面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術分析研究

摘要：我國自2019年開通5G無線通信服務以來，經(jīng)過兩年的發(fā)展，正式進入5G無線通信時代。5G無線通信服務實現(xiàn)主要依托于5G無線通信系統(tǒng)的構(gòu)建。在此系統(tǒng)構(gòu)建過程中，應用到多種先進性、高效性、節(jié)能型的關鍵技術，在這些技術支撐下，無線通信系統(tǒng)信息傳輸效率得以大幅增長。為增強5G無線通信系統(tǒng)應用廣泛性，文章基于5G無線通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析介紹了5G無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并在此基礎上探尋了面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術，旨在增強人們對5G無線通信系統(tǒng)及其關鍵技術的了解，進而推動5G無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展。

關鍵詞：5G無線通信系統(tǒng)；無線通信網(wǎng)絡；關鍵技術

一、引言

互聯(lián)網(wǎng)時代，信息技術與移動通信技術不斷創(chuàng)新優(yōu)化，推動了我國移動通信網(wǎng)絡發(fā)展。5G無線通信系統(tǒng)是在5G通信技術基礎上誕生的新型通信網(wǎng)絡，打破了傳統(tǒng)宏基站模式，深度融合了多種無線通信資源及技術，使數(shù)據(jù)傳輸更加高效并且運行能耗更低，且通信服務更加多元化。5G無線通信系統(tǒng)功能實現(xiàn)，要依賴于多種關鍵技術，因而技術人員應對面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術有詳細了解，并結(jié)合5G通信的系統(tǒng)架構(gòu)進行深入分析，以此增強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性，實現(xiàn)通信服務質(zhì)量有效提升的目標。

二、5G無線通信系統(tǒng)發(fā)展分析

通信技術是當今時代人們生活不可或缺的重要技術。無線移動通信誕生，彌補傳統(tǒng)固定電話通信范圍過窄、通信速度較慢的弊端，極大豐富了人類通信體驗。無線通信系統(tǒng)最早誕生于20世紀80年代中期，應用模擬通信技術，可將頻率介于300Hz-3400Hz之間的語間信號轉(zhuǎn)換成高頻載波，進行遠距離通信。因存在串號或盜號問題，以模擬調(diào)制為基礎的1G系統(tǒng)逐漸被數(shù)字調(diào)制模式的2G系統(tǒng)所取代。但因網(wǎng)速僅能達到每秒鐘9.6KB，因而逐漸過渡為利用CDMA技術的3G無線通信系統(tǒng)，此系統(tǒng)的峰值速率可達到每秒鐘384kbit，而后結(jié)合應用了TD-LTE與FDD-LTE制式的4G無線系統(tǒng)取代的了3G系統(tǒng)，此系統(tǒng)每秒鐘的峰值速率可達到100Mbps。在不足30年的時間里，無線通信技術由1G發(fā)展至4G。由于互聯(lián)網(wǎng)快速普及應用，網(wǎng)絡用戶量快速增長，網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)體量越來越龐大，并且數(shù)據(jù)種類不斷增多。為滿足社會發(fā)展需求，5G無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)應運而生。與4G系統(tǒng)相比，5G系統(tǒng)應用的是超密集小區(qū)體系結(jié)構(gòu)，其資源利用率比4G系統(tǒng)提升了10倍，系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量是4G系統(tǒng)的50-100倍。并且在毫米波技術支持下，5G系統(tǒng)的頻率資源擴增了4倍以上，5G系統(tǒng)的峰值速度可高達每秒鐘10Gbps。5G技術的關鍵性能詳見表1所示。

三、5G無線移動通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

（一）異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡

5G無線通信系統(tǒng)為滿足多元化需求，融合應用了多種技術及業(yè)務，以小小區(qū)、微小區(qū)、宏小區(qū)等異構(gòu)密集分布的多種網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)5G信號有效覆蓋。此種分布方式既促進了5G系統(tǒng)網(wǎng)絡吞吐量提升，也使多元化無線通信需求得到了滿足，并且無線通信系統(tǒng)負載也可實現(xiàn)有效轉(zhuǎn)移?，F(xiàn)階段，針對5G無線通信系統(tǒng)所構(gòu)建的異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡主要涵蓋兩種網(wǎng)絡架構(gòu)，一是小小區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡，二是D2D異構(gòu)網(wǎng)絡。前者是以小但精密的基站為基礎重新部署已構(gòu)建完成的宏蜂窩網(wǎng)絡，以使整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)容量得到提升，進而優(yōu)化通信服務水平。后者則是改變蜂窩網(wǎng)絡相關移動裝置的安裝位置，進而增強鏈路的數(shù)據(jù)信號傳送能力，以有效預防與化解局部地區(qū)的突發(fā)性通信問題。

（二）大規(guī)模MIMO技術通信網(wǎng)絡

雖然異構(gòu)無線網(wǎng)絡架構(gòu)的應用優(yōu)化了5G無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡性能，然而應用時可能會影響其他小小區(qū)、D2D或宏蜂窩用戶的正常通信，會導致整個系統(tǒng)的通信水平下降。為此，技術人員運用大規(guī)格MIMO技術設計了一種可使系統(tǒng)通信頻譜效率有所提升的大規(guī)模MIMO技術通信網(wǎng)絡，此種輸入與輸出通道更多的通信技術可提升5G無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的發(fā)射功率，也可增大帶寬，能夠基于此技術的靈活性為技術應用空間拓展提供支持，且可使無線蜂窩通信系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化，并擴大系統(tǒng)覆蓋范圍，增大頻率利用率，促進5G無線通信技術的優(yōu)化與創(chuàng)新。應用實踐中，5G無線通信系統(tǒng)之中設置若干個基站端、天線，或是通過多達幾百個的天線集中布設構(gòu)建而成大規(guī)模天線矩陣，或是將之分散布置在小區(qū)范圍之內(nèi)，從而為多個用戶提供通信服務。此種配置方式應用，可增強平均通信系統(tǒng)信道衰落的均衡性，也可平衡熱噪聲，并且應用正交性信道方式后，系統(tǒng)信道的容量會有所擴大，且用戶通信之間的相互干擾可得到有效消除，如此，可在用戶通信服務需求滿足的基礎上提升用戶滿意度。

四、面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術分析

5G無線通信系統(tǒng)構(gòu)建，實現(xiàn)了多種通信資源有效融合，同時還應用了多種不同異構(gòu)模式，但還需在此基礎上應用多種起到關鍵作用技術，在這些技術支持下，優(yōu)化無母通信網(wǎng)絡流量激增問題，并使無線通信網(wǎng)絡的信號干擾抵御能力大幅提升。5G無線通信系統(tǒng)構(gòu)建中應用到的關鍵技術主要有以下幾種：

（一）毫米波高頻通信技術

5G技術發(fā)展過程中，由于頻譜資源數(shù)量有所不足，因而5G無線通信系統(tǒng)發(fā)展受到了一定限制。在不斷研發(fā)與實踐過程中，研究人員研發(fā)了毫米波高頻通信技術，此技術可有效化解頻譜資源不足問題。毫米波通常是指波長在1mm至10mm區(qū)間范圍內(nèi)的電磁波。在此技術逐步發(fā)展之后，人們對5G無線通信系統(tǒng)領域中毫米波應用給予了高度關注。雖然毫米波應用優(yōu)勢顯著，然而其也具備一定缺陷問題。如毫米波應用時，常會出現(xiàn)散射現(xiàn)象，因而會對5G無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響。同時，毫米波高頻通信技術的發(fā)展仍不成熟，還需要進一步的測試與優(yōu)化。實際應用中，主要是將毫米波高頻通信技術應用于低頻通信方面。但在5G無線通信系統(tǒng)當中，此技術仍然具備較高的應用價值。

（二）5G空口技術

由于5G無線通信系統(tǒng)比4G無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息傳送速度更快，并且可實現(xiàn)數(shù)據(jù)靈活應用，因而可將空口技術應用于5G無線通信系統(tǒng)的構(gòu)建過程中。此技術的應用，可為每秒鐘網(wǎng)絡信息傳輸速度為1G的寬帶運行提供支持，且可增強通信傳輸?shù)谋憷耘c快捷性，還可與傳感器融合應用，能夠打造出具備高強度網(wǎng)絡信號的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，可使無線網(wǎng)絡通信的覆蓋范圍更廣。5G無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中可應用的空口技術有高頻與低頻兩種。

1.高頻新空口技術

此類型空口技術應用了極大帶寬信道，并且采用了高密度設置方式，此技術應用后，無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度更快，并且可實現(xiàn)高密度流量數(shù)據(jù)傳送，在具備較強信號指向、覆蓋范圍不大的應用場景中應用率較高，在熱點及容量較高的通信環(huán)境下具有一定應用價值。

2.低頻新空口技術

這是一種融合了多種技術的空口技術類型，除了應用了大規(guī)模多天線陣列技術，還將調(diào)制編碼技術、新型多址技術融合其中，在覆蓋范圍較大、連續(xù)性強、容量高、但時延與熱點較低的通信場景中較為適用，低頻新空口技術的應用，可使5G無線通信系統(tǒng)得以更加穩(wěn)定與安全運行。

（三）異構(gòu)無線通信技術

1G、2G及3G無線通信系統(tǒng)所應用均是單層蜂窩網(wǎng)絡，由于此種網(wǎng)絡形式的通信方式較為單一，因而與日益提高的多元化通信需求不相適應，并且無法達到有效轉(zhuǎn)移通信系統(tǒng)負荷目的。因而，在4G無線移動通信系統(tǒng)開發(fā)時，則利用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡替代了單層蜂窩網(wǎng)絡。在異構(gòu)無線通信技術支持下，網(wǎng)絡容量進一步擴充，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送水平有了大幅提高。互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展又促進了通信需求的逐步提升。在此種情況下，在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡的基礎上，融入了D2D通信技術、小區(qū)部署技術等多種通信技術。在已有技術支持下組建成集合了多種信息技術的網(wǎng)絡節(jié)點。此類網(wǎng)絡支持增強了5G無線通信系統(tǒng)對多類型或多技術規(guī)范網(wǎng)絡的兼容性，實現(xiàn)了多個網(wǎng)絡的融合聯(lián)通，依托異構(gòu)無線信息技術的應用，5G無線通信系統(tǒng)的應用范圍得以進一步拓展。

（四）自組織技術

1G至4G的無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)均需要采用人工方式實現(xiàn)移動網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的控制。在動態(tài)控制的過程中，所需消耗人力成本及物資與資金均較高，因而移動通信網(wǎng)絡構(gòu)建與運行成本居高不下。面對網(wǎng)絡信息技術持續(xù)優(yōu)化與高速發(fā)展，5G無線通信系統(tǒng)構(gòu)建過程中，需要注重運營成本降低。因而可在自組織技術支持下，強化執(zhí)行系統(tǒng)的自組織功能，進而對人工管理方式進行替代，如此可有效節(jié)約人力及物力資源，實現(xiàn)通信企業(yè)總成本有效降低。自組織技術應用，可增強5G無線通信系統(tǒng)運行智能性，可實現(xiàn)系統(tǒng)獨立配置與自動恢復。在5G無線通信系統(tǒng)規(guī)劃及網(wǎng)絡部署的過程中，均可確保系統(tǒng)的自動化運行，對周邊環(huán)境所產(chǎn)生的干擾與影響也可大幅降低。由于5G無線通信系統(tǒng)具備極為復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而對其實施控制存在一定難度，為此，自組織技術應用前，需要科學制定應用方案，全面分析網(wǎng)絡需求，并制定出能夠滿足網(wǎng)絡通信需求的可行性自組織計劃。同時，還需要對網(wǎng)絡的自組織水平進行全面檢查，對其中不足或缺陷之處進行彌補，并需設定5G無線通信系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化與改進的方案，進而保證5G無線通信系統(tǒng)的自動化運行。

（五）云計算技術

自5G無線通信系統(tǒng)誕生以來，人們工作、生活等多個領域逐漸融合了無線通信技術，正式將我國推進了5G發(fā)展時代?；谶@一時代背景，傳統(tǒng)以網(wǎng)絡計算或分布式計算為代表的無線通信技術將難以為人們?nèi)諠u提高的通信需求提供有力支撐。面對5G時代背景下數(shù)據(jù)信息量的快速爆發(fā)式增長，網(wǎng)格式、并行式以及分布式計算方法的計算效率相對較低，因而會對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送效率產(chǎn)生不利影響。為此，需要通過云計算技術的有效應用，為5G無線通信系統(tǒng)的高效運行提供技術支持。因而，云計算技術也是5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。實踐應用中，主要是利用移動云計算技術統(tǒng)計大規(guī)模數(shù)據(jù)，而后在分布式網(wǎng)絡資源支持下，引導用戶參與數(shù)據(jù)共享或利用，如此既能使5G無線通信系統(tǒng)的終端設備具備更高的計算能力，也可促進通信網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣仍鲩L，且可顯著提升人們應用5G無線通信系統(tǒng)的體驗感受，進而可為5G無線通信系統(tǒng)的應用與發(fā)展產(chǎn)生有效驅(qū)動。

（六）綠色通信技術

綠色通信技術在4G無線通信時代便被提出，此技術是4G無線通信系統(tǒng)構(gòu)建的重要技術之一，然而由于當時此技術成熟性不足，因而未能完善綠色通信功能?；ヂ?lián)網(wǎng)技術持續(xù)發(fā)展與優(yōu)化的同時，通信技術等級也逐步提升，并且5G無線通信系統(tǒng)的傳輸信號應用的多為毫米波，此種信號傳輸模式雖增強了無線通信網(wǎng)絡信息的同步性，并使之溝通功能得以進一步強化。然而傳輸應用時，由于毫米波不具備強大的散射或繞射功能，因而空氣水分以及細顆粒物會吸收毫米波，從而導致出現(xiàn)大量路徑損耗，為此，需要利用綠色通信技術的應用降低5G無線通信系統(tǒng)的能量損耗。

1.高效能綠色通信技術

自綠色發(fā)展理念提出以來，通信領域也致力于5G無線通信系統(tǒng)的綠色化與持續(xù)化發(fā)展，技術人員針對綠色通信技術展開了深入研究，目前已開發(fā)出了多種具有良好效用的綠色通信技術。一是功率調(diào)節(jié)技術，以技術可基于5G無線通信系統(tǒng)業(yè)務量多少對5G基站所應用器件的功率進行合理調(diào)節(jié)，進而降低基站的功耗。二是信號包絡峰值因子縮減技術，此技術的應用可對5G無線通信系統(tǒng)各個器件的信號包絡峰值因子進行主動縮短，主要從器件層面著手降低功放單元的功耗。三是小小區(qū)技術，在網(wǎng)絡層級上應用5G無線通信系統(tǒng)，使系統(tǒng)傳輸功耗得到大幅削減。四是高能效傳輸技術，此技術能夠優(yōu)化鏈路層的傳輸功率，可使整個系統(tǒng)的信號傳送質(zhì)量得到大幅提升，進而實現(xiàn)傳輸功耗節(jié)約的目的。

2.自動化控制技術

一些專家針對5G無線通信系統(tǒng)的通信基站展開了詳細的調(diào)查研究，將5G無線通信基站的組成結(jié)構(gòu)劃分為五個部分，一是電源系統(tǒng)，二是空調(diào)系統(tǒng)，三是收發(fā)設備，四是配電系統(tǒng)，五是照明裝置。這五部分結(jié)構(gòu)當中，能耗最高的部分是空調(diào)系統(tǒng)，其電能損耗量在總能耗中的占比高達46%，其次是收發(fā)設備，能耗占比為43%，而電源系統(tǒng)與照明裝置的能耗占比分別為8%與3%，而配電系統(tǒng)則不損耗任何能源。通過這一分析發(fā)現(xiàn)，5G無線通信系統(tǒng)的能耗控制應將空調(diào)系統(tǒng)作為重點，因而技術人員研發(fā)出了自動控制技術，可在此種綠色技術支持下有效監(jiān)測與合理調(diào)控基站空調(diào)系統(tǒng)的溫度情況，并能實現(xiàn)空調(diào)功率的自動化調(diào)整，進而達到基站空調(diào)系統(tǒng)能耗有效降低的目的。除此之外，基站收發(fā)設備的能耗占比也較高，針對此部分，則可應用分布式基站組網(wǎng)方式，在雙密度載頻、智能關斷等技術支持下有效調(diào)控基站的收發(fā)設備，如此可大幅削減基站射頻信號的功率損耗，也可減少基帶及靜態(tài)功放的功耗值，從而在這些綠色通信技術有效支持下確保綠色通信目標的有效實現(xiàn)。

五、結(jié)束語

與其他幾代無線通信系統(tǒng)相比，5G無線通信系統(tǒng)信息的傳送速度更快、通信覆蓋范圍更廣，具備更強的信號干擾抵御能力，這是由于其應用了異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡以及大規(guī)模MIMO技術通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，顯著提高了5G系統(tǒng)鏈路層的數(shù)據(jù)信號傳送水平，可實現(xiàn)系統(tǒng)信道容量的擴增，能將不同通信用戶之間的通信干擾問題有效消除。此外，5G無線通信系統(tǒng)的功能發(fā)揮，還需應用多種關鍵技術，除了支持異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡的異構(gòu)無線通信技術以外，也需要5G空口技術、云計算技術、自組織技術、毫米波高頻通信技術等技術支持，還應將綠色通信技術融合于5G無線通信系統(tǒng)之中，從而優(yōu)化5G無線通信系統(tǒng)通信質(zhì)量，減少系統(tǒng)運行功耗，為5G無線通信系統(tǒng)平穩(wěn)與長效發(fā)展提供技術保障。

作者單位：張曉東? ? 山西信息規(guī)劃設計院有限公司

參? 考? 文? 獻

[1]鄭國鑫.關于面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術分析[J].中國新通信，2017，19（12）：1.

[2]王小飛.關于面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術分析[J].數(shù)字通信世界，2018，161（5）：109.

[3]陳彥澔.面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術初探[J].中國新通信，2018，20（1）：1.

[4]周雯，李明.面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術探究[J].信息周刊，2020（5）：1.

[5]邱新平.面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術探討[J].中外企業(yè)家，2020（9）：1.