5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用

陳亞東

（公誠管理咨詢有限公司，廣東 廣州 510610）

1 5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基本理論分析

5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的推出必將突破未來網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)體系架構(gòu)，助力我國通信事業(yè)的發(fā)展。在明確了5G技術(shù)的應(yīng)用場景與技術(shù)發(fā)展?jié)摿Φ幕A(chǔ)上，對新時代移動通信系統(tǒng)的未來布局進(jìn)行有效構(gòu)建。

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的基本技術(shù)參數(shù)

全球IMT-2020（5G）推進(jìn)組在2014年正式頒布了有關(guān)5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的《5G愿景與需求白皮書》，書中提出了與5G技術(shù)相關(guān)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。分析實(shí)際調(diào)查結(jié)果得出結(jié)論，5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用戶的體驗(yàn)速率相對良好，可以獲得最佳的網(wǎng)絡(luò)連接方式與傳輸速率。關(guān)于連接數(shù)密度層面，5G網(wǎng)絡(luò)則可在相對真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為用戶提供單位面積范圍內(nèi)最大的在線設(shè)備支持，相比于4G技術(shù)可提高7倍以上。此外，5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的端對端時延相對較短，可從數(shù)據(jù)包到源節(jié)點(diǎn)建立傳輸通道，保證數(shù)據(jù)內(nèi)容最終傳遞到達(dá)目的地節(jié)點(diǎn)位置，明顯縮短了數(shù)據(jù)的傳輸與接收時間。5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的技術(shù)參數(shù)相比于4G優(yōu)化較大，特別是在移動性參數(shù)，滿足了更高的通信性能要求，確保信息收發(fā)雙方都能以相對最大速度實(shí)現(xiàn)單位面積區(qū)域內(nèi)的總流量成倍增長。這些技術(shù)內(nèi)容都已經(jīng)被寫入到《5G愿景與需求白皮書》，實(shí)現(xiàn)了對5G網(wǎng)絡(luò)通信場景與關(guān)鍵能效標(biāo)準(zhǔn)的有效定位。5G技術(shù)連接廣域覆蓋場景更大、速率更高。根據(jù)用戶體驗(yàn)速率反饋，最高可達(dá)到100 Mb/s及以上。5G技術(shù)的熱點(diǎn)高流量場景也相對較多，能夠時刻保證用戶擁有1 Gb/s以上的體驗(yàn)速率，峰值速率更能達(dá)到20 Mb/s以上，流量密度則在50 Tb·s-1·m-2。5G技術(shù)可在相對能耗損失較大的網(wǎng)絡(luò)連接場景下工作，5G連接數(shù)密度也會達(dá)到4G的數(shù)百倍以上，可為未來用戶帶來更大的網(wǎng)絡(luò)資源收益。

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸需求

目前，國內(nèi)外比較普遍應(yīng)用的依然是4G技術(shù)，5G技術(shù)尚處于規(guī)劃發(fā)展階段。但5G技術(shù)中設(shè)計了與4G技術(shù)的移動通信連接功能，可滿足兩種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)動。分析目前的各國電信運(yùn)營商運(yùn)營狀況發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)4G技術(shù)主要通過同步數(shù)字體系發(fā)展網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制內(nèi)容，被稱為“煙囪式”的縱向網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，嚴(yán)格意義上它的通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸擴(kuò)展性與開放性都有待商榷，直接導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)困難與成本提高，且數(shù)據(jù)傳輸周期相當(dāng)長。為了有效適應(yīng)5G技術(shù)對傳輸網(wǎng)絡(luò)策略的通道建設(shè)優(yōu)化要求和高流量、高密度、高連接數(shù)、高移動性服務(wù)要求，全面升級采用光纖技術(shù)已經(jīng)勢在必行。光纖的出現(xiàn)也解決了傳統(tǒng)4G傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號質(zhì)量下降、傳輸數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備界限模糊的問題，它所提供的扁平化網(wǎng)絡(luò)層次在橫向發(fā)展5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面效果良好，與現(xiàn)有國家電信傳輸網(wǎng)絡(luò)形成較好的技術(shù)搭配，對5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的未來應(yīng)用與推廣非常有利[1]。

2 5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的拓展關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析

我國的IMT-2020（5G）推進(jìn)組目前已經(jīng)為5G主要部署場景進(jìn)行了官方界定，即連接廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗、大連接、低時延及高可靠性的新型通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是不同于傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的，它已經(jīng)達(dá)到了互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)相互深度融合發(fā)展的高度，甚至能將人與萬物互聯(lián)，其所提供的用戶個性化與智能化服務(wù)內(nèi)容更是非常豐富。為了擴(kuò)大5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的影響力，還需要建設(shè)核心網(wǎng)、骨干傳輸鏈路，并相應(yīng)擴(kuò)大容量，不斷提升無線接入網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，力爭從通信頻帶擴(kuò)展、頻率效率提升方面實(shí)現(xiàn)小區(qū)部署加密與空間復(fù)用條件優(yōu)化，滿足移動業(yè)務(wù)的發(fā)展需求[2]。

2.1 全雙工通信技術(shù)的應(yīng)用與所面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)

為了提升5G網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)容量與無線頻譜資源的有效利用率，可采用的5G拓展技術(shù)包括最新型的全雙工通信技術(shù)和以小區(qū)加密部署為基準(zhǔn)的Femtocell技術(shù)。兩種關(guān)鍵技術(shù)的加入可滿足5G移動通信的技術(shù)升級需求，也能同時實(shí)現(xiàn)對無線通信技術(shù)的有效優(yōu)化。

2.1.1 全雙工通信技術(shù)的應(yīng)用分析

全雙工技術(shù)所建設(shè)的無線通信系統(tǒng)環(huán)境相對復(fù)雜，不同于傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)環(huán)境的單一網(wǎng)絡(luò)格局設(shè)計，其所設(shè)計的是更加復(fù)雜的時分雙工模式（TDD）與頻分雙工模式（FDD）。TDD模式主要利用存在于同一載波頻率上的不同時隙進(jìn)行信號發(fā)射與接收，而發(fā)射與接收信號之間要預(yù)留出一定空白時間，此時就需要利用FDD模式對兩個相對獨(dú)立的信道進(jìn)行分析，結(jié)合空白空間分析發(fā)射信號與接收信號情況。二者構(gòu)建了半雙工通信模式，這是因?yàn)閮煞N雙工模式無法實(shí)現(xiàn)相互兼容，所以至少有50%左右的無線通信資源被浪費(fèi)。

相比之下，全雙工通信模式則實(shí)現(xiàn)了對5G網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)資源的信息傳輸，在理論上其所處理的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)可達(dá)到半雙工模式的兩倍甚至更多。它所建立的是MAC協(xié)議可提高通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并改善隱蔽終端相關(guān)問題，對增加無線網(wǎng)絡(luò)用戶的公平性十分有利。而且全雙工系統(tǒng)還可支持半雙工模式，可實(shí)現(xiàn)在不同頻段上對上下行信息的有效傳輸，實(shí)現(xiàn)對頻譜資源的靈活利用與深入挖掘。此外，全雙工模式所提供的信息交互保密性更高。竊聽者如果想監(jiān)聽5G通信網(wǎng)絡(luò)信號，只能監(jiān)聽到兩個合法用戶的信號疊加。這使得竊聽者成功破解5G通信網(wǎng)絡(luò)中密鑰的概率大大降低，有效提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。

目前，全雙工通信技術(shù)已經(jīng)成為了5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)體系的最關(guān)鍵技術(shù)，特別是它的全雙工自干擾消除技術(shù)更提高了用戶網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。該技術(shù)能夠?qū)ｉT針對天線域與模擬信道進(jìn)行自干擾抑制。以天線域自干擾抑制為例，當(dāng)信號發(fā)射與接收共用相同天線時，天線域的自干擾抑制主要依賴同頻收發(fā)隔離器件。當(dāng)前所采用的基于交叉極化的天線域自干擾抑制技術(shù)能確保收發(fā)天線之間的隔離度達(dá)到至少40 dB。

2.1.2 全雙工通信技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)

目前，隨著5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的深入研發(fā)、規(guī)劃與初步推廣，各國開始圍繞全雙工通信技術(shù)建立基站，以滿足該技術(shù)的上下行鏈路全雙工數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制運(yùn)行要求，實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用調(diào)整優(yōu)化。但實(shí)際上基站的建設(shè)需要基于自干擾消除方面滿足技術(shù)應(yīng)用高要求。例如，基站建設(shè)本身就需要擁有至少100 dB的自干擾消除能力，而像宏基站這樣的大型基站更需要超過130～150 dB的自干擾消除能力。這一高技術(shù)要求為全雙工通信技術(shù)體系的構(gòu)建與實(shí)踐應(yīng)用帶來了一定挑戰(zhàn)，其存在的信號數(shù)據(jù)收發(fā)互相干擾、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)微基站與宏基站中的收發(fā)信號相互干擾也必須加以解決。

2.2 Femtocell技術(shù)的應(yīng)用與所面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)

2.2.1 Femtocell技術(shù)的應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中還包含了Femtocell技術(shù)。這是為了有效提高網(wǎng)絡(luò)通信單位面積中的信息數(shù)據(jù)吞吐量，即引入Femtocell小區(qū)與宏小區(qū)共同形成全新的異構(gòu)組無線網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)，形成新網(wǎng)絡(luò)通信研究熱點(diǎn)。

目前，F(xiàn)emtocell技術(shù)的應(yīng)用場景主要在室內(nèi)，可解決建筑室內(nèi)信號覆蓋較弱的問題，適應(yīng)未來無線通信業(yè)務(wù)的海量爆炸式增粘需求，確保5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)逐漸實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。新Femtocell技術(shù)構(gòu)建覆蓋范圍小而精細(xì)、低功率的無線接入點(diǎn)，以滿足家庭無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境需要；構(gòu)建室內(nèi)移動用戶的高效率、高頻度及高速度移動服務(wù)體系，以完善城市網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)體系。一般，一個簡單的Femtocell架構(gòu)可覆蓋100～300 m2的室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)，同時還可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的有效分流，合理分配宏基站的無線網(wǎng)絡(luò)通信工作負(fù)擔(dān)。

Femtocell具有覆蓋距離短、容量小及發(fā)送功率小等特點(diǎn)，可在相同覆蓋范圍內(nèi)為更多的基站進(jìn)行服務(wù)，解決傳統(tǒng)站址資源稀缺的問題。此外，F(xiàn)emtocell基站建設(shè)對站址的要求非常低，站內(nèi)技術(shù)內(nèi)容也比宏基站更豐富，可在未來城市5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用推廣中起到關(guān)鍵作用[3]。

2.2.2 Femtocell技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)

目前，F(xiàn)emtocell技術(shù)面臨著極大發(fā)展挑戰(zhàn)，即不能很好地適用于成片組網(wǎng)體系。例如，以Femtocell技術(shù)為基礎(chǔ)的最簡宏基站在覆蓋方面就存在現(xiàn)實(shí)缺陷，必須對宏基站的覆蓋數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整才可實(shí)現(xiàn)基站正常運(yùn)轉(zhuǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用中，隨著移動服務(wù)工作頻率的不斷提高、基站服務(wù)覆蓋范圍的全面縮小，在相同覆蓋范圍中需要Femtocell技術(shù)提供更多基站服務(wù)技術(shù)輔助。只有Femtocell技術(shù)不斷優(yōu)化調(diào)整，才能解決傳統(tǒng)站址資源嚴(yán)重稀缺的問題，才能滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號正常傳輸需求。

Femtocell技術(shù)雖然能提高5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的頻譜效率，提升宏基站的信號覆蓋區(qū)域、覆蓋質(zhì)量及覆蓋深度，但在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組合中卻面臨數(shù)據(jù)信號干擾問題，即在干擾背景下可發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)能效偏低。因此，該技術(shù)還應(yīng)該配合全雙工網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)共同解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的諸多干擾問題，特別是降低宏基站對Femtocell區(qū)域的信號傳輸影響作用，間接提升5G網(wǎng)絡(luò)通信的整體性能與服務(wù)價值。

3 結(jié) 論

5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是未來全球通信技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢，所以需深入研究新技術(shù)內(nèi)容，提前深入了解5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)體系，以實(shí)現(xiàn)4G技術(shù)應(yīng)用體系到5G技術(shù)應(yīng)用體系的完美過渡。