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

周 勇

（中郵通建設(shè)咨詢有限公司，南京 210000）

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及移動(dòng)設(shè)備用戶的不斷增加，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。從上個(gè)世紀(jì)90年代的2G系統(tǒng)，到2001年3G系統(tǒng)、2008年的4G系統(tǒng)，再到如今的LTE-Advanced技術(shù)。如今，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)已經(jīng)全面融入到人們的生活中，顯著改善了人們的生活方式。

1 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)

4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)雖然具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在具體的利用過(guò)程中，在頻譜效率、用戶數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)流量等方面，仍存在一定的問(wèn)題。這就在一定程度上，推動(dòng)了5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展。

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，主要是利用高頻段進(jìn)行通信，并為用戶提供了高效的、穩(wěn)定的、安全的、實(shí)時(shí)的無(wú)線通信方式[1]。與4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，集中表現(xiàn)在以下三方面：

首先，提升了頻譜資源的利用率。就目前而言，全球可以利用的頻譜資源主要集中在300MHz-3GHz，尤其是隨著移動(dòng)用戶設(shè)備的持續(xù)增加，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)頻譜出現(xiàn)資源過(guò)度集中的現(xiàn)象，這就在一定程度上影響了信息傳遞的速率，以及信息傳遞的整體質(zhì)量。5G 網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的研究，更進(jìn)一步拓展了頻率段，使其拓展為3-300GHz，實(shí)現(xiàn)了頻譜資源的有效利用。

其次，擴(kuò)展了系統(tǒng)的容量。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類社會(huì)已經(jīng)全面進(jìn)入到信息時(shí)代，且其使用數(shù)量已經(jīng)出現(xiàn)千倍的增長(zhǎng)趨勢(shì)，信息社會(huì)也逐漸進(jìn)入到大數(shù)據(jù)時(shí)代。在這種情況下，4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)無(wú)法滿足當(dāng)前的需求。而5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，保證視頻、音頻、圖片等信息的快速傳播。

最后，更加注重了用戶的體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，改變了人的生活方式，豐富了人們的日常。5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，給用戶提供了一個(gè)更加高效、流暢、便捷和穩(wěn)定的無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，不僅有效保證了技術(shù)的先先進(jìn)行，更加重視用戶隨時(shí)隨地體驗(yàn)[2]。

2 5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息物理層關(guān)鍵技術(shù)

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的興起和發(fā)展，必須要有關(guān)鍵的技術(shù)作支撐。

2.1 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，主要是利用毫米波的方式進(jìn)行通信，在具體應(yīng)用過(guò)程中，具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，如：對(duì)煙霧具有極強(qiáng)的穿透力、信號(hào)傳輸質(zhì)量相對(duì)較高、信號(hào)傳輸?shù)谋Ｃ苄员容^高。

就目前而言，幾乎所有的無(wú)線通信頻段都集中在300MHz-3GHz，而對(duì)該頻段之外的3-300GHz毫米波頻段的利用率相對(duì)較低。5G通信技術(shù)就是打破了傳統(tǒng)的無(wú)線通信頻段，著力對(duì)毫米波頻段進(jìn)行有效的開(kāi)發(fā)和利用，有效提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量和傳輸效率，以滿足當(dāng)今社會(huì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求。

隨著5G技術(shù)的興起，5G毫米波通信技術(shù)的相關(guān)研究也取得了一定的成果。如：三星的研究人員設(shè)計(jì)了一種波束成形天線，這種天線可以在毫米波頻段工作，并在2km的距離上實(shí)現(xiàn)了1Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；還有的學(xué)者分別在28GHz、38GHz兩個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行傳播測(cè)量試驗(yàn)，并且得到了相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為5G毫米波技術(shù)提供了較大的參考價(jià)值。但是，擺在研究人員面前的是，5G毫米波技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，還必須要克服一些問(wèn)題，主要集中在毫米波傳播過(guò)程中的路徑損耗、建筑物穿透損耗、雨衰等[3]。

2.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)

3G、LTF、Wi-Fi技術(shù)等都屬于MIMO技術(shù)，但這種傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)在利用的過(guò)程中，不僅硬件和信號(hào)處理復(fù)雜度出現(xiàn)了增加的現(xiàn)象，且能量消耗也存在一定的問(wèn)題。尤其是隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)圖片、視頻等高需求。

在這種情況下，大規(guī)模的MIMO技術(shù)營(yíng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)（如圖1所示）相比，大規(guī)模的MIMO技術(shù)主要是采用減少區(qū)域尺寸的方式，提高信號(hào)傳輸?shù)娜萘?。大?guī)模的MIMO技術(shù)不需要大面積的更新移動(dòng)用戶的終端設(shè)備，有效提高了系統(tǒng)的覆蓋率，提高了頻譜的利用效率，并且提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率。

圖1 大規(guī)模MIMO基本模型

隨著5G系統(tǒng)的研究，大規(guī)模的MIMO信息技術(shù)作為一個(gè)新興的領(lǐng)域，并且取得了一定的研究成果。但是大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)下，數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中非常容易受到多種因素的干擾，如：小區(qū)內(nèi)干擾、非相干干擾、區(qū)間干擾等。另外，大規(guī)模的MIMO技術(shù)在運(yùn)行的過(guò)程中，隨著天線數(shù)目的逐漸增多，必須要及時(shí)了解基站的信道狀態(tài)，并對(duì)其上行、下行的信道進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)，以有效保證信號(hào)較快的傳輸速率。

3 5G應(yīng)用場(chǎng)景

5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，不僅要滿足移動(dòng)終端用戶對(duì)語(yǔ)音、視頻、圖片等多項(xiàng)業(yè)務(wù)的需求，并且5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有效增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)范圍、業(yè)務(wù)能力。

未來(lái)的世界是5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的世界，是一個(gè)多網(wǎng)絡(luò)的融合，構(gòu)成了一個(gè)涉及人們交通、工作、休閑、居住等各個(gè)場(chǎng)景在內(nèi)的、巨大的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。并且5G異構(gòu)網(wǎng)（如圖2所示）絡(luò)將突破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸質(zhì)量和傳輸效率，尤其是在高密住宅區(qū)、辦公室、體育場(chǎng)、露天集會(huì)、擁擠的交通、地鐵、高速公路等特殊的場(chǎng)景下，5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)顯示了巨大的優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在人們?nèi)粘５纳?、工作、休閑娛樂(lè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且具有顯著的優(yōu)勢(shì)，集中表現(xiàn)在：一是增加了信道的帶寬，充分利用了新興的信息技術(shù)，如：毫米波通信技術(shù)、無(wú)線電認(rèn)知技術(shù)等，獲得了更多的頻譜資源，提高了網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的容量；二是充分利用了大規(guī)模的MIMO信息技術(shù)、空間調(diào)制技術(shù)等，有效增加了信道的子信道數(shù)目；三是增加了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，有效消除了信息傳輸過(guò)程中的干擾因素，提高了信息傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量[4]。

圖2 5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)滿足了互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，有效提高了信息傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量，給用戶創(chuàng)造更加的用戶體驗(yàn)服務(wù)。因此，必須要對(duì)5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，以有效促進(jìn)5G通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。