5G無線通信網絡物理層關鍵技術研究

朱曉敏

摘要：文章從5G無線通信網絡的關鍵性能指標入手，介紹了5G無線通信網絡的技術優勢，并對5G無線通信網絡物理層的關鍵技術進行探究，從而進一步提出強化5G無線通信網絡物理層關鍵技術的有效策略，旨在為未來5G無線通信網絡的發展提供積極的參考作用。

關鍵詞：5G無線通信網絡；物理層；關鍵技術

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0077-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

在信息時代發展的潮流下，5G無線通信網絡技術已逐漸成熟并投入應用，在相關領域表現出了新的發展趨勢，在未來必定會有更廣闊的發展前景。由于物理層的關鍵技術是影響無線通信網絡效果的重要因素，因此對于5G無線通信網絡，要進一步做好對物理層的關鍵技術分析，強化5G無線通信的能力，使5G網絡向著更高的安全通信和高效通信的目標前進。

1 5G無線通信網絡關鍵性能指標

5G無線通信網絡主要包含增強型移動寬帶、大量節點機器型通信和高可靠機器通信三大模塊，其關鍵性能指標預期如圖1所示：

通過對這三大模塊的覆蓋和高效連接，能夠有效提升5G無線通信網絡的關鍵性能指標，從而更好地提升5G技術在各項場景中的應用能力。其中，增強型移動寬帶模塊能夠有效改善移動寬帶的延遲，提高接入速率、容量、覆蓋范圍和用戶服務率，即使是在用戶眾多、信號擁擠的區域，也能夠實現實時的數據流傳輸；大量節點機器型通信能夠使得低成本、低功耗的耐用設備實現對嵌入式高速傳感器、停車傳感器和智能電表的應用；高可靠機器通信能夠使得用戶與設備能夠以最低的延遲進行雙向通信，在保證網絡的高可用性的同時，也大幅提升了數據信息共享的效率[1]。

此外，蜂窩無線網絡和物聯網的場景應用也是5G關鍵性能指標中的重要部分。對于蜂窩無線網絡，其場景應用主要為移動熱點的高容量和連續的廣域覆蓋，其中，移動熱點的高容量需要在商場、步行街等終端分布密度極大的區域，能夠保證用戶體驗速率平均達到1Gbps，峰值速率在10Gbps以上；連續的廣域覆蓋則要求在信號較差的區域，例如高鐵、動車和高速公路等信號較差的場景，用戶終端的體驗速率也要達到100Mbps。對于物聯網，其場景應用主要為低功耗熱點連接和低時延業務，其中，低功耗熱點連接需要在保證成本較低和功耗較低的情況下，熱點連接的覆蓋區域達到100萬平方千米；而低時延業務則需要在保證業務質量可靠的同時，空口時延處于1ms，從而具有更快的響應速度。

2 5G無線通信網絡技術優勢

無線通信網絡技術經歷了多年的發展，目前正處于4G網絡全覆蓋，5G網絡處于發展高速期的階段，雖然4G網絡技術具有更好的覆蓋優勢，且其應用效果也能夠滿足大眾的生活需求，但由于技術的限制，導致4G網絡技術在應用過程中，對于其頻譜效率、用戶總數和系統容量等方面與目前理論上的峰值還具有較大的差距，只有通過運用5G技術，才能進一步突破瓶頸，實現高頻段通信，進而達到更好的通信效果。5G無線通信網絡技術的優勢主要體現在提升頻譜資源的利用率、提升用戶體驗和擴展系統容量等方面：

1）提升頻譜資源的利用率。在現階段，無線通信網絡在全球范圍內可以直接利用的資源主要處在300Mhz—3Ghz的范圍內，隨著用戶數量的不斷增多，無線通信網絡技術在進行發展時，其中的頻譜資源容易出現過度集中的問題，會導致信息傳輸的過程中出現較為嚴重的干擾，進而影響到信息傳輸的實際效率[2]。而通過運用5G無線通信網絡技術，能夠將頻譜資源進行更加細致的分析，從而依據自身特點做出科學合理的分配，實現對頻譜段的有效拓展，進一步提升信息傳輸的穩定性，滿足用戶更高的通信需求。

2）提升用戶體驗。通過運用5G無線通信網絡技術，能夠幫助用戶更好地進行視頻、音頻、圖像和文字資源的獲取效率，并保持良好的抗干擾性，能夠長時間不受外部環境的干擾，從而更好地提升用戶之間溝通和對接的效率。例如，用戶在觀看大容量高碼率的視頻或者直播時，采用4G網絡時，雖然能做到秒開和秒看的需求，但一旦出現用戶擁擠的情況，將會導致卡頓和長時間的緩沖，而通過運用5G網絡，能大幅降低出現用戶擁擠的情況，強化預加載的能力，從而避免出現卡頓或長時間卡頓的異常情況，進一步提升用戶的體驗感。

3）擴展系統容量。在網絡信息時代，傳統通信技術系統的容量已經無法滿足用戶日益增長的無線通信的需要，例如在應用4G無線通信技術時，由于技術存在限制，從而導致系統的容量無法得到有效的擴展，因此在實際的無線通信中，一旦信號擁擠，不僅會導致通信效率受到影響，通信的質量也容易受到干擾；而通過運用5G無線通信技術，能夠突破傳統系統容量的上限，使得整體的系統容量得到有效的擴展，不僅提高了信息的傳輸速率，更為無線通信提供了大量的可利用資源，使得用戶之間的溝通與信息共享更加穩定。

3 5G無線通信網絡物理層關鍵技術

3.1 大規模MIMO無線通信技術

3.1.1 技術簡介

MIMO無線通信技術作為無線通信網絡物理層的核心部分，在應用到無線通信后，能夠有效提升通信系統的頻譜效率，從而保持穩定安全的信號傳輸能力。從無線通信網絡的發展歷程來看，傳統的MIMO無線通信技術雖然能夠在無線通信網絡中發揮出良好的應用價值，但隨著通信技術的不斷更新，傳統的MIMO無線通信技術已經存在著很多的技術瓶頸，出現了例如用戶端的流程復雜、頻譜資源不匹配等問題；而基于5G的大規模MIMO無線通信技術，不僅能夠提升系統容量，簡化流程，而且對于用戶終端，可以在不改變終端設備的基礎上，只需要對原有基站進行一定的改造，就能滿足頻譜效率的需求，從而提升傳輸效率。大規模MIMO無線通信技術具有極強的時效性和適用性，在當前的移動無線通信網絡中，大規模的MIMO無線通信技術已經得到了廣泛的應用。大規模的MIMO無線通信技術具有以下的特點：

1）大規模MIMO無線通信技術可以通過對基站的改造來提升通信系統的容量，例如采用增加基站天線的數量的方式，不僅方法簡單，還能更好地匹配不同的頻譜資源；

2）大規模MIMO無線通信技術在通信系統中對相關的元器件沒有嚴格的性能需求，即使采用的元器件的價格和輸出功率較低，只要基站的天線數量達標，依然能夠提升信息傳輸的效率[3]。此外，天線的數量達標還能提升基站的抗干擾能力，使得通信質量進一步提高。

3.1.2 信道信息狀態的獲取

通過應用大規模MIMO無線通信技術，雖然能夠突破大部分的傳統技術限制，但由于基站數量眾多，在應用過程中很容易衍生出一些新的問題，要解決這些問題，就必須對信道信息狀態進行準確的掌握，且對于5G無線通信網絡，保障信息傳輸的安全與穩定是重中之重，因此，在基站的發展建設中，對于信道信息狀態的獲取是十分重要的。

信道信息狀態的獲取方式主要分為頻分雙工系統和時分雙工系統，其中，頻分雙工系統主要應用于傳統的信道信息狀態的獲取，時分雙工系統主要應用于大規模MIMO無線通信技術對信道信息狀態的獲取。雖然時分雙工系統相較于頻分雙工系統，具有成本更低、操作簡便和具有反饋機制等優點，但在具體的應用過程中，往往難以實現高速移動場景下的信道信息狀態的獲取，從而造成此場景下的通信質量較差。因此，為進一步提高信道信息狀態的獲取能力，基站可以通過安裝信號放大器的方式來進一步提升接收用戶的導頻信號的能力，從而使得時分雙工系統能夠更好地獲取信道信息的狀態，進而實現對高速移動場景中的信道信息狀態的高效獲取。

3.2 毫米波無線通信技術

3.2.1 技術簡介

作為5G無線通信網絡物理層中的另一項關鍵技術，毫米波無線通信技術具有波長短、波束窄、頻譜廣泛和傳輸頻率高等特點，例如在波長方面，毫米波無線通信技術在應用過程中不需要使用尺寸較大的天線來實現對較長波長的信息數據的接收，從而節省了很多的占地空間，并使得基站天線的設置更加簡便；由于毫米波技術的波束較窄，在傳輸的過程中不易發散，具有很好的抗干擾能力，因此不會受天氣影響而引發通信信道的丟失問題，使得無線通信網絡更加穩定，在多媒體領域中有著很好的應用效果。

3.2.2 發展中存在的一些不足

毫米波無線通信技術在目前的發展階段中，還存在著一些不足，具體表現如下：

1）建筑物穿透損耗

由于建筑物的墻體通常都是由固體的實心或夾層空心結構構成，在無線電信號傳播的過程中，往往會起到一定的吸收作用，從而加劇了信號在經過建筑物時的穿透損耗，毫米波相對于低頻段信號來說，對于建筑物的穿透性能要差一些，因此在穿過建筑物時，往往損耗更加嚴重，極易影響到信號的最終接收效果，造成信號失真。為有效解決建筑物穿透的損耗，可以建立Wi-Fi節點，從而將毫米波的信號進行放大，進一步提升信號的傳播質量。

2）路徑損耗

在應用毫米波無線通信技術時，如果信號的傳輸存在著較大的散射，將會進一步干擾到信道信息的獲取，從而造成嚴重的路徑損耗。路徑損耗問題在無線通信網絡領域是十分常見的，與波長和頻率都存在著密切的聯系，當波長減小或者頻率增大時，都會導致路徑損耗更嚴重。由此可見，在特定的傳播空間內，路徑損耗是與波長成反比，與頻率成正比的，因此，可以通過在高頻段布設大規模的發射天線和接收天線的方式，來實現對毫米波信號傳輸的波束成形，從而進一步降低路徑損耗，提升信號的完整度。

3）雷雨天氣的影響

毫米波無線通信技術在實際應用過程中，還會受到雷雨天氣的影響，雷雨天氣會帶來大量雨水，從而導致毫米波的信號受到雨水的吸收作用，進一步降低了毫米波信號傳輸的實際效果。針對這一問題，研究人員經過長時間的探索，發現毫米波的波長與雨滴的大小非常接近，在雷雨天氣來臨時，與毫米波波長相同大小的雨滴容易導致毫米波產生散射，進而加劇了信號的擴散，造成信號的失真[4]。因此，要進一步降低雷雨天氣對毫米波的影響，可以構建相應的雷雨預測模型，從而對降雨情況做出良好的判斷，在發射和接收毫米波信號時，盡量避開與之波長相同的降雨情況，進一步提升毫米波信號的傳輸和接收質量。

4 強化5G無線通信網絡物理層關鍵技術的有效策略

4.1 提升物理層關鍵技術的安全等級

為進一步強化5G無線通信網絡物理層的關鍵技術，要對物理層關鍵技術的安全系數給予充分的重視，提升物理層關鍵技術的安全等級。在具體的安全等級的提升過程中，技術團隊要充分將以人為本的理念始終貫徹到關鍵技術的開發與維護的過程中去，從而在5G無線通信系統的建設中，能夠為用戶的隱私安全和個人利益提供更加堅實的保障。例如，在進行公共場所的5G無線通信時，可以通過網絡監測技術來實現對區域內的網絡環境進行實時的監督，將其中隱含的風險因素及時清除；針對個人的通信服務，可以進一步完善加密處理，并為用戶的權限訪問設置提供有效保護，從而避免個人隱私泄露和用戶數據盜用問題的產生，保證用戶的良好使用體驗[5]。由此可見，通過提升物理層關鍵技術的安全等級，不僅能為更多用戶提供安全的通信服務，更能提高用戶對5G無線通信技術的信賴度，助力社會的健康和諧發展。

4.2 加大頻譜資源的開發力度

頻譜資源對于5G無線通信網絡的良好運行有著核心的支撐作用，能夠為信號的穩定傳輸提供更多的支持。然而，在實際的應用過程中，往往存在著頻譜資源不充足，進而影響用戶實際的5G通信體驗的情況，不僅會給通信行業帶來無形的壓力和額外的負擔，還會導致用戶降低對通信服務的滿意度和信任度。因此，為提高5G無線通信的實際效果，需要加大對頻譜資源的開發力度，通過結合實際情況，合理開發低頻段的頻譜資源，并對高頻段的復雜頻譜資源做好準確判斷，做好拓寬高頻段的頻譜資源工作，從而為用戶提供更加豐富的選擇，進一步提高他們的滿意度和信任度。

4.3 注重基礎設施的更新與維護

由于在5G無線通信網絡物理層關鍵技術的運用期間，會長期使用大量的基礎設施，而基礎設施通常具有更新速度較快和易損耗的特點，因此要加強關鍵技術，就必須注重對基礎設施的更新和維護工作。在具體的基礎設施更新和維護工作中，要做好對需要的基礎設施的記錄工作，從而掌握好設備的型號、功能、大小和數量等重要信息，從而為日后的設施更新和設施維護提供完整的參考依據[6]。同時，對于基礎設施在工作中出現的設備老化問題和設備故障問題，在進行上報后，要做好相應的更新工作和維護工作，從而降低突發性風險，減少事故發生的概率，從整體上提升基礎設施的安全性和有效性。

5 結束語

綜上所述，5G無線通信網絡物理層關鍵技術對于5G無線通信網絡的發展起到了十分重要的作用。要進一步強化5G無線通信網絡物理層的關鍵技術，提高5G無線通信的實際應用效果，還需要做好提升物理層關鍵技術的安全等級、加大頻譜資源的開發力度和注重基礎設施的更新與維護等工作，從而進一步創造出良好的通信網絡環境，為通信事業的長遠發展提供持續不斷的活力。

參考文獻：

[1] 莫運通.5G無線通信網絡物理層關鍵技術研究[J].科學與信息化，2020（5）：1.

[2] 高宏亮，李長鶴.5G無線通信網絡物理層關鍵技術[J].電子技術與軟件工程，2020（13）：31-32.

[3] 喬柳源.5G無線通信網絡物理層關鍵技術[J].中國戰略新興產業，2020（10）：144.

[4] 王莉，田燕軍，王玥.解析5G無線通信網絡物理層關鍵技術[J].通訊世界，2020，27（7）：8-9.

[5] 劉禮中，黃金峰，劉彥涵，等.關于5G無線通信網絡物理層關鍵技術研究[J].中國寬帶，2020（5）：51.

[6] 陶愛平.解析5G無線通信網絡物理層關鍵技術[J].移動信息，2020（6）：42-43，53.

【通聯編輯：張薇】