shù)主要就是在基站附近設置規(guī)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(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(guī)模MIMO 技術(shù)的應用優(yōu)勢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，切實保障系統(tǒng)容量大小。通過增加基站天線數(shù)量，擴大系統(tǒng)容量值，有效簡化無線通信網(wǎng)絡傳輸流程，保障信號傳輸水平。另外，大規(guī)模MIMO 技術(shù)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(fā)射效率消耗量。在具體應用過程中，在天線數(shù)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(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(shù)量快速增長的情況下，基站運行期間對信道狀態(tài)信息的準確性與全面性要求更高，確保信道始終處于穩(wěn)定可靠運行狀態(tài)。對于信道信息的獲取工作，配合使用先進技術(shù)手段，借助時分雙工系統(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)，利用終端用戶進行信道預估，獲得有限反饋信息。借助信道互譯專項系統(tǒng)，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(shù)量也可根據(jù)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(tǒng)運行環(huán)節(jié)，無法切實滿足高校移動場景通信要求。上行訓練運行環(huán)節(jié)，用戶終端應當肩負起向基站發(fā)送高頻信號的職責，對信道展開估算工作。因?qū)ьl空間信號維度較為有限，小區(qū)用戶需要結(jié)合實際導頻要求開展基站發(fā)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(xiàn)后消失。由于導頻的污染較強，不會在增加基站天線數(shù)目的情況下消失，可以借助相同方差加性噪聲判斷手段，如果導頻污染問題對系統(tǒng)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(shù)、預編碼技術(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)目變化實際情況。在基站天線數(shù)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(tǒng)性能的影響差異性更大[5]。

2.2.3 大規(guī)模MIMO 技術(shù)在高頻段中的應用

基站天線數(shù)量不斷增長時，系統(tǒng)信息處理水平、系統(tǒng)外觀設計水平、網(wǎng)絡建設難度將大幅提升。系統(tǒng)運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，高頻段運行期間的工程建設難度較小，5G 無線通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)建設時，借助全新天線形態(tài)設計工作，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(shù)，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(tǒng)運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現(xiàn)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(wěn)定性。雙公開技術(shù)能夠?qū)ΜF(xiàn)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。現(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(shù)

綠色信道技術(shù)的應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。因此在現(xiàn)階段5G 無線通信網(wǎng)絡建設過程中，需要著重關(guān)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(tǒng)實際頻譜效率，為5G 技術(shù)的普及提供重要技術(shù)保障。針對綠色信道技術(shù)，國內(nèi)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(tǒng)，利用CoMP 高能效頻譜設計協(xié)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(wǎng)絡物理層關(guān)鍵技術(shù)應用場景

5G 技術(shù)不僅需要滿足語音及短信通信業(yè)務，還需要符合大數(shù)據(jù)業(yè)務實施特征，進一步提高網(wǎng)絡系統(tǒng)容量。具體來說，網(wǎng)絡系統(tǒng)容量是所有子信道以及網(wǎng)絡容量的總和，為從根本上提高網(wǎng)絡系統(tǒng)容量，需要著重關(guān)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(shù)手段、無線電認知技術(shù)獲取更多頻率資源，提高系統(tǒng)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(shù)量，積極應用大規(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)絡系統(tǒng)。

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

4 結(jié)語

總而言之，5G 移動通信系統(tǒng)更需要滿足多元化物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務要求，將各類業(yè)務技術(shù)充分融合在一起，達到最佳用戶體驗。通過分析移動通訊網(wǎng)絡發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當前5G 移動通信網(wǎng)絡技術(shù)使用頻段、技術(shù)指標以及發(fā)展方向的確立已經(jīng)進入關(guān)鍵時期，為充分發(fā)揮出5G 無線通信網(wǎng)絡作用，還需要加大無線通信網(wǎng)絡物理層關(guān)鍵技術(shù)的研究力度，切實提高通信系統(tǒng)頻譜效率、能耗效率管控水平，重新整合無線通信網(wǎng)絡體系，使無線通信網(wǎng)絡物理層更為靈活，為推動我國無線通信網(wǎng)絡事業(yè)快速發(fā)展奠定堅實技術(shù)基礎。