面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)探討

劉少秋

(中國鐵塔股份有限公司貴州省分公司 貴州 貴陽 550000)

0 引言

移動通信技術(shù)的發(fā)展使我們的生活發(fā)生了巨大的變化，結(jié)合我國的發(fā)展現(xiàn)狀而言，多種類型的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備已經(jīng)成為生活中非常重要的組成部分，再加上各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量的增加，對通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量提出了更高的要求。為了能夠使客戶對信息傳輸?shù)男枨蟮玫綕M足，除了要節(jié)省通信系統(tǒng)的運(yùn)行成本之外，還應(yīng)對傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，才能為我國無線通信行業(yè)創(chuàng)建更大的發(fā)展空間。5G無線通信系統(tǒng)能夠有效提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，同時也具備了較強(qiáng)的抗干擾性能，所以必須要充分研究5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，才能使整個通信行業(yè)實(shí)現(xiàn)飛躍式的發(fā)展。

1 5G無線通信系統(tǒng)的基本概念

5G無線通信系統(tǒng)主要是指通信技術(shù)已經(jīng)研究到了第五代，對于移動通信技術(shù)而言，并沒有對5G無線通信系統(tǒng)的概念作出準(zhǔn)確說明，一般都是認(rèn)為5G無線通信系統(tǒng)是對4G通信系統(tǒng)的升級和優(yōu)化。5G無線通信系統(tǒng)的信息傳輸速度達(dá)到了每秒鐘10 GB。雖然現(xiàn)在全球很多國家對5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)注度都很高，但是5G無線通信系統(tǒng)還沒有實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用[1]。

2 無線通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程

無線通信系統(tǒng)的出現(xiàn)使我們的生活和工作都發(fā)生了巨大的變化，在我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的過程中，無線通信技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了改革和創(chuàng)新，同時也使我們的生活實(shí)現(xiàn)科技化和智能化。結(jié)合無線通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程分析，無線通信系統(tǒng)最初是從GSM系統(tǒng)中分割出來的交換技術(shù)，該技術(shù)最初的目的是將網(wǎng)絡(luò)的前后端連接在一起，同時使域間的無線IP實(shí)現(xiàn)有效連接。無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)有效連接之后，再利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效傳輸，這樣就能使用戶快速獲取信息。GSM網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)第三次改革時，GPRS是非常重要的應(yīng)用技術(shù)，對GSM的改革非常重要。無線通信系統(tǒng)從第一代一直發(fā)展到現(xiàn)在的第五代，期間經(jīng)過了多次的演變和測試，測試結(jié)果顯示5G無線通信系統(tǒng)能夠有效提高數(shù)據(jù)信息的傳送效率，同時也能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)信號的覆蓋面。換言之，5G無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用能夠使用戶在最短時間內(nèi)享受信息技術(shù)帶來的服務(wù)體驗(yàn)。無線通信系統(tǒng)從初始到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)過了五次改革，無線通信技術(shù)的改革，最主要的目的就是為了提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，提高網(wǎng)絡(luò)的性能?，F(xiàn)如今，使用無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的用戶量逐漸增加，這也為無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了全新的驅(qū)動力。因此，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在發(fā)展的過程中必須要朝著綠色通信技術(shù)的方向轉(zhuǎn)型，才能滿足更多用戶的實(shí)際需求。

3 無線通信系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的常見種類

3.1 軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是最常見的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)種類之一，這里涉及的控制功能原本是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層中的功能，后被技術(shù)人員進(jìn)行剝離，然后再利用中心控制系統(tǒng)對軟件進(jìn)行全面控制。中心控制系統(tǒng)能夠感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌诰W(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)路徑上起到了非常重要的作用。軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是在南向API技術(shù)的支撐下將控制器和交換機(jī)與技術(shù)連接在一起，然后再利用北向API技術(shù)將控制器和應(yīng)用程序與技術(shù)連接在一起[2]。

3.2 自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

5G無線通信系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也是一種常見的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。實(shí)際上從3G概念提出的時候，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就已經(jīng)開始受到關(guān)注，盡管網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第五代，自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍然是一項(xiàng)非常重要的關(guān)鍵技術(shù)。進(jìn)入5G時代后，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更加致密，這也就意味著網(wǎng)絡(luò)管理的難度逐漸增大，如果能夠合理利用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就能避免網(wǎng)絡(luò)的致密化發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)管理工作中造成的影響，從而提高網(wǎng)絡(luò)管理的質(zhì)量。另外，應(yīng)用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還能使網(wǎng)絡(luò)人工部署得到優(yōu)化，不僅能夠節(jié)省資源，還能為網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行提供保障。

3.3 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)功能在實(shí)現(xiàn)軟件化的過程中，可以利用IT虛擬化技術(shù)，同時也可以將專用網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)備替換成通用硬件設(shè)備。在這樣的背景下，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)主要是在虛擬機(jī)的作用下在通用網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備之上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，這樣就能充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性特征[3]。

4 5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

經(jīng)過不斷的研究和試驗(yàn)，多天線技術(shù)在提高網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的運(yùn)行效率上起到了非常重要的作用?，F(xiàn)如今，多個無線通信系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，都已經(jīng)開始應(yīng)用對多條線路輸入輸出技術(shù)，這種技術(shù)能夠得到重視主要是對3G通信系統(tǒng)和WLAN系統(tǒng)的運(yùn)行總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)。據(jù)相關(guān)研究結(jié)果分析，MINO技術(shù)在應(yīng)用的過程中，信息數(shù)據(jù)在傳輸過程中所使用的天線數(shù)量能夠直接影響到MINO信道數(shù)量的變化，所以5G無線通信系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，一般都會使用多條天線為信息的傳輸提供保障。大規(guī)模MINO技術(shù)在應(yīng)用的過程中，由于其自身具備較強(qiáng)的分辨率，所以很快就能對空間維度中的各項(xiàng)信息進(jìn)行深入挖掘，這樣就能保證在同一頻率內(nèi)，即便有多個用戶同時提出信息傳送的要求，系統(tǒng)依然能夠順利傳遞信息，盡管信息傳輸基站規(guī)模較小，依然能夠在高頻譜的環(huán)境下保證信息數(shù)據(jù)的傳送質(zhì)量。

與傳統(tǒng)的通信基站相比，大規(guī)模MINO技術(shù)還具備了較強(qiáng)的抗干擾性能，即使信息數(shù)據(jù)的傳輸環(huán)境非常惡劣，依然不影響信息傳輸?shù)挠行浴ｋS著5G無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，5G無線通信系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了能夠在短時間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)，為其他設(shè)備的工作性能提供了有效支撐。雖然大規(guī)模MINO技術(shù)在應(yīng)用的過程中已經(jīng)凸顯出很多優(yōu)勢，但是如果將這種技術(shù)應(yīng)用到單個系統(tǒng)中，隨著天線數(shù)量的增加，整個信息傳輸系統(tǒng)的空間就會逐漸減小，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能都會受到影響。因此，如果大規(guī)模MINO技術(shù)在單個系統(tǒng)中應(yīng)用，技術(shù)人員就要適當(dāng)做出相應(yīng)的調(diào)整，這樣才能充分發(fā)揮該技術(shù)的價值。我國對大規(guī)模MINO技術(shù)的應(yīng)用仍然處在信道模型的建設(shè)階段，很多理論數(shù)據(jù)還沒有經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，雖然大規(guī)模MINO技術(shù)對5G無線通信系統(tǒng)有很重要的價值，但是如何發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢，是我國無線通信領(lǐng)域亟待解決的問題[4]。

4.2 雙公開技術(shù)

5G無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的雙公開技術(shù)主要是為了信息數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中能夠?qū)崿F(xiàn)同時傳輸和同頻傳輸。專業(yè)人員著重研究雙公開技術(shù)是為了避免信息數(shù)據(jù)在傳輸過程中受到外界因素的干擾，應(yīng)用雙公開技術(shù)就能有效提升信息的傳輸效率，還能實(shí)現(xiàn)對頻率的有效應(yīng)用，確保信息數(shù)據(jù)在傳輸過程中能夠多頻率傳輸，這樣就能攻破雙向傳輸?shù)碾y題。未來5G無線通信系統(tǒng)將會在通信行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，雙公開技術(shù)為無線頻譜資源的有效利用提供了有力保障，該技術(shù)的應(yīng)用能夠快速解決5G無線通信系統(tǒng)的傳輸信號受到外界干擾的問題。因此，相關(guān)的技術(shù)人員要加強(qiáng)對雙公開技術(shù)的重視，利用該技術(shù)抵消干擾信號。

4.3 綠色通信技術(shù)

信息數(shù)據(jù)在傳輸過程中，消耗的能源總量不斷增加，雖然無線通信系統(tǒng)的耗能只占據(jù)了我國能源消耗的3%，但是能源消耗量每年至少增長20%。4G無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的普及增加了我國能源消耗量，如果5G無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)普及之后依然沒有解決能源消耗的問題，通信產(chǎn)業(yè)的能源消耗量將會大大增加。綠色通信技術(shù)的研究主要是為了使能源實(shí)現(xiàn)有效利用，如果能夠提高能源的利用效率，就會降低通信系統(tǒng)的頻譜效率。實(shí)際上綠色通信技術(shù)這一概念在4G無線通信系統(tǒng)中就已經(jīng)受到重視，但是因?yàn)楦鲊既狈Τ墒斓难芯拷?jīng)驗(yàn)，所以這一技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中并未得到應(yīng)用。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，5G無線通信系統(tǒng)逐漸進(jìn)入了人們的視野，綠色通信技術(shù)也再次得到重視，專業(yè)研究人員通過不斷的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出，將綠色通信技術(shù)應(yīng)用在5G無線通信系統(tǒng)中，能夠有效解決通信系統(tǒng)耗能較高的問題，配合我國雙碳戰(zhàn)略的深入實(shí)施。為了能夠充分發(fā)揮綠色通信技術(shù)在5G無線通信系統(tǒng)的作用，相關(guān)的技術(shù)人員必須要全面掌握5G無線通信系統(tǒng)的各項(xiàng)性能和能源消耗情況，梳理清除耗能和頻譜效率之間潛在的關(guān)系，對多種通信資源進(jìn)行整合和完善。除此之外，技術(shù)人員還應(yīng)從耗能和應(yīng)用頻率這兩個角度充分挖掘綠色通信技術(shù)的信息傳輸能力，既要降低能源的消耗量，也要提升5G無線通信系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。隨著我國國力的提升，對5G無線通信系統(tǒng)的研究更加深入，5G無線通信系統(tǒng)未來一定會成為支撐通信領(lǐng)域的龍頭，信息數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)同步傳輸，信息溝通的質(zhì)量也能得到保障[5]。

因此，5G無線通信系統(tǒng)的研究人員要結(jié)合通信現(xiàn)狀分析綠色通信技術(shù)的性能，充分發(fā)揮綠色通信技術(shù)的作用，才能為我國5G無線通信系統(tǒng)的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

4.4 云計(jì)算技術(shù)

信息技術(shù)的背景下，各個行業(yè)領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型，生活也在朝著數(shù)字化的方向發(fā)展，數(shù)據(jù)在我們的生活和工作中發(fā)揮了很重要的作用。現(xiàn)如今，5G無線通信系統(tǒng)與云計(jì)算結(jié)合在一起，已經(jīng)成為智能化建設(shè)的基礎(chǔ)條件，為智慧社會的建設(shè)提供了有力的保障。在新型信息技術(shù)發(fā)展的過程中，云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)成為關(guān)鍵性技術(shù)，同時也為政企實(shí)現(xiàn)多元化數(shù)字轉(zhuǎn)型提供保障。5G時代的到來，為云計(jì)算技術(shù)創(chuàng)建了更大的發(fā)展空間，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）各級云服務(wù)商在市場競爭中，都將邊緣計(jì)算技術(shù)作為提高自身核心競爭力的基礎(chǔ)條件，從某種角度來講，對5G時代的云服務(wù)也起到了推動作用。大部分的云服務(wù)商都是通過云計(jì)算的優(yōu)勢將云技術(shù)下沉到邊緣計(jì)算中，促進(jìn)邊緣實(shí)現(xiàn)人工智能。工業(yè)領(lǐng)域也可以借助工業(yè)場景應(yīng)用云技術(shù)實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算，這樣就能對現(xiàn)場進(jìn)行全面控制，同時也能提前為以后的智能化建設(shè)奠定基礎(chǔ)[6]。

2）云計(jì)算的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)云網(wǎng)融合。我國各大電信運(yùn)營商都開始向云服務(wù)方面拓展業(yè)務(wù)，一些大型的云服務(wù)商也開始在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中增加投資規(guī)模，希望通過云網(wǎng)融合來增加客戶在使用過程中的體驗(yàn)感。在云網(wǎng)融合的過程中，很多融合產(chǎn)品都已經(jīng)發(fā)展成熟，云網(wǎng)融合也從之間的互聯(lián)增加了業(yè)務(wù)模式。企業(yè)在使用云計(jì)算技術(shù)時，還能夠適當(dāng)拓展云網(wǎng)融合產(chǎn)品的性能，這樣才能使用戶在使用時獲得良好的體驗(yàn)。

4.5 異構(gòu)無線通信技術(shù)

進(jìn)入5G時代之后，信息數(shù)據(jù)和語音短信的傳輸已經(jīng)不能滿足用戶對無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求，5G無線通信系統(tǒng)在發(fā)展的過程中，要將多種信息技術(shù)結(jié)合在一起，充分挖掘不同技術(shù)的優(yōu)勢。因此，在5G時代的背景下，多種信息技術(shù)要共同組建多元化的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，才能擴(kuò)大信號的覆蓋范圍。在應(yīng)用異構(gòu)無線通信技術(shù)的過程中，還可以通過小區(qū)部署和D2D通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。小區(qū)部署主要是指在城市的每個小區(qū)建立小型的通信基站，提高社區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量，保證信息數(shù)據(jù)的傳輸效率，在社區(qū)內(nèi)構(gòu)建完善的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。D2D通信技術(shù)則是為了使局部地區(qū)的用戶對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的需求得到滿足，確保信息數(shù)據(jù)之間的傳遞效率得到保障，同時也是為了強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的靈活性，提高信息數(shù)據(jù)的傳輸效率。

雖然異構(gòu)無線通信技術(shù)在5G無線通信系統(tǒng)中有很大的發(fā)展空間，但是這種技術(shù)同樣也存在弊端，主要表現(xiàn)在：首先，由于該技術(shù)的各個節(jié)點(diǎn)較為密集，節(jié)點(diǎn)之間的距離非常短，如果同種無線技術(shù)同時接入到系統(tǒng)中，相互之間可能就會產(chǎn)生同頻干擾，并且不同的無線接入技術(shù)在實(shí)現(xiàn)頻譜共享的過程中可能也會出現(xiàn)分層干擾，要想解決該問題，就要對5G無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面分析。其次，該技術(shù)在應(yīng)用的過程中，系統(tǒng)本身就存在用戶已經(jīng)部署好的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡芫蜁a(chǎn)生較大的變化，所以還要構(gòu)建如何應(yīng)對這種變化的解決方法，才能充分發(fā)揮該技術(shù)在5G無線通信系統(tǒng)中的作用，促使5G無線通信系統(tǒng)的傳輸效率得到保障。

4.6 毫米波高頻段通信技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，頻譜資源已經(jīng)成為了非常稀缺的資源，因此，可以通過毫米波高頻段通信技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的頻譜資源。這里提出的毫米波主要是指針對電磁波，這種電磁波的波長基本上是在10 mm之內(nèi)，由于其特殊的性能，所以在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛。毫米波在應(yīng)用的過程中，必須要充分考慮到毫米波的散失情況，并且還要結(jié)合實(shí)際情況制定相應(yīng)的解決方法，才能為5G無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。由于毫米波和微波通信在本質(zhì)上存在較大的區(qū)別，尤其是在傳統(tǒng)信道模型當(dāng)中的差距更為明顯，所以MIMO通信系統(tǒng)無法應(yīng)用在毫米波系統(tǒng)中，為了解決該問題，相關(guān)的技術(shù)人員才研究出毫米波高頻段通信技術(shù)，該技術(shù)主要是將模擬域波束成型的概念融入其中，如今毫米波高頻段通信技術(shù)已經(jīng)成為5G無線通信系統(tǒng)的主要研究對象。

4.7 新多址技術(shù)

將新多址技術(shù)應(yīng)用在5G無線通信系統(tǒng)中，能夠直接影響到空口資源的分配模式，同時也能有效提升連接數(shù)量和頻譜效率。新多址技術(shù)在5G無線通信系統(tǒng)中的價值是否能夠充分發(fā)揮主要是通過低密度擴(kuò)頻和高維調(diào)制來決定，低密度擴(kuò)頻技術(shù)主要是將單個子載波通過專業(yè)技術(shù)擴(kuò)頻成四個子載波，這樣就能同時為六個用戶提供服務(wù)。低密度擴(kuò)頻只占用了兩個子載波，所以另外兩個子載波就處于空位。而高維調(diào)制技術(shù)的主要功能是負(fù)責(zé)調(diào)制相位和幅度，調(diào)制之后就能使各個用戶的星座點(diǎn)之間的歐式距離越來越遠(yuǎn)，各個用戶在使用系統(tǒng)的過程中相互之間也就不會產(chǎn)生干擾。

5 結(jié)語

總而言之，目前5G無線通信系統(tǒng)已經(jīng)成為我國無線通信行業(yè)的主要研究方向，但是我國由于受到各方面因素的影響，在很多方面依然存在一定的短板。以此同時，5G規(guī)模化建設(shè)后，5G應(yīng)用已進(jìn)入無人區(qū)，如何利用5G技術(shù)優(yōu)勢，推進(jìn)5G賦能千行百業(yè)，促進(jìn)形成“需求牽引供給，供給創(chuàng)造需求”的高水平發(fā)展模式，驅(qū)動生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式升級，培育壯大經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展新動能，需要多部門、多領(lǐng)域、多行業(yè)按照需求牽引、創(chuàng)新驅(qū)動、重點(diǎn)突破、協(xié)同聯(lián)動的原則進(jìn)行嘗試與探索。相信在不久的將來，經(jīng)過研究人員的不斷努力，5G無線通信系統(tǒng)的難題一定會得到解決，技術(shù)也會更加完善，5G無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用對傳統(tǒng)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，對人民群眾的數(shù)字生活，對我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展起到關(guān)鍵支撐性作用。