5G无线通信网络物理层技术探讨

摘要：本文首先阐述了5G无线通信网络信息技术的优势，其次对5G无线网络的架构进行了简要研究，最后对5G无线通信网络物理层的关键技术进行了详细的分析，以期能够加快5G无线通信网络技术的发展步伐。

关键词：5G无线通信网络；物理层

无线通信技术是与当前的社会经济发展息息相关的，作为通信领域的关键技术，随着人们对通信安全性、高效性等提出了更高的要求，无线通信技术要紧跟时展潮流和趋势，最大程度上实现技术创新。随着5G时代的到来，5G无线通信网络技术日渐进步，虽然在当前5G网络并未全覆盖，但是在相关领域方面迎来了崭新的发展。物理层关键技术是影响无线通信效果的重要因素，在当前的技术条件下，物理层关键技术方面还存在着很多亟待解决的问题，在未来必须要积极推进技术创新与改革。

15G无线通信网络信息技术的优势

4G网络技术在我国经历了多年的发展，基本实现了全覆盖，虽然其技术优势明显，但由于存在一定的技术限制，在4G网络技术的应用过程中，频谱效率、用户数量和网络流量等方面还尚存一定的发展空间，而这些方面的问题也为5G无线通信技术的发展带来了更多的可能性。5G无线通信网络技术的出现，改变了传统4G技术的限制，可以直接利用高频段来实现通信，保持了通信信号的可靠性与稳定性。5G无线通信技术主要具有以下优势：

1.1提升了频谱资源的利用率

现阶段的通信网络发展条件下，全球范围内可直接利用的频谱资源主要处于300MHz～3GHz的区间内，在当前移动用户数量逐年增加的发展趋势下，无线通信网络发展中的频谱资源过度集中问题日渐突出，这一现象不仅影响了信息传输的效率，也使得在信息传输过程中难以保持稳定性，甚至会存在严重的干扰，信息传输质量有待解决[1]。而5G无线通信网络技术下，现有的频谱资源得到了更为有效的利用与分配，频谱段在原有基础上得到了一定的扩展，满足了通信需求。

1.2扩展了系统的容量

信息时代到来以后，在社会经济生活的很多领域，对于通信技术的依赖性大大提升，技术的进步也在一定程度上刺激了通信行业的变革。移动用户数量逐年递增，如果依旧采用的是传统的4G网络，将难以满足用户的各种通信需求，通信效率低下，且质量较差。因此，5G无线通信网络技术下的系统容量得到了有效的控制，通信系统完全可以满足各类信息的传输需求，即使是音频、视频等大文件，依旧可以保持传输的稳定性。

1.3更加注重了用户的体验

5G无线通信网络中由于采用的是更为先进的通信和网络技术，也就可以在人们使用该系统的过程中，为人们带来更好的体验，使得人们在生产生活的过程中，可以积极利用5G移动通信网络来开展各种的服务。

25G无线网络的架构

5G无线通信网络技术的特殊性，使得利用此技术所构建的通信网络系统具有高传输效率、高稳定性和可靠性、低延时的特，也就可以为用户带来更高的通信网络体验，用户完全可以利用该通信网络系统来实现各种的信息传递。从5G无线网络的总体架构来看，其采用的是蜂窝结构，在室内环境中的应用相对较多，为室外应用相对较少，传统的技术条件下，小区建筑中墙体结构的存在，使得在无线网络信号的传输过程中可能会存在一定的干扰，也就使得信号传输的效率、质量都会受到其影响。而5G无线通信技术的出现，在一定程度上可以克服这种技术限制，避免信号传输过程中的各种干扰，使得传输的稳定性得以大大提升。此外，5G无线网络的总体架构也相对灵活，其接口数量相对较多，且接入方式也非常灵活，通过多跳方式的采用，可以使得网络覆盖面有所扩大，基站Mac层与用户之间实现的连接效果更好。当然，5G无线通信网络还具有极高的环境适应性，在具体的应用过程中，由于系统的兼容性相对较好，有关人员可以直接根据实际的需求来进行系统内资源的合理调配和利用[2]。网络架构中，转发平面、控制平面与接入平面是其中的关键要素，其中，控制平面的存在可以对整体架构中的无线资源实现集中管理与分配，接入平面可以保障多种无线设备接入基站的便捷性和高效性，转发平面则使得数据得以有效传输。

35G无线通信网络物理层关键技术

3.1毫米波通信

通信技术在快速发展的过程中，也需要有足够可利用频谱资源的支持，根据当前的发展现状，商业无线通信工程中，其工作频段多处于300MHz～3GHz区间中，在这一工作频段内，频段资源并未得到有效的利用，才能够解决当下通信工程领域频谱资源有限的问题。随着我国逐步迈入了5G时代，在该时代下，毫米波通信技术尚处于论证阶段，技术发展水平相对有限。根据当前的研究现状，部分研究人员设计出了一种能够在毫米波频段工作的波束成形天线，这一天线在应用时，可以在2km的距离保持一定的数据传输速率；部分研究人员在28GHz和38GHz频段都开展了相应的试验，根据试验获得了一些路径损耗、建筑物穿透等指标，在5G通信网络系统的建设过程中，可以直接将这些结果作为5G通信网络设计的依据[3]。毫米波通信技术在当前的发展条件下尚存在很多的发展问题，主要表现在以下方面：

3.1.1路径损耗在毫米波通信技术的应用过程中，如果发射功率存在较大的辐射扩散，再加上信道传播的特殊性，都将会造成严重的路径损耗。路径损耗问题在无线通信网络领域非常常见，发射信号在传输的过程中，常常会受到很多因素的干扰，再加上信号自身的特性，使得路径损耗问题不可避免。根据已有的自由空间路径损耗模型，波长与频率都与自由空间传播损耗存在着紧密的联系，当波长减小或者频率增大时，传播损耗也相对较大，因此，在无线通信网络领域，在特定的传播空间内，损耗是与频率正向变化的[4]。同300MHz～3GHz频段相比，毫米波频段的自由空间传播损耗更为严重。为有效解决这一问题，可以在高频段利用大规模接收发射天线，来实现波束成形。

3.1.2建筑物穿透损耗建筑物墙体结构比较特殊，使得在信号经过建筑物的过程中可能会面临一定的损耗，低频段信号在建筑物中的穿透性更好，其信号损耗相对较小，而毫米波穿透时的损耗相对较大。如果在信号传输的过程中存在着非常大的穿透损耗，则会影响到信号的接收，信号失真现象将非常突出。如果要有效解决这一问题，可以在室内建立Wi-Fi节点，或者可以通过毫微微蜂窝的方式，来避免信号传输中建筑物的穿透损耗，最大程度上保障传输效率。

3.1.3雨衰毫米波通信技术在应用的过程中，同样会受到雨衰因素的影响，这主要是由于毫米波在传输过程中的无线信号特殊性所造成的。由于雨衰的存在，使得信号在传输的过程中常常会受到无线系统传播路径长度的限制，信号传输的可靠性难以保障。在雨量相对较大的情况下，毫米波通信信号传输时将会受到非常大的干扰，根据相关研究，雨滴大小一般会发生波长相差无几，发生散射的概率相对较高。事实上，在平均雨衰理论下，构建相应的雨衰预测模型，进而在该模型中分析降雨速率、结构与大气温度之间的关系，也就可以有针对性的在无线通信中对雨衰加以有效控制[5]。

3.2大规模MIMO技术

3.2.1大规模MIMO技术简介在无线通信网络物理层中，大规模MIMO技术是核心技术，这一技术在应用以后，可以使得通信系统的频谱效率得以有效提升，且能够维持高效、稳定、安全的信号传输，是传统技术所无法实现的。在当前的移动通信网络系统中，大规模MIMO技术已经得到了广泛的推广与应用，其中，最为突出的就是3G、LTE技术的应用。传统的MIMO技术在发展过程中，存在着很多的技术发展局限性，比如，硬件系统的复杂性大大提升、信号处理的难度增加、能量消耗严重，就需要在无线通信网络的发展过程中，来不断扩大其物理空间，使得系统本身有较大的物理空间来容纳天线，也就会增大系统的建设和优化成本。在2010年，部分研究人员提出了在基站侧设置大规模天线的技术，这一理论也就是大规模MIMO技术的雏形。在大规模MIMO技术应用以后，在无线通信网络领域，基本上可以在不改变用户终端设备的基础上，就可以提升传输效率，只需要对原有基站加以改造，就可以满足系统容量和频谱效率的需求。大规模MIMO技术具有以下的突出特征：（1）传统的技术下，如果要提升系统容量，一般会采用减小小区尺寸的方式，而在大规模MIMO技术下，可以直接通过基站改造，也就是增加基站天线的数量的方式，来保障系统容量，这一改造技术的实现相对简单；（2）在系统中对于相关元器件并没有严格的性能标准，即使采用低价、低输出功率的元器件，也可以使得系统的性能得以有效提升，当天线数量满足了特定标准时，所存在的噪声干扰等对通信的影响也就微乎其微了。

3.2.2信道状态信息的获取近年来，5G无线通信网络技术的发展步伐加快，取得了瞩目的成就，虽然解决了部分的传统技术困境，但也衍生出来了一些新的问题。5G无线通信网络中的基站数量相对较多，要保障信息传输的可靠性与安全性、稳定性，基站就必须在发展的过程中，能够更为精准地获得信道的状态信息。信道状态信息的准确获取又称为了新的难题，在当前，人们更倾向于采用时分双工系统来获取信道状态信息，在具体的应用过程中，由于上行信道与下行信道之间存在着紧密的关系，在特定的时间范围内，信道状态存在互易性，也就可以保障状态信息获得的准确性。在传统的信道状态信息获取的过程中，主要采用的是频分双工系统，这一系统在应用时，相关人员需利用终端用户的信道估计来获得相应的反馈信息，而时分双工系统则有所不同，在具体的应用过程中，信道开销相对较小，也不需要在信道状态信息的获取过程中构建专门的反馈机制和系统，操作起来相对简单。但是，基于互易性的时分双工系统下，高速移动场景下的通信很难实现，在上行训练的过程中，终端用户需要及时向各自基站来发送导频信号，在此基础上开展信道估计。但是，导频信号比较特殊，其空间维数是非常有限的，这也就使得小区中的不同用户可能会采用相同导频来进行信号发送，基站在接收到这些信息以后，无法进行更为准确地区分，导频污染问题难以避免。由于导频污染现象产生的过程比较特殊，即使在当前基站天线数量逐步增加的过程中，这一现象也不会消失。根据当下的研究情况，导频污染对于通信系统的性能影响非常大，可以采用干扰抵消法、预编码、盲估计等方法来消除这一不利影响。大规模MIMO系统额的下行数据传输过程中，信号干扰源主要为小区内干扰、非相干干扰、区间干扰，如果要使得大规模MIMO技术得到最为良好的应用效果，就需要有关人员在实际的工作过程中，通过这些干扰信号的类型与原因，采取更为有效的控制策略。

4结束语

5G时代到来以后，人们对无线通信网络提出了更高的要求，在各类通信工程的实施过程中，加强无线通信网络物理层关键技术的研究与应用具有现实意义，相关部门在日常的工作中需要着力解决各种的技术难题，加快5G无线通信网络技术的发展步伐。

参考文献

[1]朱好楠.5G无线通信网络物理层关键技术分析[J].中国新通信,2020,22(03):31.

[2]陈先.试论5G无线通信网络物理层关键技术[J].数字技术与应用,2020,355(01):25-26.

[3]陈龙章.5G无线通信网络物理层关键技术研究[J].科学大众,2019,000(001):15.

[4]杨威.5G无线通信网络物理层关键技术分析[J].数字化用户,2019,025(006):8.

[5]黄荣列,张冠浩,薛泽斌.探讨5G无线通信网络物理层关键技术要点[J].大科技,2019,000(008):201-202.

作者：高宏亮 李长鹤 单位：中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司