基于5G的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層關(guān)鍵技術(shù)探究

摘要：無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)多年來(lái)的更新?lián)Q代離不開(kāi)核心技術(shù)的更新?lián)Q代，現(xiàn)在部署商用的5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)亦是如此。首先，本文簡(jiǎn)要介紹了信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，其次，闡述了在該應(yīng)用環(huán)境下完成5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)必須解決的技術(shù)問(wèn)題;最后解釋了物理層的關(guān)鍵技術(shù)，深入分析毫米波通信和大規(guī)模 MIMO等技術(shù)，并對(duì)應(yīng)用進(jìn)行一定的分析。

關(guān)鍵詞：5G;無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò);物理層;關(guān)鍵技術(shù);探究

一、引言

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在過(guò)去30年經(jīng)歷了兩次更新，隨后根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新完成了更高的覆蓋范圍、部分信息內(nèi)容的更高傳輸速度和更快的客戶(hù)體驗(yàn)。根據(jù)對(duì)未來(lái)無(wú)線通信應(yīng)用領(lǐng)域和通信需求的預(yù)測(cè)和分析，科研和商業(yè)服務(wù)業(yè)已經(jīng)開(kāi)始對(duì)下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)研究。

二、5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)概述

（一）優(yōu)化體驗(yàn)

研究表明，無(wú)論是擴(kuò)容還是提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，都會(huì)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的完善帶來(lái)積極的影響，也會(huì)讓日常工作和生活更加方便。此外，5G互聯(lián)網(wǎng)可以讓信息內(nèi)容傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率更接近估計(jì)的情況，大家享受的服務(wù)和感受通常會(huì)越來(lái)越理想。

（二）提高資源利用率

5G互聯(lián)網(wǎng)對(duì)提升通信質(zhì)量和效率的作用比較明顯。對(duì)于無(wú)線通信來(lái)說(shuō)，決定通信質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素是頻段資源應(yīng)用的高效率。5G互聯(lián)網(wǎng)可以讓資源的利用率保持在較高的水平。進(jìn)而達(dá)到提高通信質(zhì)量的目的，這與相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)密切相關(guān)。

（三）擴(kuò)充系統(tǒng)容量

建設(shè)5G互聯(lián)網(wǎng)可以有效擴(kuò)大系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)帶寬。4G互聯(lián)網(wǎng)和5G互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)帶寬上。研究表明，5G互聯(lián)網(wǎng)具有更大的容量和更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)資源呈爆炸式增長(zhǎng)，這也對(duì)通信系統(tǒng)的體量提出了更嚴(yán)格的規(guī)定。建設(shè)5G互聯(lián)網(wǎng)可以使信息管理系統(tǒng)具有與信息內(nèi)容總量相適應(yīng)的量。當(dāng)然，無(wú)線通信領(lǐng)域?qū)@得快速增長(zhǎng)。

（四）賦予信息內(nèi)容更明顯的安全系數(shù)

在信息時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)信息安全已成為各領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。如何保障網(wǎng)絡(luò)信息安全當(dāng)然成為相關(guān)人員科研的具體內(nèi)容。5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，為這個(gè)問(wèn)題帶來(lái)了全新升級(jí)的解決方案。不僅網(wǎng)絡(luò)信息安全顯著提高，數(shù)據(jù)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(shù)構(gòu)建的價(jià)值所在。

三、5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要解決的具體技術(shù)問(wèn)題

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的更新?lián)Q代著眼于滿足快速增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，自第三代互聯(lián)網(wǎng)部署以來(lái)，無(wú)線通信業(yè)務(wù)已從基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息傳輸轉(zhuǎn)向多媒體數(shù)據(jù)的即時(shí)交互。要部署的5G互聯(lián)網(wǎng)必須在信息量和需求量上實(shí)現(xiàn)飛躍。因此，需要解決的技術(shù)問(wèn)題眾多且復(fù)雜。

（一）及時(shí)完成可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信的采集

用戶(hù)數(shù)量的激增是現(xiàn)階段無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)實(shí)。隨著客戶(hù)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟粩嘣鲩L(zhǎng)和更高的通信質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的物理層必須處于現(xiàn)階段的基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)完成更可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信，即滿足客戶(hù)在所有地址方便快捷地連接WiFi網(wǎng)絡(luò)的需求。這意味著現(xiàn)階段必須給予大量頻段資源，進(jìn)一步提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的滲透率，應(yīng)對(duì)聚合短線數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)的影響，保障運(yùn)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(wú)線通信科研行業(yè)就對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。根據(jù)用戶(hù)需求趨勢(shì)分析，著力提升通信服務(wù)水平，明確提出5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用總體目標(biāo)和概念。在人工智能技術(shù)、云技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面，無(wú)線通信在工業(yè)生產(chǎn)、診療、新型智慧城市等領(lǐng)域不可或缺。因此，由于銷(xiāo)售市場(chǎng)對(duì)無(wú)線通信服務(wù)項(xiàng)目需求的這種發(fā)展趨勢(shì)，5G在網(wǎng)絡(luò)部署的全過(guò)程中必須處理一系列的專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。

（三）開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)大量頻段資源

頻段資源是可靠的無(wú)線通信服務(wù)項(xiàng)目的基礎(chǔ)。隨著用戶(hù)數(shù)量的不斷增加，無(wú)線通信頻段系統(tǒng)資源不足的問(wèn)題一直困擾著運(yùn)營(yíng)商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)階段商用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻段資源往往集中在3GHz-300GHz之間，因?yàn)榫哂匈Y源優(yōu)勢(shì)的高頻段在應(yīng)用中遇到了很多技術(shù)問(wèn)題，毫米波的應(yīng)用技術(shù)水平是否能在通信頻段資源得到改善，被認(rèn)為是5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層最重要的問(wèn)題。

四、5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層核心技術(shù)及應(yīng)用分析

（一）MIMO無(wú)線信息技術(shù)

大規(guī)模MIMO技術(shù)在5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層中是一項(xiàng)非常的核心技術(shù)，對(duì)無(wú)線傳輸技術(shù)的進(jìn)步有著關(guān)鍵的作用。該技術(shù)的研究主要包括對(duì)大規(guī)模MIMO技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹、信道狀態(tài)信息的獲取方式以及在高頻段的應(yīng)用。首先是大規(guī)模MIMO簡(jiǎn)介。與傳統(tǒng)MIMO技術(shù)不同，大規(guī)模MIMO技術(shù)可以降低硬件配置的復(fù)雜性，提高信息管理的高效率，降低動(dòng)能消耗的同時(shí)降低租賃成本。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)及其云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)早已處于被淘汰的邊緣。在這個(gè)階段，對(duì)消息的需求和數(shù)據(jù)處理的高效率有了明顯的提高。根據(jù)大型MIMO的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如增加系統(tǒng)體積、控制成本、提高抗干擾能力等，對(duì)該技術(shù)的分析已經(jīng)成為5G無(wú)線傳輸技術(shù)的重點(diǎn)工作。其次是獲取方式。大規(guī)模MIMO技術(shù)雖然具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)也存在一些問(wèn)題。隨著無(wú)線天線總數(shù)的不斷增加，通信基站對(duì)報(bào)文的接收對(duì)保證頻段信息內(nèi)容的準(zhǔn)確獲取提出了一定的挑戰(zhàn)。通常采用全雙工方式與上升頻段和下降頻段的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互來(lái)接收?qǐng)?bào)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(fā)送信號(hào)的時(shí)候，實(shí)際上對(duì)方發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)在電磁波上是疊加的，但是由于本地發(fā)送信號(hào)的幅度很高，所以對(duì)方發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)就淹沒(méi)在本地的發(fā)送信號(hào)中了，所以就沒(méi)有辦法接收。而解決這個(gè)問(wèn)題的思路簡(jiǎn)單而言就是由于本地發(fā)送的信號(hào)本地是已知的，所以在試圖接收對(duì)方的信號(hào)的時(shí)候，把本地的發(fā)送信號(hào)給減去，那么就可以獲得對(duì)方的發(fā)送信號(hào)了，從而即可達(dá)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(chuàng)建反饋的不便，并且保證通信基站的無(wú)線天線總數(shù)不受限制。只是這種方式很難保證高速移動(dòng)條件下的信息質(zhì)量。最后是在高頻段中的應(yīng)用。大規(guī)模的MIMO技術(shù)對(duì)移動(dòng)通信基站設(shè)備的使用量是非常大的，因此可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)解決設(shè)備的功能、相應(yīng)的布局以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來(lái)比較大的挑戰(zhàn)。通過(guò)不斷調(diào)整天線的形狀來(lái)達(dá)到降低項(xiàng)目難度的目的，這也是大規(guī)模MIMO技術(shù)主要發(fā)展前景。但在大中型收發(fā)信息的動(dòng)能消耗以及無(wú)線天線端的模擬與模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換等方面也會(huì)存在一定的問(wèn)題，還是非常值得專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員關(guān)注的。

（二）毫米波無(wú)線通信技術(shù)

在毫米波通信中，頻段資源的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用在5G無(wú)線傳輸技術(shù)中的地位也是比較關(guān)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(kuò)散途中的損耗、建筑物傳輸損耗和雨衰。首先是擴(kuò)散途中的損耗。信號(hào)強(qiáng)度的擴(kuò)散和頻段對(duì)傳輸?shù)母蓴_效應(yīng)是造成路徑損耗的主要原因。在無(wú)線傳輸技術(shù)中，這樣的問(wèn)題是很難避免的，沖擊、噪聲和其他數(shù)據(jù)信號(hào)的影響會(huì)使信號(hào)在一定程度上遭受磨損。此外，數(shù)據(jù)信號(hào)本身的損耗也是不能抹去的。通過(guò)各項(xiàng)研究表明，頻率越高所遭受的損耗越嚴(yán)重，也就是說(shuō)其他頻段的毫米波通信損耗會(huì)更嚴(yán)重，這也是毫米波通信研究過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。在高頻部分，根據(jù)大量收發(fā)無(wú)線天線的應(yīng)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(guò)大的情況。其次是建筑物傳輸損耗。在進(jìn)行通信技術(shù)方面科學(xué)研究中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)穿過(guò)建筑墻體時(shí)，信號(hào)會(huì)有一定程度的損耗，其頻率是損耗的關(guān)鍵因素。通常信息的頻率較低時(shí)，在通過(guò)建筑物之后可以保持良好的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。毫米波通信在這方面有較高的損耗。這意味著當(dāng)使用毫米波通信進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸時(shí)，很可能會(huì)因過(guò)度的數(shù)據(jù)信號(hào)消耗而導(dǎo)致丟幀，無(wú)法保證數(shù)據(jù)信號(hào)質(zhì)量。最后則是雨衰。彌散特性的科學(xué)研究也是毫米波通信科學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，其中雨量是不得已而為之的一大因素。雨衰會(huì)破壞無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件的傳輸路徑長(zhǎng)度，降低數(shù)據(jù)信號(hào)的穩(wěn)定性，在高頻段會(huì)限制微波加熱鏈路。隨著降雨量的擴(kuò)大，毫米波通信質(zhì)量明顯下降。

（三）D2D

D2D方法是一種無(wú)線通信資源生產(chǎn)和調(diào)度方法。它是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息的即時(shí)傳輸，即UE立即使用蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的頻段資源完成通信，而不通過(guò)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(yōu)勢(shì)。自然，D2D存在的具體目標(biāo)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(jié)目的D2D資源分配的信息內(nèi)容，讓UE可以檢測(cè)周邊是否有對(duì)應(yīng)的UE，并向BS上報(bào)，防止D2D影響蜂窩通信，通信基站將作為集中監(jiān)控中心來(lái)調(diào)整D2D，但消息成本會(huì)非常大。假設(shè)一個(gè)蜂窩小區(qū)有核心通信基站，小區(qū)內(nèi)有蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)UE和D2D通信，兩者是在小區(qū)系統(tǒng)軟件中任意分配的。一個(gè)UE可以根據(jù)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)完成與另一個(gè)UE的通信，但必須由通信基站共享，而D2D通信對(duì)在UE之間進(jìn)行同時(shí)通信。D2D通信對(duì)采用復(fù)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻率資源。為此，推出了一種啟發(fā)式算法，在保證容量利潤(rùn)最大化的同時(shí)，保證貨運(yùn)量的最優(yōu)控制。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等多家機(jī)構(gòu)都明確提出了這方面的合理優(yōu)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(jù)5G超聚合虛擬化技術(shù)組網(wǎng)方案的規(guī)定，在啟發(fā)式算法下，假設(shè)住宅小區(qū)所涉及的區(qū)域?yàn)閳A形區(qū)域，一個(gè)非常通信的基站，區(qū)域內(nèi)移動(dòng)基站的信號(hào)強(qiáng)度為40dBm，蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的推送輸出功率為25dBm，系統(tǒng)軟件網(wǎng)絡(luò)帶寬為10MHz。假設(shè)沖擊門(mén)限為-150dBm，那么每個(gè)D2D客戶(hù)對(duì)引起的貨運(yùn)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(dá)到最高值，體現(xiàn)了協(xié)同溝通資源分配功能非常理想。假設(shè)影響門(mén)限為-155dBm，則允許連接的D2D客戶(hù)端會(huì)受到UE之間較大距離的影響。據(jù)分析，這樣的事情是因?yàn)閁E之間的相對(duì)距離越小，對(duì)通信基站的影響就越小，也更容易連接;此外，當(dāng)距離減小時(shí)，沖擊力會(huì)減小，推動(dòng)效率也會(huì)降低，因此由 UE 引起的貨運(yùn)量會(huì)擴(kuò)大。

（四）雙公開(kāi)技術(shù)

通常意義上的雙公開(kāi)技術(shù)是指信息內(nèi)容可以建立同時(shí)傳輸和同頻傳輸。當(dāng)前通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中存在信號(hào)干擾問(wèn)題，但全面公開(kāi)的技術(shù)性能可以有效提高頻率利用率，完成多頻報(bào)文傳輸，擺脫通信系統(tǒng)無(wú)法在多頻傳輸?shù)钠款i問(wèn)題。這也是人們熱衷于科研雙公開(kāi)技術(shù)的原因。綜合來(lái)看，根據(jù)偏移電磁干擾的仿真端，抵消已知干擾端數(shù)字信號(hào)的干擾，并在傳輸過(guò)程中處理了系統(tǒng)的影響。

（五）5G無(wú)線傳輸技術(shù)的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

首先是信息內(nèi)容傳輸速率等級(jí)的優(yōu)勢(shì)。隨著我國(guó)城市居民生活水平的提高和生活壓力的加速，對(duì)信息內(nèi)容傳輸速率和傳輸速率的需求逐漸增加。在保證傳輸質(zhì)量的同時(shí)，還需要提高傳輸?shù)母咝省?5G技術(shù)可以保證信息化的高效率，讓客戶(hù)立即獲得合理的信息內(nèi)容，節(jié)省大量時(shí)間。此外，5G無(wú)線傳輸技術(shù)還可以盡快完成信息內(nèi)容的擴(kuò)展，根據(jù)資源的合理安排，減少傳輸過(guò)程中的開(kāi)支，提高傳輸效率。

最后則是應(yīng)用范圍方面的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，為保證5G無(wú)線傳輸技術(shù)能夠更好地應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展和制造，我國(guó)很多地方都在加大對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)的科學(xué)研究范圍，因此需要加強(qiáng)對(duì)未來(lái)發(fā)展規(guī)劃這項(xiàng)技術(shù)的科學(xué)研究。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的有效利用，消除室內(nèi)空間和時(shí)間上的障礙，保證人與人之間的距離更短。要完成物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)秀應(yīng)用，需要加強(qiáng)其終端產(chǎn)品的應(yīng)用。對(duì)于5G無(wú)線傳輸技術(shù)而言，其應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及的行業(yè)很多，包括家裝行業(yè)、道路交通、醫(yī)療系統(tǒng)等，與我們的日常生活息息相關(guān)。因此，5G無(wú)線傳輸技術(shù)的應(yīng)用將為大家的日常生活提供越來(lái)越多的便利。

五、結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，根據(jù)目前5G組網(wǎng)方案的發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)線通信資源分配可以通過(guò)多種方式進(jìn)行。其中，最明顯的優(yōu)勢(shì)是D2D模式，而中繼模式相對(duì)簡(jiǎn)單，可以順利完成4G到5G的連接，但更大的問(wèn)題是如何降低無(wú)縫連接的延遲。在低延遲、大空間、高速傳輸?shù)囊笙?，D2D資源分配方案相對(duì)較為理想，但其難度系數(shù)相對(duì)較高。

作者單位：嵇靜嬋? ? 柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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