基于5G的无线通信网络物理层关键技术探究

摘要：无线通信网络多年来的更新换代离不开核心技术的更新换代，现在部署商用的5G无线网络亦是如此。首先，本文简要介绍了信息传输的特点，其次，阐述了在该应用环境下完成5G无线通信网络业务必须解决的技术问题;最后解释了物理层的关键技术，深入分析毫米波通信和大规模 MIMO等技术，并对应用进行一定的分析。

关键词：5G;无线通信网络;物理层;关键技术;探究

一、引言

无线通信网络在过去30年经历了两次更新，随后根据关键技术的创新完成了更高的覆盖范围、部分信息内容的更高传输速度和更快的客户体验。根据对未来无线通信应用领域和通信需求的预测和分析，科研和商业服务业已经开始对下一代无线通信网络的技术问题进行科学研究。

二、5G无线通信网络概述

（一）优化体验

研究表明，无论是扩容还是提高网络资源的利用率，都会对5G网络的完善带来积极的影响，也会让日常工作和生活更加方便。此外，5G互联网可以让信息内容传输的质量和效率更接近估计的情况，大家享受的服务和感受通常会越来越理想。

（二）提高资源利用率

5G互联网对提升通信质量和效率的作用比较明显。对于无线通信来说，决定通信质量和效率的关键因素是频段资源应用的高效率。5G互联网可以让资源的利用率保持在较高的水平。进而达到提高通信质量的目的，这与相关领域的发展趋势密切相关。

（三）扩充系统容量

建设5G互联网可以有效扩大系统容量和网络带宽。4G互联网和5G互联网的区别主要体现在系统容量和网络带宽上。研究表明，5G互联网具有更大的容量和更高的网络带宽。随着相关技术的不断进步，互联网资源呈爆炸式增长，这也对通信系统的体量提出了更严格的规定。建设5G互联网可以使信息管理系统具有与信息内容总量相适应的量。当然，无线通信领域将获得快速增长。

（四）赋予信息内容更明显的安全系数

在信息时代，网络信息安全已成为各领域关注的重点。如何保障网络信息安全当然成为相关人员科研的具体内容。5G网络的出现，为这个问题带来了全新升级的解决方案。不仅网络信息安全显著提高，数据泄露和被劫持的可能性也在一定程度上降低，这也是基于5G技术构建的价值所在。

三、5G无线通信网络应用需要解决的具体技术问题

无线通信网络的更新换代着眼于满足快速增长的业务需求，自第三代互联网部署以来，无线通信业务已从基础的数据信息传输转向多媒体数据的即时交互。要部署的5G互联网必须在信息量和需求量上实现飞跃。因此，需要解决的技术问题众多且复杂。

（一）及時完成可靠的点对点无线通信的采集

用户数量的激增是现阶段无线通信网络运营的现实。随着客户无线数据传输的不断增长和更高的通信质量标准，5G无线通信网络的物理层必须处于现阶段的基础，实时完成更可靠的点对点无线通信，即满足客户在所有地址方便快捷地连接WiFi网络的需求。这意味着现阶段必须给予大量频段资源，进一步提高无线通信网络的渗透率，应对聚合短线数据信号传输数据的影响，保障运维安全。

（二）拥有更大的空间和更高的传输速度

早在10年前，无线通信科研行业就对下一代网络的应用领域进行了预测分析。根据用户需求趋势分析，着力提升通信服务水平，明确提出5G网络技术应用总体目标和概念。在人工智能技术、云技术等关键技术方面，无线通信在工业生产、诊疗、新型智慧城市等领域不可或缺。因此，由于销售市场对无线通信服务项目需求的这种发展趋势，5G在网络部署的全过程中必须处理一系列的专业问题。

（三）开发设计大量频段资源

频段资源是可靠的无线通信服务项目的基础。随着用户数量的不断增加，无线通信频段系统资源不足的问题一直困扰着运营商和监管机构。现阶段商用无线网络的频段资源往往集中在3GHz-300GHz之间，因为具有资源优势的高频段在应用中遇到了很多技术问题，毫米波的应用技术水平是否能在通信频段资源得到改善，被认为是5G无线通信网络物理层最重要的问题。

四、5G无线通信网络物理层核心技术及应用分析

（一）MIMO无线信息技术

大规模MIMO技术在5G无线通信网络物理层中是一项非常的核心技术，对无线传输技术的进步有着关键的作用。该技术的研究主要包括对大规模MIMO技术的简单介绍、信道状态信息的获取方式以及在高频段的应用。首先是大规模MIMO简介。与传统MIMO技术不同，大规模MIMO技术可以降低硬件配置的复杂性，提高信息管理的高效率，降低动能消耗的同时降低租赁成本。随着大数据技术及其云计算技术的飞速发展，传统的MIMO技术早已处于被淘汰的边缘。在这个阶段，对消息的需求和数据处理的高效率有了明显的提高。根据大型MIMO的几个优点，如增加系统体积、控制成本、提高抗干扰能力等，对该技术的分析已经成为5G无线传输技术的重点工作。其次是获取方式。大规模MIMO技术虽然具有一定的优势，但是在研究时发现也存在一些问题。随着无线天线总数的不断增加，通信基站对报文的接收对保证频段信息内容的准确获取提出了一定的挑战。通常采用全双工方式与上升频段和下降频段的数据进行交互来接收报文。由于天线是接收电磁波的，电磁波就可以叠加的。在本地发送信号的时候，实际上对方发送过来的信号在电磁波上是叠加的，但是由于本地发送信号的幅度很高，所以对方发送过来的信号就淹没在本地的发送信号中了，所以就没有办法接收。而解决这个问题的思路简单而言就是由于本地发送的信号本地是已知的，所以在试图接收对方的信号的时候，把本地的发送信号给减去，那么就可以获得对方的发送信号了，从而即可达到全双工的需求。全双工可以合理地降低频段的成本，省去创建反馈的不便，并且保证通信基站的无线天线总数不受限制。只是这种方式很难保证高速移动条件下的信息质量。最后是在高频段中的应用。大规模的MIMO技术对移动通信基站设备的使用量是非常大的，因此可能会对系统解决设备的功能、相应的布局以及网络建设带来比较大的挑战。通过不断调整天线的形状来达到降低项目难度的目的，这也是大规模MIMO技术主要发展前景。但在大中型收发信息的动能消耗以及无线天线端的模拟与模拟信号转换等方面也会存在一定的问题，还是非常值得专业技术人员关注的。

（二）毫米波无线通信技术

在毫米波通信中，频段资源的实现与应用在5G无线传输技术中的地位也是比较关键的。其中，毫米波通信的主要研究方向有以下几种，分别是扩散途中的损耗、建筑物传输损耗和雨衰。首先是扩散途中的损耗。信号强度的扩散和频段对传输的干扰效应是造成路径损耗的主要原因。在无线传输技术中，这样的问题是很难避免的，冲击、噪声和其他数据信号的影响会使信号在一定程度上遭受磨损。此外，数据信号本身的损耗也是不能抹去的。通过各项研究表明，频率越高所遭受的损耗越严重，也就是说其他频段的毫米波通信损耗会更严重，这也是毫米波通信研究过程中的一个难点。在高频部分，根据大量收发无线天线的应用，可以积累一定的热量，获得较好的收割条件，从而改善毫米波通信损耗过大的情况。其次是建筑物传输损耗。在进行通信技术方面科学研究中我们会发现，当数据信号穿过建筑墙体时，信号会有一定程度的损耗，其频率是损耗的关键因素。通常信息的频率较低时，在通过建筑物之后可以保持良好的网络信号。毫米波通信在这方面有较高的损耗。这意味着当使用毫米波通信进行数据信号传输时，很可能会因过度的数据信号消耗而导致丢帧，无法保证数据信号质量。最后则是雨衰。弥散特性的科学研究也是毫米波通信科学研究的重点内容，其中雨量是不得已而为之的一大因素。雨衰会破坏无线网络系统软件的传输路径长度，降低数据信号的稳定性，在高频段会限制微波加热链路。随着降雨量的扩大，毫米波通信质量明显下降。

（三）D2D

D2D方法是一种无线通信资源生产和调度方法。它是点对点消息的即时传输，即UE立即使用蜂窝移动网络的频段资源完成通信，而不通过通信基站共享。它在音量和频段上都很有效，在速度方面也有比较明显的优势。自然，D2D存在的具体目标是减少通信基站的共享工作压力。一种很宽泛的形式是基于CCCH上广播节目的D2D资源分配的信息内容，让UE可以检测周边是否有对应的UE，并向BS上报，防止D2D影响蜂窝通信，通信基站将作为集中监控中心来调整D2D，但消息成本会非常大。假设一个蜂窝小区有核心通信基站，小區内有蜂窝移动网络UE和D2D通信，两者是在小区系统软件中任意分配的。一个UE可以根据蜂窝移动网络完成与另一个UE的通信，但必须由通信基站共享，而D2D通信对在UE之间进行同时通信。D2D通信对采用复用方式共享资源蜂窝资源，由于频率共享资源，可以更有效地利用无线网络频率资源。为此，推出了一种启发式算法，在保证容量利润最大化的同时，保证货运量的最优控制。中科院上海微系统与信息技术研究所等多家机构都明确提出了这方面的合理优化算法。

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

根据5G超聚合虚拟化技术组网方案的规定，在启发式算法下，假设住宅小区所涉及的区域为圆形区域，一个非常通信的基站，区域内移动基站的信号强度为40dBm，蜂窝移动网络的推送输出功率为25dBm，系统软件网络带宽为10MHz。假设冲击门限为-150dBm，那么每个D2D客户对引起的货运量在CDF曲线上逐渐在8.010出变化，曲线逐渐急剧上升，在8.022附近达到最高值，体现了协同沟通资源分配功能非常理想。假设影响门限为-155dBm，则允许连接的D2D客户端会受到UE之间较大距离的影响。据分析，这样的事情是因为UE之间的相对距离越小，对通信基站的影响就越小，也更容易连接;此外，当距离减小时，冲击力会减小，推动效率也会降低，因此由 UE 引起的货运量会扩大。

（四）双公开技术

通常意义上的双公开技术是指信息内容可以建立同时传输和同频传输。当前通信系统在数据传输过程中存在信号干扰问题，但全面公开的技术性能可以有效提高频率利用率，完成多频报文传输，摆脱通信系统无法在多频传输的瓶颈问题。这也是人们热衷于科研双公开技术的原因。综合来看，根据偏移电磁干扰的仿真端，抵消已知干扰端数字信号的干扰，并在传输过程中处理了系统的影响。

（五）5G无线传输技术的主要应用优势

首先是信息内容传输速率等级的优势。随着我国城市居民生活水平的提高和生活压力的加速，对信息内容传输速率和传输速率的需求逐渐增加。在保证传输质量的同时，还需要提高传输的高效率。 5G技术可以保证信息化的高效率，让客户立即获得合理的信息内容，节省大量时间。此外，5G无线传输技术还可以尽快完成信息内容的扩展，根据资源的合理安排，减少传输过程中的开支，提高传输效率。

最后则是应用范围方面的优势。现阶段，为保证5G无线传输技术能够更好地应用于社会发展和制造，我国很多地方都在加大对移动通信技术的科学研究范围，因此需要加强对未来发展规划这项技术的科学研究。根据物联网的有效利用，消除室内空间和时间上的障碍，保证人与人之间的距离更短。要完成物联网的优秀应用，需要加强其终端产品的应用。对于5G无线传输技术而言，其应用范围非常广泛，涉及的行业很多，包括家装行业、道路交通、医疗系统等，与我们的日常生活息息相关。因此，5G无线传输技术的应用将为大家的日常生活提供越来越多的便利。

五、结束语

总的来说，根据目前5G组网方案的发展趋势，无线通信资源分配可以通过多种方式进行。其中，最明显的优势是D2D模式，而中继模式相对简单，可以顺利完成4G到5G的连接，但更大的问题是如何降低无缝连接的延迟。在低延迟、大空间、高速传输的要求下，D2D资源分配方案相对较为理想，但其难度系数相对较高。

作者单位：嵇静婵    柳州铁道职业技术学院

参  考  文  献

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