5G 通信系统中高频段信号传输损耗补偿技术研究

引言

5G 通信系统在推动社会信息化进程和促进产业升级中发挥着不可替代的作用，其在峰值速率、用户体验速率、时延与连接密度等方面的性能指标均远超以往移动通信系统。为了满足海量数据传输和低时延业务需求，5G 在频谱利用上引入了高频段尤其是毫米波频段，这些频段具有带宽资源丰富、数据承载能力强的优势，能够为增强型移动宽带和超高密度用户接入提供支撑。然而，与传统低频段信号相比，高频段信号在自由空间传播中面临更为严重的传输损耗问题。其主要表现为路径损耗随频率增加而迅速增大，传播距离明显缩短，同时在穿透墙体、植被以及雨雾等环境中会遭遇更高的衰减。此外，高频信号具有传播方向性强、多径效应显著等特征，对传播环境的敏感性更高，导致信号覆盖稳定性和系统可靠性受到严重挑战。因此，如何在 5G 高频段传输中有效应对损耗问题，探索并应用先进的补偿技术，是确保5G 高质量通信的重要课题。

一、5G 高频段信号传输损耗的机理分析

高频段信号传输损耗的根本原因在于电磁波频率提升后其传播特性发生显著变化。首先是路径损耗，依据自由空间传播模型，电磁波在传播过程中其功率损耗与频率成正比关系，高频信号在相同传播距离下损耗更大，因此有效覆盖半径显著减小。其次是穿透损耗，高频信号在遇到墙体、玻璃、混凝土等建筑材料时，穿透能力远不及低频信号，导致室内覆盖困难。此外，大气吸收与雨衰效应对毫米波信号影响尤为突出，雨滴和水汽的存在会造成严重散射与吸收，特别是在 28GHz、39GHz 等常用频段下表现显著。再者，高频段信号的衍射能力较弱，在存在障碍物时难以绕射传播，造成信号阴影区增多。除此之外，多径效应在高频传输中更加复杂，由于波长短，反射和散射现象频繁，导致信号波动增强。上述因素综合作用，使得高频段信号在 5G 通信应用中必须依赖一系列补偿技术来弥补损耗，确保系统性能。

二、波束赋形与大规模天线阵列的损耗补偿作用

波束赋形是应对高频段信号损耗的重要手段，通过利用相控阵技术或大规模 MIMO 技术，将天线阵列产生的辐射方向性增强，从而在特定方向集中能量，提升接收端信号强度。5G 毫米波系统中普遍采用大规模天线阵列，利用波束赋形技术能够在保证高速率的同时有效扩展覆盖范围。其基本原理在于通过控制阵列中各单元的幅度和相位，实现对波束方向的灵活调节，从而增强主瓣能量、抑制旁瓣干扰。波束跟踪技术进一步提升了动态环境下的可靠性，能够根据用户位置实时调整波束方向，保证信号链路稳定。与传统低频段全向辐射相比，高频段波束赋形使得能量集中，提高链路预算，显著降低自由空间损耗。同时，大规模 MIMO 技术通过多流并行传输提升系统容量，既能补偿损耗，又能实现多用户同时接入。

三、智能反射表面与新型射频器件的优化补偿

智能反射表面作为近年来兴起的一种新型技术，能够在建筑外墙、室内环境中布置大面积可控反射单元，通过调整相位与幅度实现对入射电磁波的重构，从而改善传播环境、降低损耗。该技术能够在信号阴影区提供辅助覆盖，提升链路可靠性，是弥补高频段穿透能力不足的重要手段。同时，低损耗射频器件的应用也是高频段补偿的重要方向，包括高线性度功率放大器、低噪声放大器以及高效滤波器等。这些器件通过提升发射与接收端硬件性能，降低系统内部损耗，从而有效改善整体链路质量。特别是在毫米波频段下，器件工艺的优化与新型材料的应用，如氮化镓 (GaN)、砷化镓 (GaAs) 等，能够显著提高功率输出与能量效率，为补偿技术提供硬件保障。

四、信道编码与自适应调制的传输增强作用

在高频段信号传输中，采用先进的信道编码与自适应调制技术是改善误码率与传输可靠性的重要手段。5G 系统广泛应用低密度奇偶校验码（LDPC）与极化码（Polar Code），通过冗余信息添加与错误纠正能力增强，有效抵御信号衰落与干扰，提升链路稳定性。自适应调制技术则根据信道质量动态调整调制方式与编码速率，在信号质量良好时采用高阶调制以提升速率，在信道衰落严重时则降低调制阶数以保证可靠性。这种灵活调度机制在高频段环境下尤为必要，能够在复杂多变的信道条件中保持传输的高效与稳定。通过软硬件协同优化，信道编码与自适应调制不仅在物理层实现了损耗补偿，还在系统层面保障了整体服务质量。

五、跨层协同与智能化补偿技术的发展

未来5G 及6G 发展趋势强调跨层协同优化与智能化补偿策略，即在物理层、链路层和网络层之间建立协同机制，利用人工智能、大数据分析和机器学习算法实现动态资源分配与自适应补偿。通过实时感知信道状态与用户需求，智能算法能够对波束赋形、调制方式、功率控制等参数进行综合优化，从而实现高效能量利用与最优传输性能。此外，跨层协同还包括网络规划与部署优化，如利用超密集小基站部署、卫星通信与地面网络融合、异构网络协同覆盖等方式，弥补高频段信号覆盖不足的问题。智能反射表面与 AI 算法的结合，将实现对传播环境的实时重构，提供更加灵活的补偿能力。可以预见，未来高频段损耗补偿技术的发展不仅依赖于单一技术的突破，更需要多学科、多层级的融合创

新。

结论

本文系统研究了 5G 通信系统中高频段信号传输损耗补偿技术，指出高频段信号因路径损耗、穿透能力不足、大气吸收及多径效应而面临严重挑战。针对这些问题，文章从波束赋形与大规模 MIMO、智能反射表面与新型射频器件、信道编码与自适应调制、跨层协同与智能化补偿等方面进行了深入探讨。研究表明，多种技术手段的协同应用能够有效改善高频段传输质量，保障 5G 网络的覆盖与可靠性，并在一定程度上提升系统容量与用户体验。与此同时，针对不同场景的差异化需求，灵活采用组合补偿策略也是提高性能的重要方向。未来，补偿技术将朝着智能化、低功耗、跨层融合与多维优化方向发展，人工智能、大数据与新型材料的引入将推动高频段通信性能的进一步提升，并为 6G 通信系统的高可靠性与超大容量提供更加坚实的技术基础。

参考文献

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作者姓名  ：倪振晓 职称和专业（教学）方向  ：电子信息