5G无线通信网络物理层关键技术研究
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作者:朱晓敏
摘要：文章从5G无线通信网络的关键性能指标入手，介绍了5G无线通信网络的技术优势，并对5G无线通信网络物理层的关键技术进行探究，从而进一步提出强化5G无线通信网络物理层关键技术的有效策略，旨在为未来5G无线通信网络的发展提供积极的参考作用。
关键词：5G无线通信网络；物理层；关键技术
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2022）30-0077-03
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
在信息时代发展的潮流下，5G无线通信网络技术已逐渐成熟并投入应用，在相关领域表现出了新的发展趋势，在未来必定会有更广阔的发展前景。由于物理层的关键技术是影响无线通信网络效果的重要因素，因此对于5G无线通信网络，要进一步做好对物理层的关键技术分析，强化5G无线通信的能力，使5G网络向着更高的安全通信和高效通信的目标前进。
1 5G无线通信网络关键性能指标
5G无线通信网络主要包含增强型移动宽带、大量节点机器型通信和高可靠机器通信三大模块，其关键性能指标预期如图1所示：
通过对这三大模块的覆盖和高效连接，能够有效提升5G无线通信网络的关键性能指标，从而更好地提升5G技术在各项场景中的应用能力。其中，增强型移动宽带模块能够有效改善移动宽带的延迟，提高接入速率、容量、覆盖范围和用户服务率，即使是在用糁诙唷⑿藕庞导返那域，也能够实现实时的数据流传输；大量节点机器型通信能够使得低成本、低功耗的耐用设备实现对嵌入式高速传感器、停车传感器和智能电表的应用；高可靠机器通信能够使得用户与设备能够以最低的延迟进行双向通信，在保证网络的高可用性的同时，也大幅提升了数据信息共享的效率[1]。
此外，蜂窝无线网络和物联网的场景应用也是5G关键性能指标中的重要部分。对于蜂窝无线网络，其场景应用主要为移动热点的高容量和连续的广域覆盖，其中，移动热点的高容量需要在商场、步行街等终端分布密度极大的区域，能够保证用户体验速率平均达到1Gbps，峰值速率在10Gbps以上；连续的广域覆盖则要求在信号较差的区域，例如高铁、动车和高速公路等信号较差的场景，用户终端的体验速率也要达到100Mbps。对于物联网，其场景应用主要为低功耗热点连接和低时延业务，其中，低功耗热点连接需要在保证成本较低和功耗较低的情况下，热点连接的覆盖区域达到100万平方千米；而低时延业务则需要在保证业务质量可靠的同时，空口时延处于1ms，从而具有更快的响应速度。
2 5G无线通信网络技术优势
无线通信网络技术经历了多年的发展，目前正处于4G网络全覆盖，5G网络处于发展高速期的阶段，虽然4G网络技术具有更好的覆盖优势，且其应用效果也能够满足大众的生活需求，但由于技术的限制，导致4G网络技术在应用过程中，对于其频谱效率、用户总数和系统容量等方面与目前理论上的峰值还具有较大的差距，只有通过运用5G技术，才能进一步突破瓶颈，实现高频段通信，进而达到更好的通信效果。5G无线通信网络技术的优势主要体现在提升频谱资源的利用率、提升用户体验和扩展系统容量等方面：
1）提升频谱资源的利用率。在现阶段，无线通信网络在全球范围内可以直接利用的资源主要处在300Mhz―3Ghz的范围内，随着用户数量的不断增多，无线通信网络技术在进行发展时，其中的频谱资源容易出现过度集中的问题，会导致信息传输的过程中出现较为严重的干扰，进而影响到信息传输的实际效率[2]。而通过运用5G无线通信网络技术，能够将频谱资源进行更加细致的分析，从而依据自身特点做出科学合理的分配，实现对频谱段的有效拓展，进一步提升信息传输的稳定性，满足用户更高的通信需求。
2）提升用户体验。通过运用5G无线通信网络技术，能够帮助用户更好地进行视频、音频、图像和文字资源的获取效率，并保持良好的抗干扰性，能够长时间不受外部环境的干扰，从而更好地提升用户之间沟通和对接的效率。例如，用户在观看大容量高码率的视频或者直播时，采用4G网络时，虽然能做到秒开和秒看的需求，但一旦出现用户拥挤的情况，将会导致卡顿和长时间的缓冲，而通过运用5G网络，能大幅降低出现用户拥挤的情况，强化预加载的能力，从而避免出现卡顿或长时间卡顿的异常情况，进一步提升用户的体验感。
3）扩展系统容量。在网络信息时代，传统通信技术系统的容量已经无法满足用户日益增长的无线通信的需要，例如在应用4G无线通信技术时，由于技术存在限制，从而导致系统的容量无法得到有效的扩展，因此在实际的无线通信中，一旦信号拥挤，不仅会导致通信效率受到影响，通信的质量也容易受到干扰；而通过运用5G无线通信技术，能够突破传统系统容量的上限，使得整体的系统容量得到有效的扩展，不仅提高了信息的传输速率，更为无线通信提供了大量的可利用资源，使得用户之间的沟通与信息共享更加稳定。
3 5G无线通信网络物理层关键技术
3.1 大规模MIMO无线通信技术
3.1.1 技术简介
MIMO无线通信技术作为无线通信网络物理层的核心部分，在应用到无线通信后，能够有效提升通信系统的频谱效率，从而保持稳定安全的信号传输能力。从无线通信网络的发展历程来看，传统的MIMO无线通信技术虽然能够在无线通信网络中发挥出良好的应用价值，但随着通信技术的不断更新，传统的MIMO无线通信技术已经存在着很多的技术瓶颈，出现了例如用户端的流程复杂、频谱资源不匹配等问题；而基于5G的大规模MIMO无线通信技术，不仅能够提升系统容量，简化流程，而且对于用户终端，可以在不改变终端设备的基础上，只需要对原有基站进行一定的改造，就能满足频谱效率的需求，从而提升传输效率。大规模MIMO无线通信技术具有极强的时效性和适用性，在当前的移动无线通信网络中，大规模的MIMO无线通信技术已经得到了广泛的应用。大规模的MIMO无线通信技术具有以下的特点：
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1）大规模MIMO无线通信技术可以通过对基站的改造来提升通信系统的容量，例如采用增加基站天线的数量的方式，不仅方法简单，还能更好地匹配不同的频谱资源；
2）大规模MIMO无线通信技术在通信系统中对相关的元器件没有严格的性能需求，即使采用的元器件的价格和输出功率较低，只要基站的天线数量达标，依然能够提升信息传输的效率[3]。此外，天线的数量达标还能提升基站的抗干扰能力，使得通信质量进一步提高。
3.1.2 信道信息状态的获取
通过应用大规模MIMO无线通信技术，虽然能够突破大部分的传统技术限制，但由于基站数量众多，在应用过程中很容易衍生出一些新的问题，要解决这些问题，就必须对信道信息状态进行准确的掌握，且对于5G无线通信网络，保障信息传输的安全与稳定是重中之重，因此，在基站的发展建设中，对于信道信息状态的获取是十分重要的。
信道信息状态的获取方式主要分为频分双工系统和时分双工系统，其中，频分双工系统主要应用于传统的信道信息状态的获取，时分双工系统主要应用于大规模MIMO无线通信技术对信道信息状态的获取。虽然时分双工系统相较于频分双工系统，具有成本更低、操作简便和具有反馈机制等优点，但在具体的应用过程中，往往难以实现高速移动场景下的信道信息状态的获取，从而造成此场景下的通信质量较差。因此，为进一步提高信道信息状态的获取能力，基站可以通过安装信号放大器的方式来进一步提升接收用户的导频信号的能力，从而使得时分双工系统能够更好地获取信道信息的状态，进而实现对高速移动场景中的信道信息状态的高效获取。
3.2 毫米波无线通信技术
3.2.1 技术简介
作为5G无线通信网络物理层中的另一项关键技术，毫米波无线通信技术具有波长短、波束窄、频谱广泛和传输频率高等特点，例如在波长方面，毫米波无线通信技术在应用过程中不需要使用尺寸较大的天线来实现对较长波长的信息数据的接收，从而节省了很多的占地空间，并使得基站天线的设置更加简便；由于毫米波技术的波束较窄，在传输的过程中不易发散，具有很好的抗干扰能力，因此不会受天气影响而引发通信信道的丢失问题，使得无线通信网络更加稳定，在多媒体领域中有着很好的应用效果。
3.2.2 发展中存在的一些不足
毫米波无线通信技术在目前的发展阶段中，还存在着一些不足，具体表现如下：
1）建筑物穿透损耗
由于建筑物的墙体通常都是由固体的实心或夹层空心结构构成，在无线电信号传播的过程中，往往会起到一定的吸收作用，从而加剧了信号在经过建筑物时的穿透损耗，毫米波相对于低频段信号来说，对于建筑物的穿透性能要差一些，因此在穿过建筑物时，往往损耗更加严重，极易影响到信号的最终接收效果，造成信号失真。为有效解决建筑物穿透的损耗，可以建立Wi-Fi节点，从而将毫米波的信号进行放大，进一步提升信号的传播质量。
2）路径损耗
在应用毫米波无线通信技术时，如果信号的传输存在着较大的散射，将会进一步干扰到信道信息的获取，从而造成严重的路径损耗。路径损耗问题在无线通信网络领域是十分常见的，与波长和频率都存在着密切的联系，当波长减小或者频率增大时，都会导致路径损耗更严重。由此可见，在特定的传播空间内，路径损耗是与波长成反比，与频率成正比的，因此，可以通过在高频段布设大规模的发射天线和接收天线的方式，来实现对毫米波信号传输的波束成形，从而进一步降低路径损耗，提升信号的完整度。
3）雷雨天气的影响
毫米波无线通信技术在实际应用过程中，还会受到雷雨天气的影响，雷雨天气会带来大量雨水，从而导致毫米波的信号受到雨水的吸收作用，进一步降低了毫米波信号传输的实际效果。针对这一问题，研究人员经过长时间的探索，发现毫米波的波长与雨滴的大小非常接近，在雷雨天气来临时，与毫米波波长相同大小的雨滴容易导致毫米波产生散射，进而加剧了信号的扩散，造成信号的失真[4]。因此，要进一步降低雷雨天气对毫米波的影响，可以构建相应的雷雨预测模型，从而对降雨情况做出良好的判断，在发射和接收毫米波信号时，尽量避开与之波长相同的降雨情况，进一步提升毫米波信号的传输和接收质量。
4 强化5G无线通信网络物理层关键技术的有效策略
4.1 提升物理层关键技术的安全等级
为进一步强化5G无线通信网络物理层的关键技术，要对物理层关键技术的安全系数给予充分的重视，提升物理层关键技术的安全等级。在具体的安全等级的提升过程中，技术团队要充分将以人为本的理念始终贯彻到关键技术的开发与维护的过程中去，从而在5G无线通信系统的建设中，能够为用户的隐私安全和个人利益提供更加坚实的保障。例如，在进行公共场所的5G无线通信时，可以通过网络监测技术来实现对区域内的网络环境进行实时的监督，将其中隐含的风险因素及时清除；针对个人的通信服务，可以进一步完善加密处理，并为用户的权限访问设置提供有效保护，从而避免个人隐私泄露和用户数据盗用问题的产生，保证用户的良好使用体验[5]。由此可见，通过提升物理层关键技术的安全等级，不仅能为更多用户提供安全的通信服务，更能提高用户对5G无线通信技术的信赖度，助力社会的健康和谐发展。
4.2 加大频谱资源的开发力度
频谱资源对于5G无线通信网络的良好运行有着核心的支撑作用，能够为信号的稳定传输提供更多的支持。然而，在实际的应用过程中，往往存在着频谱资源不充足，进而影响用户实际的5G通信体验的情况，不仅会给通信行业带来无形的压力和额外的负担，还会导致用户降低对通信服务的满意度和信任度。因此，为提高5G无线通信的实际效果，需要加大对频谱资源的开发力度，通过结合实际情况，合理开发低频段的频谱资源，并对高频段的复杂频谱资源做好准确判断，做好拓宽高频段的频谱资源工作，从而为用户提供更加丰富的选择，进一步提高他们的满意度和信任度。
4.3 注重基础设施的更新与维护
由于在5G无线通信网络物理层关键技术的运用期间，会长期使用大量的基础设施，而基础设施通常具有更新速度较快和易损耗的特点，因此要加强关键技术，就必须注重对基础设施的更新和维护工作。在具体的基础设施更新和维护工作中，要做好对需要的基础设施的记录工作，从而掌握好设备的型号、功能、大小和数量等重要信息，从而为日后的设施更新和设施维护提供完整的参考依据[6]。同时，对于基础设施在工作中出现的设备老化问题和设备故障问题，在进行上报后，要做好相应的更新工作和维护工作，从而降低突发性风险，减少事故发生的概率，从整体上提升基础设施的安全性和有效性。
5 结束语
综上所述，5G无线通信网络物理层关键技术对于5G无线通信网络的发展起到了十分重要的作用。要进一步强化5G无线通信网络物理层的关键技术，提高5G无线通信的实际应用效果，还需要做好提升物理层关键技术的安全等级、加大频谱资源的开发力度和注重基础设施的更新与维护等工作，从而进一步创造出良好的通信网络环境，为通信事业的长远发展提供持续不断的活力。
参考文献：
[1] 莫运通.5G无线通信网络物理层关键技术研究[J].科W与信息化，2020（5）：1.
[2] 高宏亮，李长鹤.5G无线通信网络物理层关键技术[J].电子技术与软件工程，2020（13）：31-32.
[3] 乔柳源.5G无线通信网络物理层关键技术[J].中国战略新兴产业，2020（10）：144.
[4] 王莉，田燕军，王h.解析5G无线通信网络物理层关键技术[J].通讯世界，2020，27（7）：8-9.
[5] 刘礼中，黄金峰，刘彦涵，等.关于5G无线通信网络物理层关键技术研究[J].中国宽带，2020（5）：51.
[6] 陶爱平.解析5G无线通信网络物理层关键技术[J].移动信息，2020（6）：42-43，53.
【通联编辑：张薇】
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