基于5G的無線通信網絡物理層關鍵技術探究

摘要：無線通信網絡多年來的更新換代離不開核心技術的更新換代，現在部署商用的5G無線網絡亦是如此。首先，本文簡要介紹了信息傳輸的特點，其次，闡述了在該應用環境下完成5G無線通信網絡業務必須解決的技術問題;最后解釋了物理層的關鍵技術，深入分析毫米波通信和大規模 MIMO等技術，并對應用進行一定的分析。

關鍵詞：5G;無線通信網絡;物理層;關鍵技術;探究

一、引言

無線通信網絡在過去30年經歷了兩次更新，隨后根據關鍵技術的創新完成了更高的覆蓋范圍、部分信息內容的更高傳輸速度和更快的客戶體驗。根據對未來無線通信應用領域和通信需求的預測和分析，科研和商業服務業已經開始對下一代無線通信網絡的技術問題進行科學研究。

二、5G無線通信網絡概述

（一）優化體驗

研究表明，無論是擴容還是提高網絡資源的利用率，都會對5G網絡的完善帶來積極的影響，也會讓日常工作和生活更加方便。此外，5G互聯網可以讓信息內容傳輸的質量和效率更接近估計的情況，大家享受的服務和感受通常會越來越理想。

（二）提高資源利用率

5G互聯網對提升通信質量和效率的作用比較明顯。對于無線通信來說，決定通信質量和效率的關鍵因素是頻段資源應用的高效率。5G互聯網可以讓資源的利用率保持在較高的水平。進而達到提高通信質量的目的，這與相關領域的發展趨勢密切相關。

（三）擴充系統容量

建設5G互聯網可以有效擴大系統容量和網絡帶寬。4G互聯網和5G互聯網的區別主要體現在系統容量和網絡帶寬上。研究表明，5G互聯網具有更大的容量和更高的網絡帶寬。隨著相關技術的不斷進步，互聯網資源呈爆炸式增長，這也對通信系統的體量提出了更嚴格的規定。建設5G互聯網可以使信息管理系統具有與信息內容總量相適應的量。當然，無線通信領域將獲得快速增長。

（四）賦予信息內容更明顯的安全系數

在信息時代，網絡信息安全已成為各領域關注的重點。如何保障網絡信息安全當然成為相關人員科研的具體內容。5G網絡的出現，為這個問題帶來了全新升級的解決方案。不僅網絡信息安全顯著提高，數據泄露和被劫持的可能性也在一定程度上降低，這也是基于5G技術構建的價值所在。

三、5G無線通信網絡應用需要解決的具體技術問題

無線通信網絡的更新換代著眼于滿足快速增長的業務需求，自第三代互聯網部署以來，無線通信業務已從基礎的數據信息傳輸轉向多媒體數據的即時交互。要部署的5G互聯網必須在信息量和需求量上實現飛躍。因此，需要解決的技術問題眾多且復雜。

（一）及時完成可靠的點對點無線通信的采集

用戶數量的激增是現階段無線通信網絡運營的現實。隨著客戶無線數據傳輸的不斷增長和更高的通信質量標準，5G無線通信網絡的物理層必須處于現階段的基礎，實時完成更可靠的點對點無線通信，即滿足客戶在所有地址方便快捷地連接WiFi網絡的需求。這意味著現階段必須給予大量頻段資源，進一步提高無線通信網絡的滲透率，應對聚合短線數據信號傳輸數據的影響，保障運維安全。

（二）擁有更大的空間和更高的傳輸速度

早在10年前，無線通信科研行業就對下一代網絡的應用領域進行了預測分析。根據用戶需求趨勢分析，著力提升通信服務水平，明確提出5G網絡技術應用總體目標和概念。在人工智能技術、云技術等關鍵技術方面，無線通信在工業生產、診療、新型智慧城市等領域不可或缺。因此，由于銷售市場對無線通信服務項目需求的這種發展趨勢，5G在網絡部署的全過程中必須處理一系列的專業問題。

（三）開發設計大量頻段資源

頻段資源是可靠的無線通信服務項目的基礎。隨著用戶數量的不斷增加，無線通信頻段系統資源不足的問題一直困擾著運營商和監管機構。現階段商用無線網絡的頻段資源往往集中在3GHz-300GHz之間，因為具有資源優勢的高頻段在應用中遇到了很多技術問題，毫米波的應用技術水平是否能在通信頻段資源得到改善，被認為是5G無線通信網絡物理層最重要的問題。

四、5G無線通信網絡物理層核心技術及應用分析

（一）MIMO無線信息技術

大規模MIMO技術在5G無線通信網絡物理層中是一項非常的核心技術，對無線傳輸技術的進步有著關鍵的作用。該技術的研究主要包括對大規模MIMO技術的簡單介紹、信道狀態信息的獲取方式以及在高頻段的應用。首先是大規模MIMO簡介。與傳統MIMO技術不同，大規模MIMO技術可以降低硬件配置的復雜性，提高信息管理的高效率，降低動能消耗的同時降低租賃成本。隨著大數據技術及其云計算技術的飛速發展，傳統的MIMO技術早已處于被淘汰的邊緣。在這個階段，對消息的需求和數據處理的高效率有了明顯的提高。根據大型MIMO的幾個優點，如增加系統體積、控制成本、提高抗干擾能力等，對該技術的分析已經成為5G無線傳輸技術的重點工作。其次是獲取方式。大規模MIMO技術雖然具有一定的優勢，但是在研究時發現也存在一些問題。隨著無線天線總數的不斷增加，通信基站對報文的接收對保證頻段信息內容的準確獲取提出了一定的挑戰。通常采用全雙工方式與上升頻段和下降頻段的數據進行交互來接收報文。由于天線是接收電磁波的，電磁波就可以疊加的。在本地發送信號的時候，實際上對方發送過來的信號在電磁波上是疊加的，但是由于本地發送信號的幅度很高，所以對方發送過來的信號就淹沒在本地的發送信號中了，所以就沒有辦法接收。而解決這個問題的思路簡單而言就是由于本地發送的信號本地是已知的，所以在試圖接收對方的信號的時候，把本地的發送信號給減去，那么就可以獲得對方的發送信號了，從而即可達到全雙工的需求。全雙工可以合理地降低頻段的成本，省去創建反饋的不便，并且保證通信基站的無線天線總數不受限制。只是這種方式很難保證高速移動條件下的信息質量。最后是在高頻段中的應用。大規模的MIMO技術對移動通信基站設備的使用量是非常大的，因此可能會對系統解決設備的功能、相應的布局以及網絡建設帶來比較大的挑戰。通過不斷調整天線的形狀來達到降低項目難度的目的，這也是大規模MIMO技術主要發展前景。但在大中型收發信息的動能消耗以及無線天線端的模擬與模擬信號轉換等方面也會存在一定的問題，還是非常值得專業技術人員關注的。

（二）毫米波無線通信技術

在毫米波通信中，頻段資源的實現與應用在5G無線傳輸技術中的地位也是比較關鍵的。其中，毫米波通信的主要研究方向有以下幾種，分別是擴散途中的損耗、建筑物傳輸損耗和雨衰。首先是擴散途中的損耗。信號強度的擴散和頻段對傳輸的干擾效應是造成路徑損耗的主要原因。在無線傳輸技術中，這樣的問題是很難避免的，沖擊、噪聲和其他數據信號的影響會使信號在一定程度上遭受磨損。此外，數據信號本身的損耗也是不能抹去的。通過各項研究表明，頻率越高所遭受的損耗越嚴重，也就是說其他頻段的毫米波通信損耗會更嚴重，這也是毫米波通信研究過程中的一個難點。在高頻部分，根據大量收發無線天線的應用，可以積累一定的熱量，獲得較好的收割條件，從而改善毫米波通信損耗過大的情況。其次是建筑物傳輸損耗。在進行通信技術方面科學研究中我們會發現，當數據信號穿過建筑墻體時，信號會有一定程度的損耗，其頻率是損耗的關鍵因素。通常信息的頻率較低時，在通過建筑物之后可以保持良好的網絡信號。毫米波通信在這方面有較高的損耗。這意味著當使用毫米波通信進行數據信號傳輸時，很可能會因過度的數據信號消耗而導致丟幀，無法保證數據信號質量。最后則是雨衰。彌散特性的科學研究也是毫米波通信科學研究的重點內容，其中雨量是不得已而為之的一大因素。雨衰會破壞無線網絡系統軟件的傳輸路徑長度，降低數據信號的穩定性，在高頻段會限制微波加熱鏈路。隨著降雨量的擴大，毫米波通信質量明顯下降。

（三）D2D

D2D方法是一種無線通信資源生產和調度方法。它是點對點消息的即時傳輸，即UE立即使用蜂窩移動網絡的頻段資源完成通信，而不通過通信基站共享。它在音量和頻段上都很有效，在速度方面也有比較明顯的優勢。自然，D2D存在的具體目標是減少通信基站的共享工作壓力。一種很寬泛的形式是基于CCCH上廣播節目的D2D資源分配的信息內容，讓UE可以檢測周邊是否有對應的UE，并向BS上報，防止D2D影響蜂窩通信，通信基站將作為集中監控中心來調整D2D，但消息成本會非常大。假設一個蜂窩小區有核心通信基站，小區內有蜂窩移動網絡UE和D2D通信，兩者是在小區系統軟件中任意分配的。一個UE可以根據蜂窩移動網絡完成與另一個UE的通信，但必須由通信基站共享，而D2D通信對在UE之間進行同時通信。D2D通信對采用復用方式共享資源蜂窩資源，由于頻率共享資源，可以更有效地利用無線網絡頻率資源。為此，推出了一種啟發式算法，在保證容量利潤最大化的同時，保證貨運量的最優控制。中科院上海微系統與信息技術研究所等多家機構都明確提出了這方面的合理優化算法。

算法表示如下：

For Tt， INIT βM×N=Ο;

Repeat：

$＼Upsilon = ＼emptyset $;

Select RBi from Ω;

While |γ|$＼hat j_t^* = ＼mathop {＼arg ＼max }＼limits_{j ＼notin ＼Upsilon } ＼left＼{ {undefined{＼omega _{i，j}}＼left（ t ＼right） ＼cdot {R_{i，j}}} ＼right＼}$;

If SINRi， jc≥Φthc and SINRjd≥Φthd

${＼beta _{i，＼hat j_t^*}} = 1$;

Ω=Ω/{RBi};

Continue;

Else

Ω=Ω∪$＼left＼{ {＼hat j_t^*} ＼right＼}$;

End If

End While

While Ω≠$＼emptyset $

End For

根據5G超聚合虛擬化技術組網方案的規定，在啟發式算法下，假設住宅小區所涉及的區域為圓形區域，一個非常通信的基站，區域內移動基站的信號強度為40dBm，蜂窩移動網絡的推送輸出功率為25dBm，系統軟件網絡帶寬為10MHz。假設沖擊門限為-150dBm，那么每個D2D客戶對引起的貨運量在CDF曲線上逐漸在8.010出變化，曲線逐漸急劇上升，在8.022附近達到最高值，體現了協同溝通資源分配功能非常理想。假設影響門限為-155dBm，則允許連接的D2D客戶端會受到UE之間較大距離的影響。據分析，這樣的事情是因為UE之間的相對距離越小，對通信基站的影響就越小，也更容易連接;此外，當距離減小時，沖擊力會減小，推動效率也會降低，因此由 UE 引起的貨運量會擴大。

（四）雙公開技術

通常意義上的雙公開技術是指信息內容可以建立同時傳輸和同頻傳輸。當前通信系統在數據傳輸過程中存在信號干擾問題，但全面公開的技術性能可以有效提高頻率利用率，完成多頻報文傳輸，擺脫通信系統無法在多頻傳輸的瓶頸問題。這也是人們熱衷于科研雙公開技術的原因。綜合來看，根據偏移電磁干擾的仿真端，抵消已知干擾端數字信號的干擾，并在傳輸過程中處理了系統的影響。

（五）5G無線傳輸技術的主要應用優勢

首先是信息內容傳輸速率等級的優勢。隨著我國城市居民生活水平的提高和生活壓力的加速，對信息內容傳輸速率和傳輸速率的需求逐漸增加。在保證傳輸質量的同時，還需要提高傳輸的高效率。 5G技術可以保證信息化的高效率，讓客戶立即獲得合理的信息內容，節省大量時間。此外，5G無線傳輸技術還可以盡快完成信息內容的擴展，根據資源的合理安排，減少傳輸過程中的開支，提高傳輸效率。

最后則是應用范圍方面的優勢。現階段，為保證5G無線傳輸技術能夠更好地應用于社會發展和制造，我國很多地方都在加大對移動通信技術的科學研究范圍，因此需要加強對未來發展規劃這項技術的科學研究。根據物聯網的有效利用，消除室內空間和時間上的障礙，保證人與人之間的距離更短。要完成物聯網的優秀應用，需要加強其終端產品的應用。對于5G無線傳輸技術而言，其應用范圍非常廣泛，涉及的行業很多，包括家裝行業、道路交通、醫療系統等，與我們的日常生活息息相關。因此，5G無線傳輸技術的應用將為大家的日常生活提供越來越多的便利。

五、結束語

總的來說，根據目前5G組網方案的發展趨勢，無線通信資源分配可以通過多種方式進行。其中，最明顯的優勢是D2D模式，而中繼模式相對簡單，可以順利完成4G到5G的連接，但更大的問題是如何降低無縫連接的延遲。在低延遲、大空間、高速傳輸的要求下，D2D資源分配方案相對較為理想，但其難度系數相對較高。

作者單位：嵇靜嬋? ? 柳州鐵道職業技術學院

參? 考? 文? 獻

[1]萬菁晶，陸怡琪，田夢倩，等.面向5G無線通信系統中若干物理層技術探討[J].太赫茲科學與電子信息學報， 2018（6）：35-42.

[2]李俊治.5G無線通信網絡物理層關鍵技術要點[J].數字技術與應用，2017，（5）：30.

[3]惠芳，李文聰.淺析5G無線通信網絡物理層的關鍵技術[J].計算機產品與流通，2018，（06）：67.

[4]馬艷梅.基于5G無線通信技術的應用前景分析[J].計算機產品與流通，2019，（10）：55.

[5]趙軍輝，陳燕，黃德昌，等.基于“端-管-云”體系的車載自組織網絡關鍵技術[J].電信科學，2016，（08）：45.

[6]許方敏，仇超，趙成林.業務需求推動下的5G若干關鍵技術探討[J].電子技術應用，2016，（07）：123.

[7]王志勤，羅振東，魏克軍.5G業務需求分析及技術標準進程[J].中興通訊技術，2014，（02）：2-4+25.