基于5G 的无线通信网络物理层关键技术探究

江敏仙

（中建电子信息技术有限公司，北京 100000）

0 引言

就目前来看，现代信息新技术层出不穷、移动设备用户量持续增长，无线通讯网络事业发展速度进一步加快。在5G 时代下，无线通信网络体系将更加完善。通过利用高频段开展通信工作，为用户提供更为高效、稳定、实时的无线通讯方式。物理层是无线通信网络体系重要结构之一，通过研究无线通信网络物理层关键技术，能够不断优化无线通信网络功能，加快信息传输速度，为用户带来更好的通信体验。

1 5G 无线通信网络物理层关键技术特征

当前信息技术发展速度不断加快，大众网络通讯要求进一步提升，无线通信网络可以传输更多媒体数据，并具备大量媒体数字型、服务型特征。为有效解决传统4G 系统在实际运行期间频谱资源较为紧缺、频谱资源较少、用户数目持续增长、快速增长的数据流会使通信要求无法切实满足等问题，开发了5G 无线通信网络系统[1]。

5G 需要以无缝、可靠的互联互通为目标，有效改善当前环境，满足未来信息发展下的大数据要求。现阶段5G 无线通信网络特征包括以下5 点。

（1）5G 无线通信网络能够借助更高频谱资源。原有无线通信网络的频谱资源多数大多数为300MHz～3GHz，频谱资源稀缺。而5G 无线通讯网络的主要频谱资源为3GHz～3003GHz，切实提升了频谱资源利用率。

（2）5G 无线通讯网络的系统容量更大。现有移动互联网发展速度极快，频谱技术更加成熟，数据传输速率以及无线通信数据量不断增长。而5G 移动通信系统具有更大的系统容量，能够更好地满足社会发展期间的网络通信与数据利用要求。

（3）提供高质量用户服务、现有无线通信网络对用户数据的传输速度进一步提升，数据速率也与用户体验感密切相关。5G 无线通信网络体系能够为用户提供更加安全、高效、稳定的无线网络环境，增强用户最佳体验感。

（4）控制能量损耗率。现阶段无线通信网络传输期间的能耗问题更为严重，为确保无线通信系统建设及运营环节能够始终秉持可持续发展原则，需要着重控制运行期间的能量消耗度。5G 无线通信网络逐步趋向绿色通信、环境友好型通信转变，可以在满足不断增长业务量的同时，将能耗量控制在最小范围内。

（5）5G 网络以蜂窝结构为主要形态。使用蜂窝结构体系，能够有效满足建筑系统要求。由于户外利用时间是总时间的20%，小区建筑物会影响到网络基站建设效果、建筑墙体结构也会使得无线网络在穿过墙体期间出现一定的损耗情况，减少数据传输速率以及频谱速率，导致无线传输能量降低、配合使用5G 蜂窝结构，可以有效解决信息传输期间的损耗问题。利用基站天线阵列DAS 以及MIMO 技术，可起到更加良好的辅助作用[2]。

2 5G 无线通信网络物理层关键技术

无线通讯网络发展需要各类核心技术支持，确保技术应用过程中能够满足网络通信需求，推动无线通信网络不断发展。在5G 无线通信网络中，也需要着重研究无线通信网络物理层关键技术。

2.1 毫米波通信技术

通讯技术发展需要使用大量的频谱资源，但就目前来看，大部分商业无线通信工作频率都集中在300MHz～3GHz，3GHz～3003GHz 频谱资源利用率始终处于有待提升阶段，难以有效解决频谱资源紧缺问题。

在5G 无线通信网络中，物理层主要使用了毫米波通信技术。具体来说，毫米波通信技术主要就是可以在毫米波频段进行通信，提高通信质量水平，确保2km 范围内数据传输总量能够得到持续增长。通过建立起城市统计数据信道、城市移动波段通信体系建设具有支持作用。但在毫米波通讯技术应用过程中，也需要着重解决关于路径损耗、MIMO 物穿透损耗、雨衰的问题。

路径损耗就是在无线通信线路实际运行过程中，受到发射功率辐射拓展、信道传输因素影响，导致线路运行缓解异常消耗、信道传输效率不高。在出现路径损耗问题后，无线通信网络运行期间极为常见，信号发射以及在无线信道内传输时，经常会受到噪声、电磁干扰、其他信道影响。信道自身原因也会出现损耗情况，需要构建起自由空间路径损耗模型[3]。通过实际研究发现，信道内部波长减少，频率持续增加，信道自由空间损耗量将会进一步增大。换言之，在一定信号传输范围内，传输频率越高、信号的损耗率将越大。通过使用高频段大规模设施接收发射天线，形成波束结构，可以将频谱与能量值集中传输，从根本上提升通信水平，避免自由空间内部能耗量过大。对系统整体运行效率造成不利影响。

MIMO 物穿透损耗。信号在穿过MIMO 物时不可避免地会出现损耗，由于频率较低的信号会穿透MIMO物材料，实际损耗量能够得到有效控制。消耗传输期间的透损率较大，传输距离差。若穿透损耗量持续增长，信号往往无法穿透MIMO 物进入室内，导致室内接收到的信号十分微弱。现阶段通过在市内建立WiˉFi 节点、毫微微蜂窝手段，能够有效提升室内信号传输质量，并可实现传输无压缩视频目标。

雨衰。在毫米波通讯过程中，需要着重分析无线通信信号在毫米波段运行期间的传输特性。雨衰是毫米波通信期间需要着重考量的重要因素。受到雨衰作用影响，无线系统传输路径会进一步延长，系统运行期间的稳定性下降。高频段视距微波链路实际应用也受到不利影响，因此需要进行严格管控。在雨量较大的情况下，毫米波通信系统将会被严重干扰。因雨滴大小与发射波长基本相同，很容易出现散射情况，因此需要结合当地实际情况、降雨结构特征、大气温度持续变化，构建起平均雨衰模型。

2.2 大规模MIMO 技术

2.2.1 大规模MIMO 概况

MIMO 技术可以进一步提高系统运行期间的频率值，切实保障数据传输水平，提高数据传输质量。在扩大系统运行覆盖范围过程中，应当将关注重点放置在分析并解决高容量地区热点特征上，当前被广泛应用在各类移动通信网络中。原有MIMO 技术应用期间会存在硬件复杂性强、信号处理难度大、能耗量更多，需要进一步扩大物理空间的允许天线范围，导致无线通讯网络建设期间的土地租赁费用成本增加。不仅如此，移动互联网及云计算技术下的数据业务指数不断增长，传统MIMO 技术体系依然无法满足大众日渐提升的多类型信息、互联网接入等高速率数据业务传输要求。

大规模MIMO 技术主要就是在基站附近设置规模较大的天线，要求基站天线量应当大于当天线移动终端数目。在使用大规模MIMO 技术过程中，可以不用增加大量的用户终端设备，而是通过对基站展开改造处理，提高基站运行过程中的容量值以及频谱值，保障信号传输水平。

大规模MIMO 技术的应用优势MIMO 技术更为显著。具体来说，大规模MIMO 技术能够有效控制尺寸，切实保障系统容量大小。通过增加基站天线数量，扩大系统容量值，有效简化无线通信网络传输流程，保障信号传输水平。另外，大规模MIMO 技术具体应用过程中可以使用价格更低、输出功率更为可靠的放大元件，有效控制发射效率消耗量。在具体应用过程中，在天线数量充足的情况下，信号传播期间的噪声以及其他干扰就可忽略不计，使用最简单的线性预编码以及预编码算法，而获得最优结果[4]。

2.2.2 信道状态信息获取

大规模MIMO 技术现阶段应用时间较短，取得成就显著，具体应用期间依然存在较多不足之处。具体来说，在天线数量快速增长的情况下，基站运行期间对信道状态信息的准确性与全面性要求更高，确保信道始终处于稳定可靠运行状态。对于信道信息的获取工作，配合使用先进技术手段，借助时分双工系统、上下行信道中的信息状态互译原理，保障信息传输水平。

借助频分双工系统，利用终端用户进行信道预估，获得有限反馈信息。借助信道互译专项系统，能够进一步控制信道开销量，省略建设复杂反馈机制的流程，基站天线数量也可根据实际建设要求灵活控制。依照互译原理特性，在频分双攻系统运行环节，无法切实满足高校移动场景通信要求。上行训练运行环节，用户终端应当肩负起向基站发送高频信号的职责，对信道展开估算工作。因导频空间信号维度较为有限，小区用户需要结合实际导频要求开展基站发射工作，导致导频污染问题更为严重，难以在导频污染问题出现后消失。由于导频的污染较强，不会在增加基站天线数目的情况下消失，可以借助相同方差加性噪声判断手段，如果导频污染问题对系统运行会造成严重影响，应当在具体建设期间配合使用干扰抵消技术、预编码技术、传输协议方式控制污染。

在大规模MIMO 技术期间，数据传输水平会受到小区干扰、非相干干扰、有频率污染下的区间干扰等因素。计算出不同干扰因素下的系统容量值，分析终端用户、系统数量值、基站天线数目变化实际情况。在基站天线数量为100 时，导线复用因子为2，相对终端干扰位置因素对系统性能的影响差异性更大[5]。

2.2.3 大规模MIMO 技术在高频段中的应用

基站天线数量不断增长时，系统信息处理水平、系统外观设计水平、网络建设难度将大幅提升。系统运行频率与天线配置方式存在密切关联。如天线间距及尺寸小，高频段运行期间的工程建设难度较小，5G 无线通讯网络系统建设时，借助全新天线形态设计工作，可以使大规模MIMO 在高频段的利用效果更为良好。

2.3 双公开技术

双公开技术需要使信息能够满足传输、同频率传输要求。现有通信网络信息传输过程中，信号会受到各类干扰因素影响，难以切实保障传输效率。通过使用全公开技术，切实提升频率资源利用水平，增强多频信息传输效果，解决通信系统运行期间同频率以及双向传输难度大问题。5G 通信技术中的双公开技术可以利用无线频谱资源实现抵干扰信号模拟端目标，控制干扰信号端带来的影响，保障信息整体传输期间的稳定性。双公开技术能够对现有资源进行精简处理，减少外界干扰，从根本上提升传输效率控制传输成本。现阶段双公开技术的研究工作需要从保障通信的可靠性与实时性、加大无线资源管理力度等方面入手。

2.4 绿色信道技术

绿色信道技术的应用能够有效降低信息传输期间的能量消耗率。在现有无线通信领域中，消耗能源总量占总能源消耗总量的3%，并呈现出逐年上涨态势。因此在现阶段5G 无线通信网络建设过程中，需要着重关注绿色信道研究工作，以增强能源利用率为目标，提升通信系统实际频谱效率，为5G 技术的普及提供重要技术保障。针对绿色信道技术，国内外研究学者提出了一种有效的绿色通信解决方案，如设计出高能效资源配置系统，利用CoMP 高能效频谱设计协作休眠方案。积极利用绿色共享通路保护计算工作，有效解决存在于绿色通道建立期间的回程功耗量[6]。

3 5G 无线通信网络物理层关键技术应用场景

5G 技术不仅需要满足语音及短信通信业务，还需要符合大数据业务实施特征，进一步提高网络系统容量。具体来说，网络系统容量是所有子信道以及网络容量的总和，为从根本上提高网络系统容量，需要着重关注以下工作。

首先，进一步增加信道宽度，配合使用毫米波通信技术手段、无线电认知技术获取更多频率资源，提高系统容量值。

其次，增强信道信号功率，提高能量效率，消除干扰因素，建设绿色信道。进一步增加子信道数量，积极应用大规模MIMO 技术、空间调制技术，不断优化无线通信网络系统。

最后，提高网络覆盖率，通过建设家庭基站、中继等异构网络，提高系统能量值，提升无线通信网络的超高移动性、超高连接密度、超高流量值。

4 结语

总而言之，5G 移动通信系统更需要满足多元化物联网业务要求，将各类业务技术充分融合在一起，达到最佳用户体验。通过分析移动通讯网络发展规律，发现当前5G 移动通信网络技术使用频段、技术指标以及发展方向的确立已经进入关键时期，为充分发挥出5G 无线通信网络作用，还需要加大无线通信网络物理层关键技术的研究力度，切实提高通信系统频谱效率、能耗效率管控水平，重新整合无线通信网络体系，使无线通信网络物理层更为灵活，为推动我国无线通信网络事业快速发展奠定坚实技术基础。