5G無線通信網絡物理層關鍵技術分析

揭英俊，柏 松

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

21世紀以來，無線通信技術發生了翻天覆地的革新。2001年3G技術問世，使無線通信技術逐步向多媒體科技方向發展。4G技術的出現給人們帶來了不一樣的體驗，相較于3G技術而言，大大提升了無線通信的速率、性能等。雖然現階段我國5G技術仍處于逐步實驗與推廣過程，但5G技術有著廣闊的發展空間，同時會給人們帶來不一樣的科技體驗。所以，通過對5G無線通信網絡發展的意義、5G無線通信網絡的蜂窩結構、5G無線通信網絡物理層關鍵技術以及5G無線通信網絡應用前景等內容的分析，希望能為5G技術的未來發展提供合理建議，推動5G技術得到切實推廣與應用[1]。

1 5G無線通信網絡構建的意義

1.1 提升了頻譜資源的利用率

通過分析4G技術中的頻譜資源利用率可知，無線通信網絡中的頻譜資源相對集中，在一定程度上不但會影響通信信息的傳遞速率，也會對信息傳播的效率與質量產生重大影響。相較于4G無線通信網絡技術，5G通信網絡可以實現對頻譜資源的合理分配，提升了信息的傳遞速率。

1.2 擴展了系統的容量

隨著互聯網技術的不斷革新與發展，人們已走入信息化社會。相關科學統計表明，現階段全球通信數據使用的增長量處于較高水平。隨著社會的發展，人們對通信過程中的信息傳輸質量與速度要求越來越高，人們的使用量不斷提升，而4G技術已無法滿足人們現階段的需求，5G技術的應用成為必然趨勢。5G通信網絡技術可以在確保數據傳輸可靠性的基礎上，提升傳輸質量與速度。

1.3 更加注重用戶的體驗

無線通信網絡技術的發展一定程度上給人們的生活帶來了極大便利，同時也改變著人們的生活方式。從通信網絡發展與人們的需求出發，5G技術需要在保證技術先進的同時不斷提升用戶體驗。5G無線通信網絡技術在物理層等方面已取得了突破性進展，能夠在保證質量與速度的同時，極大地提升用戶的滿足感[2]。

2 5G無線通信網絡的蜂窩結構

蜂窩結構是5G系統中的重要組成部分。現階段，約90%的無線用戶在室內使用網絡，在室外使用的用戶僅占10%左右。而小區的建設情況對室外基站在小區中的信號強弱有很大的影響。建筑物的墻體結構會大大降低信息的傳輸速率與傳輸質量，進而降低數據傳輸的頻譜效率，最終降低無線傳輸的能量。針對這一問題，5G蜂窩結構應運而生，可以大大降低信息傳輸過程中的能量損耗。

對于無線通信網絡的異構蜂窩結構而言，只有針對關鍵技術提出針對性的解決策略，并加強落實和實施，才能有效保證5G資源的充分利用。根據香農理論，系統總容量為：

式中，Bi是第i個信道帶寬，Pi是第i個信道的信號功率，Np表示噪聲功率。

傳輸基站中的天線陣列需要在DAS系統和MIMO技術的共同輔助下才能實現其功能?，F階段使用的MIMO系統多是利用2～4根天線，而大規模的MIMO系統則需要通過使用大量的天線陣列來提升容量。室外基站需要依賴大型的天線陣列，通過光纖鏈接至BS、DAS和MIMO系統。在實際應用過程中，室外移動用戶的天線元件的數量受到了一定限制，通過相互配合而形成的虛擬大型陣列的天線與BS天線陣列的構建，最終可以使MIMO鏈路正常運轉。所以，在實際安裝過程中，在室外安裝分布式天線陣列十分重要。該陣列通過電纜與無線接入點之間的連接實現室內外信息的互通。但是，在實際使用過程中，設備成本較高，導致短期內基礎設施的成本提升。若從中長期來看，小區信息的吞吐量、頻譜效率、小區內系統的通信速率都會大幅度提高。5G異構蜂窩體系結構，如圖1所示。

圖1 5G異構蜂窩體系結構圖

3 5G無線通信網絡物理層關鍵技術分析

無線通信網絡技術的發展需要大量技術的支持，5G無線通信網絡技術的使用也是網絡化發展的必然趨勢。隨著人們生活水平的不斷提升，人們對通信速率與質量有了更高的標準與需求，在一定程度上推動了無線通信網絡技術的發展[3]。因此，將對5G無線通信網絡在實際發展過程中需要的物理層關鍵技術進行分析，架構見圖2。

圖2 5G無線通信網絡物理層架構圖

3.1 毫米波通信

無線網絡通信技術在實際發展中需要依賴大量的頻譜資源?，F階段運營商的無線通信頻率多處在300 MHz～3 GHz，同時毫米波頻段的效率相對較差。高效使用頻譜資源在一定程度上可緩解頻譜資源稀缺的狀況，同時可以提升無線通信網絡的傳輸速度。

3.1.1 路 徑

在信號發射過程中，輻射會導致信號分散，降低信號傳輸質量。此類問題屬于信號傳輸過程中十分常見的問題。發射信號在無線信道中傳播時，極易受到外界環境的影響出現信號紊亂的情況。自由空間路徑的損耗可以表示為：

其中：d表示波長范圍，單位為km；f為頻率，單位為MHz。

可以看出，在一定的傳播長度內，信號的傳輸頻率和傳輸路徑的損耗成正比。與300 MHz～3 GHz的頻段相較而言，毫米波頻段的允許消耗范圍更寬，所接收的信號可在高頻段內產生波束，進而將能量限制于一定范圍而實現高產能，降低能量損耗。

3.1.2 建筑物

無線通信網絡在信號實際傳輸過程中需要穿過建筑物，而在穿透建筑物的過程中會損耗一定的能量。低頻段的信號在穿透過程中能量損耗較小，而毫米波在實際穿透過程中能量損耗相對較大，同時傳輸路程短。

3.2 MIMO技術概念

MIMO技術在信號交換傳輸的過程中可以有效提升傳輸信號質量、信號強度，降低能量損耗，現階段已被廣泛應用于諸多移動通信技術中，如4G、WiFi。

大規模MIMO基本模型如圖3所示。大規模使用MIMO技術，可以在很大程度上縮短小區的尺寸，提升系統的信息容量[4]。MIMO系統通過增加基站的數目，大大提升了系統容量。同時，系統的組件可以使用相對廉價的原件進行組合，很大程度上降低了運營成本。當基站中天線的數目足夠多時，系統所受到的干擾可被忽略。

圖3 大規模MIMO基本模型

3.3 大規模MIMO在高頻段的應用

當無線通信網絡技術處于發展階段時，移動通信系統的實際運行頻段均低于3 GHz。但是，隨著用戶需求量的增加，該頻段的信號傳輸將變得十分擁擠，進而導致網絡卡頓等現象的出現。同時，由于天線數目增多，一定程度上提升了設備負載，給設備帶來了巨大壓力。系統實際運行的頻率影響著天線尺寸，而增加MIMO在高頻段的使用可切實解決這一問題。所以，大規模使用MIMO技術是未來5G技術的發展方向，可以有效緩解高頻段信號中存在的資源緊張問題[5]。

4 5G無線通信網絡的應用前景

與現階段使用的4G技術不同，5G無線通信網絡可以為用戶提供高質量的視頻、語音等服務?，F階段，各國均投入大量的人力物力研究5G無線通信網絡技術，力求在最短的時間內研制成功。我國華為公司已成功研制出5G無線通信技術，正在全球逐步推廣[6]。5G無線通信網絡的使用會大幅度提升人們的工作效率，使人們的生活更加便利，使互聯網技術向更多領域拓展，解決人口高密度地區網絡差等問題。需要注意，盡管現階段5G無線網絡技術取得了長足的進步，但仍有部分問題需要解決。

5 結 論

隨著社會的不斷發展和人們生活水平的提高，人們的各方面需求也在不斷提升，同時人們對通信行業無線通信數據的質量與速度要求也在不斷提高。為適應社會發展，提升核心競爭力，針對5G無線通信系統中的蜂窩結構和物理層關鍵技術展開分析。它們是5G無線通信技術發展的核心，也是推動5G無線通信技術發展的重要力量。綜上所述，使用5G通信技術是時代發展的必然趨勢，也是國家通信網絡發展的重要內容，在一定程度上能提升國家核心競爭力，具有重要意義。