5G无线通信网络物理层技术

摘要：随着信息技术的发展和移动设备的普及，无线系统的技术和需求不断增多。5G时代，不仅要提高网络通信的容量，而且要提高网络技术的安全性和高效性，5G相对4G来说，传输速度可达4G的百倍之多，且安全性更高。5G通信系统，预计在2020年大规模推广和使用。基于室内和室外景象分离，详细介绍了5G的技术应用，特别是大规模的MIMO。新技术在使用和推广上，必定会遇到新的挑战，比如新通信基站的建立、无线网络和可见光通信技术等。

关键词：5G；通信技术；物理层；关键技术

0引言

5G通信网络的物理层主要由大规模的MIMO技术和毫米波通信技术作为技术支撑。5G主要利用高频段进行通信，能够实现大容量的网络通信，为用户提供高效、稳定、安全和实时的无线通信方式。网络通信过程中，5G具有能耗低的优点，能够为用户提供更优质的服务。每一代网络通信技术的革新，都需要一些关键技术提供支撑。

15G无线通信网络简介

5G是第五代移动通信网络的简称。按照理论峰值，其传输速度可达10GB/s，比4G网络的传输速度快数百倍[1]。换言之，一部大小为1G的电影可在8s内下载完成。5G的主要目标是让终端用户始终处于一个联网状态，所支持的设备不止手机，还有其他智能产品。

25G通信网络的蜂窝结构

蜂窝结构是解决上述挑战并满足5G系统需求的一个调整点。由于户外利用时间仅占总利用时间的20%左右，因此小区建筑物对网络基站建设的影响较为突出。建筑物的墙体结构使无线网络穿过墙体造成较大损耗，同时，降低了数据的传输速率和频谱速率，大大降低了无线传输的能量[2]。5G蜂窝结构就是为解决这一问题而专门设计。为了充分利用传输能量，基站上的天线阵列需要DAS系统和MIMO技术共同辅助完成。当前的MIMO技术主要利用2～4根天线，大规模的MIMO技术系统会相应增加天线数量，以增加容量。室外基站配备大量分布在小区的大型天线阵列，通过光纤链接到BS，这受益于DAS和大规模MIMO技术。尽管现实生活中各种条件的限制，室外移动用户的天线原件不能最大化使用，但最大化虚拟大型天线阵列与BS系统相结合，可形成强大的MIMO线路。因此，在建筑物外面安装室外基站或者分布式的天线阵列很有必要，如果长期运行，将快速提升小区的吞吐量和频谱效率。但是，要考虑到一点，即基站建设增加了很大成本。

35G物理层的关键技术

3.1双公开技术

通常意义上的双公开技术指信息能够实现同时传输和同频率传输。现有的通信系统在信息传输过程中会受到信号干扰，而全公开技术能有效提高频率的利用率，实现多频率的信息传输，克服了一个通信系统不能同频率和双向传输的技术难题。这是当下人们热衷于研究双公开技术的原因。对5G通信系统而言，应用双公开技术能够有效利用无线频谱资源。具体来说，通过抵消干扰信号的模拟端，抵消已知干扰端数字信号的干扰，解决传输过程中系统的干扰问题。

3.2绿色通信技术

绿色通信技术主要用于降低信息传输过程中的能量消耗[3-4]。从现有技术水平来说，这是目前无线通信业发展的一大挑战。虽说目前无线通信所消耗的能源仅占所有产业总能耗的3%，但是这个数值每年以15%～20%的速度增长。4G通信方式的普及已使通信技术的能耗大幅度增加，一旦5G通信系统普及，将面临更加严峻的考验。因此，研究绿色通信技术有非常重要的意义。目前，针对这方面的研究主要以提高能源的利用效率为目的，但降低了通信系统的频谱效率。如何根据实际情况权衡两者，成为当前必须面对的一个问题。

3.3毫米波高频段通信技术

毫米波高频段通信技术是解决频谱资源稀缺的有效方法。所谓“毫米波”指波长在1～10mm的电磁波。当下无线通信系统中，毫米波的优点正逐渐被人们重视。要想应用毫米波高频段通信技术，需要考虑电磁波在大气中的传播特性。毫米波的缺点是在大气中的散失较为严重，只适用于短波通信[5]。5G通信系统要想发展此技术，必须克服毫米波高频段通信技术的这一缺点。毫米波与微波通信的区别主要在传输信道模型及多径数目等方面。现有微波频段的MIMO通信系统不适合毫米波通信系统。为了克服这一缺点，有关研究人员提出了“混合波束成形”的理念，主要是结合数字域波束成形和模拟域波束成形的概念，已成为5G通信系统的研究重点。要想真正推进5G通信系统的应用，需要研究这部分技术。

3.4大规模MIMO技术

经过近几年的实践，目前多种无线通信系统中已普遍采用多天线技术。通过3G系统及WLAN等通信系统实际检验可知，多天线技术能够有效提高通信系统的频谱效率。其中，MIMO信道数量的增加与收发信号所用的天线数量呈现近似相关的关系[6-7]。因此，研究5G通信系统时一般会设置多种数量的天线。但是，就单个系统而言，如果天线数量增多，肯定会整个系统空间被压缩，那么无法保证基础性功能。虽说如此，大规模MIMO技术的优势还是显而易见。首先，大规模MIMO技术有更强的分辨率，能够深入挖掘空间维度资源，保证多个用户在同一频率内的通信畅通，进而实现小规模数量基站下的高频谱信息传输。其次，大规模MIMO与其他基站平台相比抗干扰能力更强，能够适应一些极端环境下的数据传输。对5G通信系统而言，攻克了这部分技术的内容，代表通信系统能够负担短时间内的大规模数据传输。但是，目前我国对这部分内容的研究仅停留在信道模、容量和传输技术方面，且都是理论数据阶段的研究，没有正式通过模型进行论证，传输方案都是选择TTD系统。如何挖掘当下国内大规模MIMO中的优势，结合国内无线通信行业的实际需要研究信道模型，是摆在人们面前的至关重要的问题。

4结语

无线通信技术改变了人们的生活方式，给人们的生活带来了很大便利。第五代通信技术的革新给各个领域的发展提供了动力和条件，将给生活带来全面改变。本文介绍了5G的重要技术，阐述了毫米波技术和大规模MIMO技术在5G网络中的优点。目前，5G通信研究中，华为公司已和很多国家、地区取得合作，相信不久的未来，中国的5G通信技术将会彻底改变整个通信领域。

参考文献

[1]沙尼亚•阿不都吉里.5G无线通信网络物理层重点技术[J].信息与电脑(理论版),2019(2):178-179,189.

[2]潘乙林.5G无线网络物理层关键技术探析[J].电子世界,2018(23):71,73.

[3]周勇.5G无线通信网络物理层关键技术[J].数字通信世界,2018(10):40,47.

[4]惠芳,李文聪.浅析5G无线通信网络物理层的关键技术[J].计算机产品与流通,2018(6):67.

作者：陆海涛 单位：中国铁塔股份有限公司荆州市分公司