5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)物理層技術(shù)

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摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)設(shè)備的普及，無(wú)線系統(tǒng)的技術(shù)和需求不斷增多。5g時(shí)代，不僅要提高網(wǎng)絡(luò)通信的容量，而且要提高網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的安全性和高效性，5G相對(duì)4G來(lái)說(shuō)，傳輸速度可達(dá)4G的百倍之多，且安全性更高。5G通信系統(tǒng)，預(yù)計(jì)在2020年大規(guī)模推廣和使用?；谑覂?nèi)和室外景象分離，詳細(xì)介紹了5G的技術(shù)應(yīng)用，特別是大規(guī)模的MIMO。新技術(shù)在使用和推廣上，必定會(huì)遇到新的挑戰(zhàn)，比如新通信基站的建立、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和可見(jiàn)光通信技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：5G；通信技術(shù)；物理層；關(guān)鍵技術(shù)

0引言

5G通信網(wǎng)絡(luò)的物理層主要由大規(guī)模的MIMO技術(shù)和毫米波通信技術(shù)作為技術(shù)支撐。5G主要利用高頻段進(jìn)行通信，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量的網(wǎng)絡(luò)通信，為用戶提供高效、穩(wěn)定、安全和實(shí)時(shí)的無(wú)線通信方式。網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中，5G具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)橛脩籼峁└鼉?yōu)質(zhì)的服務(wù)。每一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的革新，都需要一些關(guān)鍵技術(shù)提供支撐。

15G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

5G是第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱。按照理論峰值，其傳輸速度可達(dá)10GB/s，比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快數(shù)百倍[1]。換言之，一部大小為1G的電影可在8s內(nèi)下載完成。5G的主要目標(biāo)是讓終端用戶始終處于一個(gè)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，所支持的設(shè)備不止手機(jī)，還有其他智能產(chǎn)品。

25G通信網(wǎng)絡(luò)的蜂窩結(jié)構(gòu)

蜂窩結(jié)構(gòu)是解決上述挑戰(zhàn)并滿足5G系統(tǒng)需求的一個(gè)調(diào)整點(diǎn)。由于戶外利用時(shí)間僅占總利用時(shí)間的20%左右，因此小區(qū)建筑物對(duì)網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)的影響較為突出。建筑物的墻體結(jié)構(gòu)使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)穿過(guò)墻體造成較大損耗，同時(shí)，降低了數(shù)據(jù)的傳輸速率和頻譜速率，大大降低了無(wú)線傳輸?shù)哪芰縖2]。5G蜂窩結(jié)構(gòu)就是為解決這一問(wèn)題而專門設(shè)計(jì)。為了充分利用傳輸能量，基站上的天線陣列需要DAS系統(tǒng)和MIMO技術(shù)共同輔助完成。當(dāng)前的MIMO技術(shù)主要利用2～4根天線，大規(guī)模的MIMO技術(shù)系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)增加天線數(shù)量，以增加容量。室外基站配備大量分布在小區(qū)的大型天線陣列，通過(guò)光纖鏈接到BS，這受益于DAS和大規(guī)模MIMO技術(shù)。盡管現(xiàn)實(shí)生活中各種條件的限制，室外移動(dòng)用戶的天線原件不能最大化使用，但最大化虛擬大型天線陣列與BS系統(tǒng)相結(jié)合，可形成強(qiáng)大的MIMO線路。因此，在建筑物外面安裝室外基站或者分布式的天線陣列很有必要，如果長(zhǎng)期運(yùn)行，將快速提升小區(qū)的吞吐量和頻譜效率。但是，要考慮到一點(diǎn)，即基站建設(shè)增加了很大成本。

35G物理層的關(guān)鍵技術(shù)

3.1雙公開(kāi)技術(shù)

通常意義上的雙公開(kāi)技術(shù)指信息能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)傳輸和同頻率傳輸?，F(xiàn)有的通信系統(tǒng)在信息傳輸過(guò)程中會(huì)受到信號(hào)干擾，而全公開(kāi)技術(shù)能有效提高頻率的利用率，實(shí)現(xiàn)多頻率的信息傳輸，克服了一個(gè)通信系統(tǒng)不能同頻率和雙向傳輸?shù)募夹g(shù)難題。這是當(dāng)下人們熱衷于研究雙公開(kāi)技術(shù)的原因。對(duì)5G通信系統(tǒng)而言，應(yīng)用雙公開(kāi)技術(shù)能夠有效利用無(wú)線頻譜資源。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)抵消干擾信號(hào)的模擬端，抵消已知干擾端數(shù)字信號(hào)的干擾，解決傳輸過(guò)程中系統(tǒng)的干擾問(wèn)題。

3.2綠色通信技術(shù)

綠色通信技術(shù)主要用于降低信息傳輸過(guò)程中的能量消耗[3-4]。從現(xiàn)有技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，這是目前無(wú)線通信業(yè)發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。雖說(shuō)目前無(wú)線通信所消耗的能源僅占所有產(chǎn)業(yè)總能耗的3%，但是這個(gè)數(shù)值每年以15%～20%的速度增長(zhǎng)。4G通信方式的普及已使通信技術(shù)的能耗大幅度增加，一旦5G通信系統(tǒng)普及，將面臨更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，研究綠色通信技術(shù)有非常重要的意義。目前，針對(duì)這方面的研究主要以提高能源的利用效率為目的，但降低了通信系統(tǒng)的頻譜效率。如何根據(jù)實(shí)際情況權(quán)衡兩者，成為當(dāng)前必須面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。

3.3毫米波高頻段通信技術(shù)

毫米波高頻段通信技術(shù)是解決頻譜資源稀缺的有效方法。所謂“毫米波”指波長(zhǎng)在1～10mm的電磁波。當(dāng)下無(wú)線通信系統(tǒng)中，毫米波的優(yōu)點(diǎn)正逐漸被人們重視。要想應(yīng)用毫米波高頻段通信技術(shù)，需要考慮電磁波在大氣中的傳播特性。毫米波的缺點(diǎn)是在大氣中的散失較為嚴(yán)重，只適用于短波通信[5]。5G通信系統(tǒng)要想發(fā)展此技術(shù)，必須克服毫米波高頻段通信技術(shù)的這一缺點(diǎn)。毫米波與微波通信的區(qū)別主要在傳輸信道模型及多徑數(shù)目等方面?，F(xiàn)有微波頻段的MIMO通信系統(tǒng)不適合毫米波通信系統(tǒng)。為了克服這一缺點(diǎn)，有關(guān)研究人員提出了“混合波束成形”的理念，主要是結(jié)合數(shù)字域波束成形和模擬域波束成形的概念，已成為5G通信系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。要想真正推進(jìn)5G通信系統(tǒng)的應(yīng)用，需要研究這部分技術(shù)。

3.4大規(guī)模MIMO技術(shù)

經(jīng)過(guò)近幾年的實(shí)踐，目前多種無(wú)線通信系統(tǒng)中已普遍采用多天線技術(shù)。通過(guò)3G系統(tǒng)及WLAN等通信系統(tǒng)實(shí)際檢驗(yàn)可知，多天線技術(shù)能夠有效提高通信系統(tǒng)的頻譜效率。其中，MIMO信道數(shù)量的增加與收發(fā)信號(hào)所用的天線數(shù)量呈現(xiàn)近似相關(guān)的關(guān)系[6-7]。因此，研究5G通信系統(tǒng)時(shí)一般會(huì)設(shè)置多種數(shù)量的天線。但是，就單個(gè)系統(tǒng)而言，如果天線數(shù)量增多，肯定會(huì)整個(gè)系統(tǒng)空間被壓縮，那么無(wú)法保證基礎(chǔ)性功能。雖說(shuō)如此，大規(guī)模MIMO技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還是顯而易見(jiàn)。首先，大規(guī)模MIMO技術(shù)有更強(qiáng)的分辨率，能夠深入挖掘空間維度資源，保證多個(gè)用戶在同一頻率內(nèi)的通信暢通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小規(guī)模數(shù)量基站下的高頻譜信息傳輸。其次，大規(guī)模MIMO與其他基站平臺(tái)相比抗干擾能力更強(qiáng)，能夠適應(yīng)一些極端環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)5G通信系統(tǒng)而言，攻克了這部分技術(shù)的內(nèi)容，代表通信系統(tǒng)能夠負(fù)擔(dān)短時(shí)間內(nèi)的大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸。但是，目前我國(guó)對(duì)這部分內(nèi)容的研究?jī)H停留在信道模、容量和傳輸技術(shù)方面，且都是理論數(shù)據(jù)階段的研究，沒(méi)有正式通過(guò)模型進(jìn)行論證，傳輸方案都是選擇TTD系統(tǒng)。如何挖掘當(dāng)下國(guó)內(nèi)大規(guī)模MIMO中的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合國(guó)內(nèi)無(wú)線通信行業(yè)的實(shí)際需要研究信道模型，是擺在人們面前的至關(guān)重要的問(wèn)題。

4結(jié)語(yǔ)

無(wú)線通信技術(shù)改變了人們的生活方式，給人們的生活帶來(lái)了很大便利。第五代通信技術(shù)的革新給各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了動(dòng)力和條件，將給生活帶來(lái)全面改變。本文介紹了5G的重要技術(shù)，闡述了毫米波技術(shù)和大規(guī)模MIMO技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)點(diǎn)。目前，5G通信研究中，華為公司已和很多國(guó)家、地區(qū)取得合作，相信不久的未來(lái)，中國(guó)的5G通信技術(shù)將會(huì)徹底改變整個(gè)通信領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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作者：陸海濤 單位：中國(guó)鐵塔股份有限公司荊州市分公司