面向5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

顏麗娟 王軍 徐鵬

【摘要】 ? ?如今，互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)在我國(guó)得到了快速發(fā)展，推動(dòng)了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，促進(jìn)傳統(tǒng)宏基站模式向多元化異構(gòu)模式的轉(zhuǎn)變，以實(shí)現(xiàn)各種通信資源的有效融合。然而，在5G通信系統(tǒng)發(fā)展階段，由于通信數(shù)據(jù)流量不斷增加，進(jìn)而對(duì)信號(hào)抗干擾性能的要求越來(lái)越高，而4G通信技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足其要求，這樣一來(lái)面向5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)就得到了快速發(fā)展，本文將會(huì)對(duì)5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的概念和種類(lèi)進(jìn)行介紹，重點(diǎn)講解了關(guān)鍵技術(shù)，以期更好的推動(dòng)5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 ? ?5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù) ? ?類(lèi)型 ? ?關(guān)鍵技術(shù)

引言：

近些年來(lái)，移動(dòng)通信技術(shù)在我國(guó)發(fā)生了很大的改變，在各個(gè)領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。如今，隨著各移動(dòng)終端設(shè)備的廣泛發(fā)展和普及，大大提高了多媒體數(shù)據(jù)的傳輸量，為了更好的滿(mǎn)足未來(lái)發(fā)展要求，則需要在控制運(yùn)行成本的同時(shí)，加大對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)的更新與升級(jí)。面向5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的問(wèn)世，極大的滿(mǎn)足了新時(shí)代發(fā)展需求，推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

一、5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)概述

1.1 5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)內(nèi)涵

這里所提及到的5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)一般是指第五代移動(dòng)通信技術(shù)，目前對(duì)其定義還不夠明確，其主要是4G通信的延伸，而且網(wǎng)速將達(dá)到10Gb/s，是4G網(wǎng)速的幾百倍。雖然5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)得到了各國(guó)的高度重視，然而普及率還比較低，且對(duì)其安全問(wèn)題要給予重點(diǎn)研究。

1.2無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類(lèi)型

1.自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中比較常見(jiàn)的一類(lèi)技術(shù)，早在3G時(shí)代自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的概念就被提出，然而發(fā)展到5G時(shí)代時(shí)，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍然是比較關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)?；?G時(shí)代背景下，網(wǎng)絡(luò)致密化增加了網(wǎng)絡(luò)管理的難度，而借助自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠降低網(wǎng)絡(luò)致密化帶來(lái)的干擾，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)管理效率。同時(shí)，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以?xún)?yōu)化和調(diào)整現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)人工部署，在減少資源浪費(fèi)的基礎(chǔ)上，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。

2.軟件定義無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。軟件定義無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中最先提及到的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)種類(lèi)，是從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層中將控制功能剝離出來(lái)，在通過(guò)中心控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件的統(tǒng)一控制，該控制器既能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行感知，而且在計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑方面發(fā)揮著不可替代的作用。實(shí)際上，軟件定義無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過(guò)南向API（比如OpenFLow）來(lái)實(shí)現(xiàn)與控制器和交換機(jī)的有效連接，通過(guò)北向API來(lái)實(shí)現(xiàn)與控制器和應(yīng)用程序的連接。

3.網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。借助IT虛擬化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能軟件化的目的，并借助通用硬件設(shè)備來(lái)取代傳統(tǒng)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化一般是借助虛擬機(jī)的形式來(lái)將網(wǎng)絡(luò)功能運(yùn)行于白盒或通用硬件設(shè)備之上，以期實(shí)現(xiàn)配置可擴(kuò)展性、靈活性和移動(dòng)性的作用，進(jìn)而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò) CAPEX和OPEX的目的。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比較多，具體如下：交換機(jī)（比如Open vSwitch）、歸屬位置寄存器（HLR）、路由器、GGSN、CGSN、SGSN、RNC（無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制器）、PGW（分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)）、SGw（服務(wù)網(wǎng)關(guān)）、BRAS（寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器）、RGw（接入網(wǎng)關(guān)）、DPI（深度包檢測(cè)）、cGNAT（運(yùn)營(yíng)商級(jí)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換器）、MME（移動(dòng)管理實(shí)體） 、PE路由器等。

二、5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1綠色通信技術(shù)

由于5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)自身具有比較強(qiáng)的信息同步和信息溝通能力，因此得到了各個(gè)國(guó)家的高度重視，并加大對(duì)該技術(shù)的研發(fā)。在傳統(tǒng)4G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，綠色通信技術(shù)就開(kāi)始被提及，然而，因?yàn)榧夹g(shù)水平不夠成熟，并未得到有效的應(yīng)用。如今，隨著5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的問(wèn)世和發(fā)展，使得綠色通信技術(shù)再次被提及和應(yīng)用，其可以將5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)高能耗問(wèn)題得到有效解決。為了使綠色通信技術(shù)得到進(jìn)一步優(yōu)化和完善，信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)研發(fā)人員需要加大對(duì)5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的了解和掌握，明確能源消耗和頻譜效率間的聯(lián)系，并全面優(yōu)化和完善各種通信資源。同時(shí)還需要從資源消耗和使用效率這兩個(gè)領(lǐng)域來(lái)對(duì)綠色通信技術(shù)的通信能力進(jìn)行深入挖掘，在滿(mǎn)足能源節(jié)約的同時(shí)，來(lái)大大提高5G無(wú)線(xiàn)通信效率和質(zhì)量。如今，隨著我國(guó)通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)必將發(fā)展成為科技領(lǐng)域的中堅(jiān)力量，進(jìn)而全面實(shí)現(xiàn)信息同步和信息溝通效果。作為5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)人員，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)給予準(zhǔn)確了解和掌握，這樣既可以確保5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行，而且還可以達(dá)到綠色通信的目標(biāo)，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展。

2.2空口技術(shù)

空口技術(shù)在我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展中扮演著不可替代的角色，其中CDMA是3G通信網(wǎng)絡(luò)中比較常用的空口技術(shù)，OFDM是4G通信網(wǎng)絡(luò)中比較常用的空口技術(shù)，然而在5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的安全性與靈活性提出了較高要求，這樣就需要為其配備一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)、高規(guī)格、高水平的空口技術(shù)，其既可以使用1G/s帶寬，從而有效提高網(wǎng)絡(luò)下載速度，而且還需要配備物聯(lián)網(wǎng)傳感器，以期構(gòu)建完善的通信網(wǎng)絡(luò)體系。下面將會(huì)對(duì)5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的兩種空口技術(shù)給予介紹。

1.新波形F-OFDM（Filtered OFDM）技術(shù) 。已有的4G的OFDM已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足5G時(shí)代的發(fā)展要求，雖然OFDM可以通過(guò)串/并轉(zhuǎn)換調(diào)制將高速率數(shù)據(jù)傳輸至相互正交的子載波上去，并按照要求引入相應(yīng)的循環(huán)前綴，使碼間串?dāng)_問(wèn)題得到有效解決，然而缺乏靈活性還是OFDM最突出的問(wèn)題。目前，F(xiàn)-OFDM不僅可以為不同業(yè)務(wù)提供與之相匹配的Numerology和子載波間隔，以期更好的滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)所需要的時(shí)頻資源，而且F-OFDM還可以通過(guò)對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)有效降低帶外泄露問(wèn)題發(fā)生率，且能夠?qū)⒉煌訋чg的保護(hù)帶開(kāi)銷(xiāo)控制在1%左右，在提高頻譜利用率的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碎片化頻譜的有效利用。

2.新多址技術(shù)SCMA（Sparse Code Multiple Access） 技術(shù) 。在5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，新多址技術(shù)將會(huì)對(duì)空口資源的分配方式起到?jīng)Q定性作用，其能夠使連接數(shù)和頻譜效率大大提高。SCMA在5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用主要是由低密度擴(kuò)頻和高維調(diào)制兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)所決定，其中低密度擴(kuò)頻技術(shù)能夠?qū)蝹€(gè)子載波的用戶(hù)數(shù)據(jù)按照一定的方式擴(kuò)頻到4個(gè)子載波上，可供6個(gè)用戶(hù)共享。之所以叫低密度擴(kuò)頻，主要還是由于用戶(hù)數(shù)據(jù)只占用了其中2個(gè)子載波，這就使得另外2個(gè)子載波是空的，既SCMA中Sparse（稀疏）的來(lái)由。高維調(diào)制技術(shù)中主要是對(duì)相位和幅度進(jìn)行調(diào)制，這樣不僅可以使多用戶(hù)星座點(diǎn)間的歐氏距離被拉的更遠(yuǎn)，而且還可以提高多用戶(hù)解調(diào)和抗干擾性能。實(shí)際上，每個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)都能夠借助系統(tǒng)分配的稀疏碼本來(lái)達(dá)到高維調(diào)制的目的，加之系統(tǒng)又掌握了每個(gè)用戶(hù)的碼本，這樣一來(lái)在不正交的同時(shí)，就可以將不同用戶(hù)最終解調(diào)出來(lái)。

2.3異構(gòu)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

基于5G無(wú)線(xiàn)通信背景下，一般會(huì)產(chǎn)生多樣性的互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，并使其所覆蓋的區(qū)域得到有效拓寬。在異構(gòu)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)構(gòu)建過(guò)程中，要做好以下兩個(gè)方面的工作：1.小區(qū)部署。其通常是指在城市的每個(gè)小區(qū)中按照要求布置高質(zhì)量的小基站，這樣既可以形成一個(gè)健全、完整的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而且還可以全面提高數(shù)據(jù)信息的容量和互聯(lián)網(wǎng)體系的傳輸速度;2.D2D通信。其主要負(fù)責(zé)滿(mǎn)足部分區(qū)域的數(shù)據(jù)實(shí)際需要，并確保相鄰設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息交換，從而使5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的傳輸效率與質(zhì)量大大提升。在5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，D2D的應(yīng)用場(chǎng)景如下：1.應(yīng)急通信。在5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)運(yùn)行階段，如果通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)問(wèn)題，終端之間可以借助D2D連接來(lái)構(gòu)建無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而在終端之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信，保證后續(xù)災(zāi)難救援工作的順利進(jìn)行;2.社交應(yīng)用。借助D2D的發(fā)現(xiàn)功能可以使用戶(hù)挖掘鄰近區(qū)域相對(duì)比較感興趣的用戶(hù)，同時(shí)還可以在鄰近用戶(hù)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效傳輸，如互動(dòng)游戲、內(nèi)容分享等;3.物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)。基于海量終端場(chǎng)景下，對(duì)于一些低成本終端并非與基站直接接入，而是以D2D的方式來(lái)與鄰近的特殊終端進(jìn)行連接，這樣一來(lái)既可以借助該特殊終端來(lái)實(shí)現(xiàn)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的有效連接。

2.4云計(jì)算技術(shù)

近些年來(lái)，在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)具有“大連接”、“大帶寬”、“低延時(shí)”的特征，涌現(xiàn)出了大量的新型數(shù)字化業(yè)務(wù)，且逐步實(shí)現(xiàn)了生活數(shù)字化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，讓數(shù)據(jù)和連接無(wú)處不在。目前，5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)開(kāi)始與云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行結(jié)合組成了智能化基礎(chǔ)設(shè)施，為推動(dòng)智慧社會(huì)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。在新型信息基礎(chǔ)設(shè)施中，云已經(jīng)成為其中比較關(guān)鍵的組成部分，并且為政企提供了多元化的數(shù)字化服務(wù)。在5G時(shí)代背景下，云計(jì)算技術(shù)也得到了快速發(fā)展，具體表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面：（1）在各路云服務(wù)商中，邊緣計(jì)算成為新的競(jìng)爭(zhēng)亮點(diǎn)，在一定程度上推動(dòng)了5G時(shí)代云業(yè)務(wù)的發(fā)展，且具有比較大的發(fā)展?jié)摿?。通常情況下，云服務(wù)的頭部公司主要是借助云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來(lái)把云技術(shù)按照一定的方式下沉到邊緣側(cè)，以達(dá)到強(qiáng)化邊緣側(cè)人工智能的目的。同時(shí)，工業(yè)企業(yè)還可以借助豐富的工業(yè)場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行邊緣計(jì)算，以此來(lái)提高現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制力，并未下一代智能化基礎(chǔ)設(shè)施布局奠定了良好基礎(chǔ);（2）云網(wǎng)融合的有效協(xié)同。如今，電信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始拓展和豐富云業(yè)務(wù)類(lèi)型，同時(shí)一些頭部的云服務(wù)企業(yè)也開(kāi)始擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)投資建設(shè)規(guī)模，并通過(guò)云網(wǎng)融合的方式來(lái)為廣大客戶(hù)提供更好的云使用體驗(yàn)。如今，隨著以“上云專(zhuān)線(xiàn)”、“云間互聯(lián)”為核心的云網(wǎng)融合產(chǎn)品不斷發(fā)展和成熟，云網(wǎng)融合開(kāi)始從簡(jiǎn)單互聯(lián)開(kāi)始過(guò)渡到“云+網(wǎng)+業(yè)務(wù)”模式。實(shí)際上，云與企業(yè)應(yīng)用相融合，還可以拓展云網(wǎng)融合產(chǎn)品的行業(yè)屬性，并為用戶(hù)提供更好的使用體驗(yàn)。此外，云與ICT服務(wù)融合，還可以確?；A(chǔ)性服務(wù)能力與云網(wǎng)融合產(chǎn)品結(jié)合更緊密，以期更好的滿(mǎn)足用戶(hù)的彈性需求。

2.5毫米波高頻段通信技術(shù)

基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)代背景下，頻譜資源變得越發(fā)稀缺，此時(shí)可以借助毫米波高頻段通信技術(shù)給予有效解決。毫米波一般是指波長(zhǎng)范圍在1-10mm間的電磁波，其在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。在應(yīng)用毫米波時(shí)，要對(duì)毫米波散失現(xiàn)象給予重點(diǎn)考慮，并采取有效措施給予預(yù)防和解決，以此來(lái)提高5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的運(yùn)行效率。毫米波與微波通信具有比較大的差異，尤其是在多徑數(shù)目和傳輸信道模型方面，正是由于這些問(wèn)題的存在，從而導(dǎo)致現(xiàn)有的MIMO 通信系統(tǒng)不能在毫米波通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。為了使上述問(wèn)題得到有效解決，毫米波高頻段通信技術(shù)概念被提出，其主要引入了模擬域波束成形和數(shù)字域波束成形的概念，并成為5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。

2.6大規(guī)模MIMO技術(shù)

通常情況下，大規(guī)模MIMO技術(shù)一般是指在基站端設(shè)置階段，所設(shè)置的線(xiàn)與線(xiàn)陣列比現(xiàn)有天線(xiàn)數(shù)更大，而且能夠?yàn)槎鄠€(gè)用戶(hù)同時(shí)提供良好的服務(wù)。在現(xiàn)實(shí)生活中，人們普遍認(rèn)為數(shù)百根天線(xiàn)的服務(wù)用戶(hù)數(shù)量?jī)H在天線(xiàn)總數(shù)量中占比10%，且在實(shí)際服務(wù)過(guò)程中，主要在分散的區(qū)域內(nèi)開(kāi)展工作，或根據(jù)實(shí)際情況，來(lái)給予集中配置，以此來(lái)更好的滿(mǎn)足實(shí)際發(fā)展需求。大規(guī)模MIMO技術(shù)具有多方面的優(yōu)勢(shì)，以此在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，通過(guò)大規(guī)模設(shè)置，能夠確保系統(tǒng)獲取大量的物理特性，但是以往的常規(guī)方法不具備該物理特性?xún)?yōu)勢(shì)，進(jìn)而無(wú)法達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用效果。在5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，大規(guī)模MIMO技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)如下：1.受5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)發(fā)展的影響，使天線(xiàn)數(shù)量與日俱增，并使現(xiàn)有的通信渠道具備正交特征，使不同用戶(hù)間的干擾現(xiàn)象得到徹底消除，以期更好的滿(mǎn)足實(shí)際發(fā)展需求，并不斷提高5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量;2.隨著天線(xiàn)數(shù)量的增多，將會(huì)使實(shí)際的信道與熱噪聲均勻化，并借助大規(guī)模MIMO技術(shù)從源頭上來(lái)避免用戶(hù)深入衰落，并調(diào)整和優(yōu)化原本的調(diào)度方針，縮短延遲等待時(shí)間;3.實(shí)現(xiàn)波束能量的快速對(duì)焦和聚集，這樣既能夠提升其實(shí)際分辨率，而且通過(guò)啟用更大量的天線(xiàn)來(lái)達(dá)到降低能耗，提升陣列增益的目的。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，極大的推動(dòng)了我國(guó)5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展，而且在世界上占據(jù)著領(lǐng)先的地位。作為通信技術(shù)人員，要對(duì)5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)給予全方位了解和掌握，并結(jié)合實(shí)際情況來(lái)對(duì)綠色通信技術(shù)、空口技術(shù)、異構(gòu)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、毫米波高頻段通信技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)進(jìn)行選擇，以此來(lái)提高5G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

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