摘要：文章主要从5G无线网络概述出发，重点阐述了5G 物理层关键技术，旨在与广大同行共同探讨学习。
关键词：5G；无线通信；物理层；关键技术
一、5G无线网络概述
5G无线网络是一种蜂窝结构，一般无线用户大多数时间在室内使用，而室外的利用时间一般仅仅占据了1/5的时间，所以小区的结构会对室外的基站造成一定的影响，由于建筑物墙体结构对无线网络信号产生损耗，降低其数据的传输率与频谱效率，则5G无线网络就能够有效的解决此问题。5G无线网络构建能够具有超高的速率和可靠性，同时延时指标也十分低，从而能够提供用户最佳的用网体验。5G无线网络部署具有着诸多的特性，其网络架构比较灵活，还有多种接口支持不同的面向业务接入，同时其在链路的性能上，也能借助多跳方式完成网络的覆盖以及基站Mac层与用户之间的直通，另外，其网络还能够按照环境与业务的需求进行组织和配置，从而实现网络的最优化和智能化。5G无线网络实现了多种网络的融合，涉及传统的蜂窝网络和WiFi网络等，同时还对匹配大规模的多天线的无线网络传感器进行了增加，比如，可见光的通信网络和设备的直连通信，这些网络都能够通过统一核心网络管控，将各网络进行直接的信息交互，并实现了多场景通信管理和控制，如图1所示。
图1中的5G无线网络的架构主要分为转发平面、控制平面、以及接入平面等3方面，其中控制平面主要进行无线资源的集中控制与集中调度；接入平面主要是进行多种无线的设备与基站间快速灵活的接入；转发平面主要是通过分布式的网关与控制平面统一的控制下进行数据的转发。
图1 5G无线网络架构
二、5G 物理层关键技术
每一次关键技术的兴起，都将带动相关行业的快速发展。在通信领域中，5G 的发展需要物理层关键技术毫米波通信技术和大规模技术的支撑。
1.通信技术的发展离不开对频谱资源的利用，目前对频谱资源的利用主要集中在300MHz到3GHz的频段，对毫米波的利用非常有限，毫米波中包含大量的频谱资源。对毫米波中的频段资源进行利用也是5G无线通信技术的重要内容。其中，对毫米波的研究内容主要包括：路径损耗、建筑物穿透损耗以及雨衰等。
（1）雨衰
对传播特性的研究也是毫米波研究的重要内容，其中雨衰作为一个重要因素不得不提。雨衰能够对无线系统的传播路径长度进行影响，进而使信号的可靠性下降，这样就会对高频段的微波链路造成一定的限制。随着雨量的增大，对毫米波系统的干扰效果会越来越明显。其中雨滴的作用还会使信号发生散射，使信号的质量严重下降。
（2）路径损耗
发射功率的敷设扩散以及信道对传输的影响作用是导致路径损耗的主要原因。这也是无线通信技术中不可避免的问题，遇到干扰、噪声以及其他信号的影响都会造成一定程度的损耗情况，除此之外，信号的自身情况也会造成一定的损耗。研究表明，频率越高，损耗越严重，这就意味着相对于其他波段，毫米波的损耗情况更严重，这也是毫米波研究过程中的一个困难。在实际中，在高频段通过使用大规模的接受发射天线，可以对能量进行一定的聚集，获得较好的增益情况，进而改善毫米波损耗过大的情况。
（3）建筑物穿透损耗
在对通信技术进行研究时，发现当信号通过建筑物时，会发生一定的损耗，并且这种损耗跟频率有关，通常低频段的信号可以在穿透建筑物时，保留较好的信号强度。毫米波在这方面的损耗要更大些。这就意味着使用毫米波进行信号传输时，很可能由于信号损耗过大导致失真，不过目前随着无线网络的不断普及，可以在室内的有效范围之内使用WIFI增加信号强度，保证信号质量。
2.大规模MIMO技术
大规模MIMO主要使用多天线的技术，这种大规模的天线阵列能够通过天线具有的空分特性，将相同时频的资源向若干用户同时服务，还能够增加频谱效率的有效性和传输可靠性，其空分特定有着高分辨率空间的自由度，多天线的技术波束在成型时能够将波束限制于很小范围中，所以能够起到降低干扰和降低发射功率的效果，由于多天线的技术具有很高空间的自由度，则其信道反应安全设计要点。特别是开源Android系统，其内部移动隐私信息更多，为恶意软件提供了天然的温床。据此，在未来无线通信技术安全研究过程中，就可以通过Fuzzing测试。结合Android平台特有logcat系统对恶意软件进行全方位、自动化监控。并通过模糊数据分析的方式，为移动智能系统提供恶意软件预警，保证无线通信系统安全运行。
应用程序安全主要包括安全漏洞挖掘、安全加固、敏感数据保护等模块。以漏洞挖掘为例，针对第三方应用程序，通过安全漏洞预先分析，可从主动攻击角度进行漏洞修复，从而进一步加强系统运行安全性。
数据安全主要研究方向为签名算法、密匙共享算法、密匙证书储存、加解密算法等。而支付安全主要发展方向为近场通信支付安全验证、平台安全、近场通信应用程序安全、SE安全元件等。以近场应用程序安全为例，在为了数据安全管理过程中，可在静态应用程序安全检测的基础上，通过二进制代码审核验证。利用代码逆向工程，对数据动态变化进行安全评估，避 免反编译限制导致的变量数据流失。移动操作系统安全发展要点为沙盒机制、权限检查机制、内核访问控制机制、数字签名机制等。以Android系统为例，在未来近场通信技术发展过程中，可在解决“你是谁”身份认证问题的基础上，通过口令认证+安全访问策略设计的方式，解决“你可以干什么”的问题，突破不同程序应用及进程隔离，保证多应用资源同步运行。
3.5G 应用场景
5G 无线通信网络与传统的网络不同，不仅要满足移动终端用户对语音、视频、图片等多项业务的需求，并且5G 网络系统有效增强了数据的业务范围、业务能力。
未来的世界是5G 网络系统的世界，是一个多网络的融合，构成了一个涉及人们交通、工作、休闲、居住等各个场景在内的、巨大的异构网络。
并且5G 异构网络将突破现有网络系统的信号传输质量和传输效率，尤其是在高密住宅区、办公室、体育场、露天集会、拥挤的交通、地铁、高速公路等特殊的场景下，5G 异构网络显示了巨大的优势。
与传统的网络系统相比，5G 无线通信网络技术在人们日常的生活、工作、休闲娱乐中得到了广泛的应用，并且具有显著的优势，集中表现在：一是增加了信道的带宽，充分利用了新兴的信息技术，如：毫米波通信技术、无线电认知技术等，获得了更多的频谱资源，提高了网络信息系统的容量；二是充分利用了大规模的 MIMO 信息技术、空间调制技术等，有效增加了信道的子信道数目；三是增加了传统网络的覆盖率，有效消除了信息传输过程中的干扰因素，提高了信息传输的速率和质量。
结语
综上所述，随着时代的发展，无线通信网络也需要根据时代发展的步伐不断进行改进，5G无线通信网络就是一种新型的网络通信研究类型，为了促进其能够更好的实现无线通信网络性能的提升，还需要相关人员不断对其技术进行研究，其未来也将对社会到来新的面貌。
参考文献：
[1]李辉.协作网络中物理层安全关键技术研究[J].网络安全技术与应用，2016（6）
[2]刘涛.5G 无线通信网络物理层关键技术[J].通讯世界，2017（20）
论文作者:张浩
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/26
标签：毫米波论文; 网络论文; 无线网络论文; 信号论文; 频谱论文; 系统论文; 天线论文; 《基层建设》2019年第11期论文;