5G無線通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)應用

［關(guān)鍵詞］5G無線通信技術(shù)；關(guān)鍵技術(shù)；應用場景

［中圖分類號］TN929.5 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0040–03

1 5G網(wǎng)絡架構(gòu)

5G網(wǎng)絡具體包括用戶設備、核心網(wǎng)絡及傳輸網(wǎng)絡等重要結(jié)構(gòu)。5G網(wǎng)絡的設計理念具有前沿性，以服務導向結(jié)構(gòu)為基礎，具有服務化的特征。與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡架構(gòu)相比，5G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的鏈路關(guān)系靈活，主要以模塊化的服務單元呈現(xiàn)，接口更為簡單。在核心網(wǎng)部分，能夠充分體現(xiàn)架構(gòu)服務化、網(wǎng)絡切片化等特點。5G無線通信網(wǎng)絡架構(gòu)主要面向用戶，提供數(shù)據(jù)采集、處理等一系列業(yè)務，將SDN（軟件定義網(wǎng)絡）、NFV（網(wǎng)絡功能虛擬化）等先進技術(shù)作為基礎，在服務化接口的前提下，構(gòu)建控制面網(wǎng)元之間的交互。

5G無線通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的具體特征主要包括：①交互性服務。5G無線通信網(wǎng)絡滿足按需調(diào)用額度要求，且服務的可重復性強。②承載和控制互為獨立。在5G 無線通信網(wǎng)絡中，承載、控制能夠滿足獨立演進和擴展的要求，因此網(wǎng)絡架構(gòu)的布署更為靈活，可以是分布式，也可以是集中式。③框架標準統(tǒng)一。5G無線通信網(wǎng)絡采用更簡化的結(jié)構(gòu)，例如引入訪問與移動性管理功能、用戶面功能等?？蚣芙y(tǒng)一標準顯著提升了網(wǎng)絡性能和運營管理。④功能設計的模塊化。5G無線通信網(wǎng)絡的功能完備，具有模塊化特點，且網(wǎng)絡切片更具靈活性。⑤ 5G 無線通信網(wǎng)絡架構(gòu)采用前沿設計理念，在無狀態(tài)網(wǎng)絡功能架構(gòu)下，計算資源的布署和遷移更加靈活，因為其無需攜帶大量的本地狀態(tài)信息。在網(wǎng)絡負載出現(xiàn)變化或需要進行故障修復時，系統(tǒng)能夠?qū)⒂嬎阗Y源及時遷移到其他位置，避免狀態(tài)信息丟失。⑥網(wǎng)絡架構(gòu)與無線接入關(guān)聯(lián)弱。5G無線通信網(wǎng)絡架構(gòu)具有收斂作用，是無關(guān)接入，以通用接口為架構(gòu)基礎。⑦滿足大量業(yè)務布署要求。5G無線通信網(wǎng)絡架構(gòu)中，用戶界面能夠布署在接入網(wǎng)絡臨近部位，為本地業(yè)務、低時延業(yè)務的穩(wěn)定接入夯實基礎。⑧處理能力強。5G 網(wǎng)絡架構(gòu)基于QoS（服務質(zhì)量）技術(shù)構(gòu)建，架構(gòu)簡單，具有更強的網(wǎng)絡處理能力。

2"5G無線通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)

5G無線通信網(wǎng)絡的運用需要多種關(guān)鍵技術(shù)的支持，相關(guān)技術(shù)共同構(gòu)成5G 無線通信網(wǎng)絡的核心架構(gòu)，為實現(xiàn)高速率、低時延、大容量和廣連接的通信目標提供了堅實的技術(shù)保障。

2.1網(wǎng)絡切片技術(shù)

網(wǎng)絡切片是5G無線通信網(wǎng)絡中的關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)，其允許在共享的物理網(wǎng)絡基礎設施中構(gòu)建多個虛擬、隔離的網(wǎng)絡切片。在通信網(wǎng)絡運行期間，每個切片能夠結(jié)合相應業(yè)務或服務需求，進行針對性設計和管理，進而滿足多元化的業(yè)務和服務需求。通常情況下，網(wǎng)絡切片需要通過SDN、NFV等技術(shù)實現(xiàn)，將帶寬、存儲等物理網(wǎng)絡資源根據(jù)需求進行邏輯劃分，進而生成多個互為獨立、相互隔離的網(wǎng)絡實例。網(wǎng)絡切片管理架構(gòu)如圖1 所示。

在5G 無線通信網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡切片的應用范圍較廣，具體包括eMBB（增強移動寬度）、URLLC（超高可靠低時延）、mMTC（海量物理網(wǎng)）等。該項關(guān)鍵技術(shù)在不同應用場景發(fā)揮的作用不同。例如，在eMBB 場景中，針對超高清視頻流、VR/AR 等具有高帶寬需求的應用，網(wǎng)絡切片能夠提供大容量、高速率的連接；在URLLC場景中，針對工業(yè)自動化等對時延和穩(wěn)定性具有嚴格要求的應用，網(wǎng)絡切片可以提供毫秒級的時延。

2.2"SDN技術(shù)

SDN是5G通信的一項關(guān)鍵技術(shù)，其主要將網(wǎng)絡設備中控制面和數(shù)據(jù)面有效分離，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡流量的靈活控制。SDN的主要組成部分包括數(shù)據(jù)層、控制層、應用層及管理層等。技術(shù)的主要功能在于將傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備的控制功能集中在獨立的控制器中，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的全局調(diào)度和動態(tài)配置。

目前，SDN技術(shù)的應用顯著提升了5G無線通信網(wǎng)絡的靈活性的穩(wěn)定性。通過合理運用該項技術(shù)，運營商能夠快速響應業(yè)務需求變化，靈活調(diào)整資源分配，實現(xiàn)網(wǎng)絡服務的快速布署和全方位優(yōu)化。另外，SDN還能夠促進資源的共享和重復利用，有效降低建設和運維成本。

2.3"NFV技術(shù)

NFV在5G無線通信網(wǎng)絡中十分常用，作為一項關(guān)鍵技術(shù)，其能夠?qū)鹘y(tǒng)模式下依賴專用硬件的網(wǎng)絡功能轉(zhuǎn)化為在標準服務器上的軟件實例，進而滿足網(wǎng)絡功能的靈活配置和動態(tài)擴展等要求。NFV 通過運用虛擬化技術(shù)，能夠在專用硬件設備中解耦出網(wǎng)絡功能，使其在通用、基于標準架構(gòu)的服務器上運行。NFV采用NFV管理與編排框架， 主要由NFVO、VIM、VNFM 等組件構(gòu)成。在運行期間，各組件協(xié)同工作，實現(xiàn)對網(wǎng)絡功能的全過程管理、虛擬化基礎設施資源的分配管理及網(wǎng)絡服務的建設和更新。

在5G無線通信網(wǎng)絡中，NFV技術(shù)能夠為網(wǎng)絡切片提供架構(gòu)基礎，使其在同一物理網(wǎng)絡中建立多個邏輯獨立、性能不同的網(wǎng)絡切片。因此，該項技術(shù)的應用能夠滿足不同行業(yè)、不同應用場景的多元化需求，推動5G無線通信網(wǎng)絡在各行各業(yè)的廣泛應用，提高服務質(zhì)量。

2.4正交頻分多址技術(shù)

正交頻分多址（以下簡稱“OFDMA”）技術(shù)是在OFDM（正交頻分復用）技術(shù)長期發(fā)展基礎上形成的一種新型關(guān)鍵技術(shù)，主要采用大量的正交窄帶載波，以滿足數(shù)據(jù)承載的要求。在數(shù)據(jù)傳輸時，需要用戶選用具備良好信道條件的子信道，以保證傳輸質(zhì)量。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，一組用戶能夠同時接入多個信道。該項技術(shù)充分融合頻域和時域的多路訪問優(yōu)勢，可以有效對抗多徑效應，進一步提高系統(tǒng)頻譜效率。

在5G無線通信網(wǎng)絡中，OFDMA在無線接入網(wǎng)中十分常用。在應用過程中，通過合理配置子載波間隔，以及復用不同等級和時延的5G 業(yè)務，OFDMA技術(shù)可滿足多元化的業(yè)務需求，保證服務質(zhì)量。另外，OFDMA技術(shù)也能夠為多用戶MIMO（多進多出）技術(shù)的應用提供支持，同時為多個用戶提供服務，顯著提高頻譜效率。

2.5"MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)是5G無線通信網(wǎng)絡中的關(guān)鍵技術(shù)之一。其通過多根天線發(fā)送和接收信號，能夠有效提高系統(tǒng)容量和峰值速率，并減少能量損耗和傳輸時延。相較于4G通信網(wǎng)絡中的初級MIMO技術(shù)，5G無線通信網(wǎng)絡中的MIMO技術(shù)得到顯著增強，又稱大規(guī)模MIMO技術(shù)。

在實際應用過程中，5G 大規(guī)模MIMO 技術(shù)的天線數(shù)量可達到數(shù)十根乃至數(shù)百根，顯著提高了空間分辨率和信號處理能力。通過對天線的合理排布，大規(guī)模MIMO 技術(shù)能夠進行3D 波束成型，確保信號定向傳輸?shù)木_性，提高信道容量，擴大覆蓋范圍。另外，MIMO 技術(shù)具有空間復用和干擾抑制等功能，保證頻譜利用效率，能夠在有限的頻譜資源下承載更多的用戶和數(shù)據(jù)。

2.6云計算技術(shù)

雖然云計算技術(shù)并非5G 無線通信網(wǎng)絡的直接組成部分，但是相關(guān)技術(shù)在5G 無線通信網(wǎng)絡架構(gòu)、數(shù)據(jù)處理及業(yè)務應用方面發(fā)揮著重要作用，同樣是一項關(guān)鍵技術(shù)。云計算憑借其強大的計算能力，為通信網(wǎng)絡提供存儲資源，支持5G 無線通信網(wǎng)絡的高效運行和業(yè)務的快速布署。云計算通過虛擬化技術(shù)將計算資源、存儲數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡信息封裝成一個獨立的虛擬環(huán)境，為5G 無線通信網(wǎng)絡的資源管理提供支持。云平臺可以結(jié)合業(yè)務需求自動化調(diào)整資源規(guī)模，滿足資源動態(tài)擴展和收縮等要求。另外，云計算和5G 無線通信網(wǎng)絡的融合，能夠?qū)崿F(xiàn)云網(wǎng)協(xié)同、邊緣計算等功能，進一步推動5G 無線通信網(wǎng)絡的智能化發(fā)展。

在實際應用過程中，云計算技術(shù)的應用場景較多。例如，云計算能夠為5G 無線通信網(wǎng)絡切片提供支持，幫助運營商結(jié)合不同業(yè)務需求，靈活配置網(wǎng)絡資源，提高服務質(zhì)量；在5G 無線通信網(wǎng)絡中，云計算和邊緣計算的結(jié)合，能將部分計算任務、數(shù)據(jù)遷移至網(wǎng)絡邊緣，降低時延，提高響應速度。另外，云計算平臺能為5G 無線通信網(wǎng)絡提供強大的數(shù)據(jù)處理能力，支持海量數(shù)據(jù)的實時分析和處理，為業(yè)務決策提供依據(jù)。

3"5G無線通信網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)的應用場景

3.1車聯(lián)網(wǎng)及自動化駕駛

在車聯(lián)網(wǎng)及自動化駕駛領域，5G無線通信網(wǎng)絡的高速度、低延遲特性至關(guān)重要。通過OFDM技術(shù)，5G無線通信網(wǎng)絡能夠提供更高的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率，確保車輛間及車輛與基礎設施之間的大量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r、準確地傳輸。MIMO 技術(shù)則通過多天線陣列，提高信號覆蓋和傳輸質(zhì)量，提高車輛間通信的可靠性和穩(wěn)定性。此外，網(wǎng)絡切片技術(shù)為車聯(lián)網(wǎng)服務提供了定制化的網(wǎng)絡環(huán)境，確保自動駕駛系統(tǒng)對時延和可靠性的嚴苛要求得到滿足。通過SDN 和NFV 技術(shù)，網(wǎng)絡資源可以根據(jù)自動駕駛的不同需求進行靈活配置和優(yōu)化，提升整體系統(tǒng)的性能和效率。

3.2智慧城市

智慧城市的建設離不開5G無線通信網(wǎng)絡的全面支持。在智慧交通方面，5G無線通信網(wǎng)絡結(jié)合智能交通管理系統(tǒng)，通過實時數(shù)據(jù)傳輸和分析，優(yōu)化交通流量，減少擁堵和事故。SDN和NFV技術(shù)使得網(wǎng)絡能夠根據(jù)交通狀況動態(tài)調(diào)整資源分配，提高交通管理的智能化水平。在智慧安防領域，高清攝像頭等物聯(lián)網(wǎng)設備通過5G無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)實時監(jiān)控和智能分析，提高城市安全保障能力。同時，網(wǎng)絡切片技術(shù)為不同應用場景提供獨立的虛擬網(wǎng)絡，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.3遠程醫(yī)療

遠程醫(yī)療是5G 技術(shù)在醫(yī)療健康領域的重要應用之一。通過5G無線通信網(wǎng)絡，醫(yī)生可以遠程為患者進行高清視頻會診、實時數(shù)據(jù)傳輸及遠程手術(shù)指導。MIMO技術(shù)的高速率和低延遲特性確保了醫(yī)療數(shù)據(jù)的實時傳輸和精確性，為遠程醫(yī)療提供了可靠的技術(shù)支持。同時，網(wǎng)絡切片技術(shù)為遠程醫(yī)療提供定制化的網(wǎng)絡環(huán)境，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头召|(zhì)量。SDN和NFV 技術(shù)則使得醫(yī)療資源可以根據(jù)實際需求進行靈活配置和優(yōu)化，提高醫(yī)療服務的效率和覆蓋面。

3.4物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的廣泛布署和應用是5G 無線通信網(wǎng)絡的重要特征之一。通過5G無線通信網(wǎng)絡，物聯(lián)網(wǎng)設備可以實現(xiàn)大規(guī)模、低功耗的連接，構(gòu)建萬物互聯(lián)的智能生態(tài)系統(tǒng)。OFDM技術(shù)提高了頻譜利用效率，支持更多設備的接入和數(shù)據(jù)傳輸。MIMO技術(shù)則通過多天線陣列提高了信號覆蓋和傳輸質(zhì)量，提高了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，網(wǎng)絡切片技術(shù)為不同物聯(lián)網(wǎng)應用場景提供獨立的虛擬網(wǎng)絡，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头召|(zhì)量。

4結(jié)束語

通過對5G無線通信網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)應用的深入分析，文章揭示其在提升數(shù)據(jù)傳輸速率、降低時延等方面的應用優(yōu)勢，以及在多個領域的廣泛應用前景。5G無線通信網(wǎng)絡作為新一代無線通信技術(shù)的代表，已成為推動信息社會發(fā)展的重要力量。但是在5G無線通信網(wǎng)絡高速發(fā)展的過程中，同樣面臨著諸多挑戰(zhàn)，如網(wǎng)絡安全、頻譜資源分配等問題。未來發(fā)展階段，仍需要進一步加強技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，推動5G 無線通信網(wǎng)絡的不斷完善，以更好地適應信息社會的變化，滿足多元化需求。