5G 無(wú)線通信技術(shù)與廣電融合的應(yīng)用研究

宋 杰

（中通服網(wǎng)盈科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

移動(dòng)通信已經(jīng)深刻改變了人們的生產(chǎn)、社會(huì)和學(xué)習(xí)方式的格局[1]。隨著數(shù)據(jù)流量的爆發(fā)式增長(zhǎng)、設(shè)備接入數(shù)量的急劇增加、服務(wù)需求的激增以及新型使用場(chǎng)景的不斷涌現(xiàn)，5G 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為第5代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)[2]。

5G 技術(shù)的商用化標(biāo)志著移動(dòng)通信行業(yè)迎來(lái)一個(gè)新的革命性變革，數(shù)據(jù)傳輸速度快、時(shí)延低、安全等優(yōu)勢(shì)，將會(huì)推動(dòng)各個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化進(jìn)程，促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合[3]。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，5G 技術(shù)可以支持遠(yuǎn)程醫(yī)療與高難度手術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化醫(yī)療服務(wù)，大大提高了醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量與便捷程度。在智能物流方面，5G 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)物流追蹤，讓物流更安全、快捷、高效[4]。同時(shí)，5G 技術(shù)的商業(yè)化將推動(dòng)智能城市建設(shè)向前邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)城市管理的自動(dòng)化與智能化。由下調(diào)700 MHz 波段頻率利用計(jì)劃的通告可知，中國(guó)政府為了推動(dòng)5G技術(shù)的發(fā)展，積極為相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行政策扶持，從而打造具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的5G 產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[5]。廣電業(yè)和電信業(yè)的融合是數(shù)字時(shí)代的必然趨勢(shì)，優(yōu)質(zhì)內(nèi)容可以成為5G 發(fā)展的重要資源，也可以為廣播電視行業(yè)注入新動(dòng)能。總的來(lái)說(shuō)，隨著5G 技術(shù)的商用化和發(fā)展，各行各業(yè)都將迎來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，需要不斷創(chuàng)新、拓展應(yīng)用場(chǎng)景，為數(shù)字化時(shí)代的發(fā)展提供新動(dòng)力。

1 5G 網(wǎng)絡(luò)與廣電網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵技術(shù)

在“四網(wǎng)融合”中，5G 網(wǎng)絡(luò)與廣播電視網(wǎng)絡(luò)的融合是一個(gè)重要組成部分，目的是將傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)進(jìn)行重新組合，建立新平臺(tái)[6]。這將推動(dòng)我國(guó)廣播電視網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代化發(fā)展，并為新服務(wù)和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供豐富的機(jī)會(huì)，也有助于智慧城市應(yīng)用和服務(wù)的部署。未來(lái)，隨著 5G技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展到全國(guó)范圍，將在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，提升廣播電視網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量和水平。

廣播電視網(wǎng)絡(luò)主要使用時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD）和頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD）2 種技術(shù)，防止信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到干擾。FDD 系統(tǒng)代表了1G 到4G 的技術(shù)。而我國(guó)所采用的TD-SCDMA 和TD-LTE 則屬于TDD 系統(tǒng)。時(shí)分雙工系統(tǒng)可在同一個(gè)頻帶上實(shí)現(xiàn)上行和下行傳輸，因此具有靈活性和效率高的優(yōu)勢(shì)。頻分雙工系統(tǒng)則需要分配2 個(gè)不同的頻段，一般用于語(yǔ)音通信和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，TDD 系統(tǒng)在5G通信中被廣泛采用，以滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨骩7]。這2 種技術(shù)在信號(hào)傳輸過(guò)程中，由于發(fā)射和接收系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)信號(hào)穩(wěn)定傳輸，造成了時(shí)域或頻域資源的損耗，同時(shí)增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。

在5G 中，全雙工通信模式被廣泛采用。針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求，它靈活地協(xié)調(diào)上下行通信的信道資源，實(shí)現(xiàn)了合理的信道資源分配。以傳統(tǒng)語(yǔ)音通信為例，如果采用對(duì)稱(chēng)的信道分配方式，上下行流量將占用相同的資源，而其他業(yè)務(wù)的信道需求可能不同，無(wú)法最大程度地利用信道資源。在5G 中，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，采用不同的上、下行通信信道分配方式，以最大限度地提高信道資源利用率。因此，靈活的全雙工模式可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求調(diào)整信道分配，實(shí)現(xiàn)資源最大化利用其業(yè)務(wù)上下行流量對(duì)比，如表1 所示。

表1 各種業(yè)務(wù)上下行流量對(duì)比

文章提出了一種同時(shí)同頻雙工技術(shù)。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)（Co-time Co-frequency Full Duplex，CCFD）是一項(xiàng)創(chuàng)新性的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)將2 種信號(hào)處于同頻段，從而將頻譜效率提高一倍，為5G 通信提供更快、更高效的數(shù)據(jù)傳輸。這項(xiàng)技術(shù)需要克服雙工干擾（Duplex Interference，DI）的問(wèn)題它由接收節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的射頻干擾引起。這種干擾會(huì)造成接收端信號(hào)的不穩(wěn)定，從而影響信號(hào)質(zhì)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一些技術(shù)方案被提出來(lái)。例如，利用天線的數(shù)字干擾消除法或抑制法來(lái)減少信號(hào)的干擾，還可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)發(fā)射端和接收端在極化方向形成正交，減少端口的功率等。這些方案可以有效地降低雙工干擾，從而提高5G 通信的性能和可靠性。CCFD 技術(shù)是5G 通信技術(shù)的一個(gè)重要方向，可以極大地提高頻譜效率，但需要克服雙工干擾等技術(shù)難題。通過(guò)不斷探索和創(chuàng)新，相信CCFD 技術(shù)在未來(lái)將會(huì)得到廣泛應(yīng)用，并為人們帶來(lái)更加高效、可靠的通信體驗(yàn)。CCFD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 CCFD 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 廣電5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案設(shè)計(jì)

中國(guó)廣播電視網(wǎng)絡(luò)的5G核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)采用“兩步走、三大價(jià)值、四S 核心網(wǎng)、五個(gè)原則”的方法。其中，“兩步走”指先部署NAS 搶占市場(chǎng)，然后逐步向SA 架構(gòu)演進(jìn)的分階段策略?！叭髢r(jià)值”是指滿(mǎn)足5G 對(duì)增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、高可靠低時(shí)延通信（ultra-Reliable Low Latency Communication，uRLLC）和大規(guī)模機(jī)器類(lèi)型通信（massive MachineType Communication，mMTC）的需求?！八腟 核心網(wǎng)”包括網(wǎng)絡(luò)切片、基于服務(wù)的架構(gòu)（Service Based Architecture，SBA）、控制面和用戶(hù)面分離（Control and User plane separation，CUPS）和無(wú)狀態(tài)架構(gòu)[9]。盡管CBN 在5G 核心網(wǎng)建設(shè)方面起步較晚，但其長(zhǎng)期專(zhuān)注于電視和有線寬帶服務(wù)，忽略了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，因此可以從其他運(yùn)營(yíng)商的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，并跳過(guò)NAS 到SA 過(guò)渡步驟。因此，CBN 的5G 核心網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立網(wǎng)模式，而不依賴(lài)于4G 核心網(wǎng)絡(luò)。

2.1 廣電5G 核心網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

廣電依據(jù) 5G 核心網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，從上至下完成基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

（1）實(shí)現(xiàn)高可用性和容災(zāi)備份，其中每個(gè)大區(qū)建設(shè)2 個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房，以保證數(shù)據(jù)中心的物理容災(zāi)。

（2）采用3 層架構(gòu)和2 層解耦的設(shè)計(jì)，通過(guò)軟硬協(xié)同和多維容災(zāi)保障來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性和可用性。

（3）采用控制面的熱備容災(zāi)技術(shù)，保證用戶(hù)數(shù)據(jù)的安全性。轉(zhuǎn)發(fā)面采用分布式部署的方案，可以根據(jù)需要進(jìn)行下沉部署，實(shí)現(xiàn)了接口標(biāo)準(zhǔn)的成熟度、建設(shè)周期以及責(zé)任界面等方面的綜合考量。

廣電5G 核心網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 廣電5G 核心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)架構(gòu)

2.2 廣電5G 核心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)功能建設(shè)

廣電正在建設(shè)5G 核心網(wǎng)以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的移動(dòng)寬帶需求。為了提供更高效、靈活、可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，廣電采用了“四 S 核心網(wǎng)”原則，包括網(wǎng)絡(luò)切片、服務(wù)化架構(gòu)、控制面/用戶(hù)面分離和無(wú)狀態(tài)，旨在優(yōu)化5G 核心網(wǎng)的功能和性能，提高網(wǎng)絡(luò)容量和速度。

（1）網(wǎng)絡(luò)切片是5G 核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)資源劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，以提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，如低時(shí)延、高可靠性、高帶寬等[10]。

（2）服務(wù)化架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)功能模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和可重用化，以適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和應(yīng)用需求，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性。

（3）控制面/用戶(hù)面分離將核心網(wǎng)的控制層和數(shù)據(jù)層分開(kāi)，提高了核心網(wǎng)的容錯(cuò)能力和安全性，同時(shí)使控制層的升級(jí)和擴(kuò)展更容易。

（4）無(wú)狀態(tài)要求核心網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不保存任何會(huì)話信息，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和性能。

廣電的5G 核心網(wǎng)建設(shè)將采用現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的技術(shù)手段以滿(mǎn)足用戶(hù)的多樣化需求。

3 結(jié) 論

移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了科技的不斷發(fā)展和變遷。隨著信息隨時(shí)隨地都能獲取，萬(wàn)物互聯(lián)已經(jīng)不再是夢(mèng)想。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，總結(jié)移動(dòng)通信發(fā)展歷程，以CCFD 關(guān)鍵技術(shù)為手段，對(duì)5G 核心網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)功能建設(shè)進(jìn)行詳細(xì)研究和闡述。在5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，廣電行業(yè)需要充分考慮5G 技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，采用先進(jìn)的技術(shù)手段和架構(gòu)，構(gòu)建高效、穩(wěn)定、安全及智能的5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。廣電行業(yè)在5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中需要采用創(chuàng)新的思路和方法，結(jié)合自身的特點(diǎn)和需求，積極應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，抓住機(jī)遇，構(gòu)建高質(zhì)量、智能化、特色化的5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為用戶(hù)提供更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。