5G 無線通信系統(tǒng)標準化設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

陳 遠，杜駿彪，喬歡慶

（1.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州山脈通信有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，人們對于無線通信系統(tǒng)的需求越來越高。為了滿足這一需求，5G 無線通信系統(tǒng)應運而生。5G 無線通信系統(tǒng)是一種新型的無線通信系統(tǒng)，它具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲以及更高的可靠性。為了實現(xiàn)5G 無線通信系統(tǒng)標準化設(shè)計，需要對其進行深入探究，為后續(xù)發(fā)展提供有力的支持[1]。

1 5G 無線通信系統(tǒng)標準化設(shè)計

1.1 5G 無線通信系統(tǒng)標準化的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1.1 現(xiàn) 狀

目前，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）已經(jīng)發(fā)布了5G 新空口（New Radio，NR）標準，包括非獨立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）和獨立組網(wǎng)（Standalone，SA）2 種模式。國際電聯(lián)無線電通信部門（International Telecommunication Union Radiocommunication Sector，ITU-R）已經(jīng)制定了5G 的技術(shù)要求和頻譜規(guī)劃。

1.1.2 發(fā)展趨勢

5G 標準化將繼續(xù)向前推進，包括更多的技術(shù)細節(jié)和應用場景的標準化。5G 將會在更多的領(lǐng)域得到應用，如智能交通、智能制造及智慧城市等。此外，5G 將會與其他技術(shù)相結(jié)合，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等，支撐更加強大的應用場景。5G 標準化將會越來越注重全球統(tǒng)一標準，以便更好地實現(xiàn)全球互聯(lián)互通。

1.2 5G 無線通信系統(tǒng)標準化的主要內(nèi)容和流程

1.2.1 主要內(nèi)容

（1）頻譜。5G 無線通信系統(tǒng)需要使用更高的頻段，因此需要制定新的頻譜規(guī)劃和管理標準。

（2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。5G 無線通信系統(tǒng)需要支持更多的設(shè)備和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此需要制定新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標準。

（3）安全性。5G 無線通信系統(tǒng)需要更高的安全性保障，因此需要制定新的安全性標準。

（4）設(shè)備互操作性。5G 無線通信系統(tǒng)需要支持不同廠商的設(shè)備之間的互操作性，因此需要制定新的設(shè)備互操作性標準。

（5）服務質(zhì)量。5G 無線通信系統(tǒng)需要支持更高的服務質(zhì)量，因此需要制定新的服務質(zhì)量標準。

1.2.2 標準化流程

5G 無線通信系統(tǒng)標準化的流程包括需求分析、技術(shù)研究、標準制定、標準發(fā)布以及標準推廣。需求分析包括技術(shù)需求、市場需求以及用戶需求。技術(shù)研究包括頻譜、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全性、設(shè)備互操作性以及服務質(zhì)量等方面的研究。標準制定包括頻譜規(guī)劃和管理、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全性、設(shè)備互操作性以及服務質(zhì)量等標準。由相關(guān)組織和機構(gòu)發(fā)布標準，通過標準推廣促進5G 無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，提高其應用水平。

1.3 5G 無線通信系統(tǒng)標準化的挑戰(zhàn)和解決方案

1.3.1 挑 戰(zhàn)

首先，頻譜資源的有限性是制約5G 發(fā)展的瓶頸，如何合理分配和利用頻譜資源是一個重要的問題。其次，5G 網(wǎng)絡(luò)需要支持多種不同的應用場景和服務，導致網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得更加復雜，如何提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴展性也是一個挑戰(zhàn)。再次，5G 網(wǎng)絡(luò)將連接更多的設(shè)備、承載更多的數(shù)據(jù)，如何保證網(wǎng)絡(luò)的安全性和隱私保護也是一個重要的問題。從次，為了保證不同廠商的設(shè)備和服務能夠互相兼容，5G 網(wǎng)絡(luò)需要統(tǒng)一的標準。最后，5G 網(wǎng)絡(luò)需要更多的技術(shù)支持，如多輸入多輸出（Multiple In Multiple Out，MIMO）、波束成形（Beamforming）等，如何控制技術(shù)成本也是一個重要的問題[2]。

1.3.2 解決方案

采用更高效的頻譜利用技術(shù)，如動態(tài)頻譜共享、毫米波等技術(shù)，同時加強頻譜管理和分配。利用虛擬化技術(shù)、云化技術(shù)等實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴展性，同時可以采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)來實現(xiàn)不同應用場景的定制化服務。使用加密技術(shù)、認證技術(shù)等保證網(wǎng)絡(luò)的安全性和隱私，加強網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管。加強標準化組織的協(xié)調(diào)和合作，采用開放式標準化模式，鼓勵不同廠商的設(shè)備和服務互相兼容。采用集成電路技術(shù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來降低技術(shù)成本，推動產(chǎn)業(yè)鏈的合作協(xié)調(diào)。

2 5G 無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物理層技術(shù)

2.1.1 大規(guī)模天線陣列技術(shù)

利用多個天線進行信號傳輸和接收，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率，擴大覆蓋范圍。大規(guī)模天線陣列技術(shù)可以實現(xiàn)波束成形，將信號聚焦在特定方向上，從而提高信號的傳輸效率和抗干擾能力。此外，大規(guī)模天線陣列技術(shù)可以實現(xiàn)空間復用，即在同一頻段上同時傳輸多個用戶的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的頻譜效率。

2.1.2 毫米波通信技術(shù)

毫米波通信技術(shù)利用高頻率的電磁波進行通信，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率和容量。此外，毫米波通信技術(shù)可以利用更寬的頻帶進行數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)的頻譜效率。

2.1.3 多用戶MIMO 技術(shù)

利用多個天線同時傳輸多個用戶的數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)的頻譜效率和容量。多用戶MIMO 技術(shù)可以利用空時編碼對多個用戶的數(shù)據(jù)進行編碼，在同一頻段上進行傳輸[3]。

2.2 5G 無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)

2.2.1 SDN 技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-defined Networking，SDN）將網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離，通過集中控制器對網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一管理和控制。在5G 無線通信系統(tǒng)中，SDN 技術(shù)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)分配和優(yōu)化，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性、擴展性、安全性以及可靠性。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片是一種將網(wǎng)絡(luò)資源劃分為多個獨立、可定制的虛擬網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。5G 無線通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以根據(jù)不同的業(yè)務需求和服務質(zhì)量要求，為不同的用戶提供個性化的網(wǎng)絡(luò)服務。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用和靈活配置，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率和用戶體驗。

2.2.3 蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)融合技術(shù)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)是2 種不同的無線通信技術(shù)，它們在覆蓋范圍、傳輸速率、服務質(zhì)量等方面存在差異。在5G 無線通信系統(tǒng)中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)融合技術(shù)可以將2 種技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)無縫切換和資源共享，提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和傳輸速率，同時提高服務質(zhì)量和用戶體驗。

2.3 5G 無線通信系統(tǒng)的安全技術(shù)

2.3.1 身份認證和密鑰管理技術(shù)

（1）用戶身份認證技術(shù)。通過用戶身份認證技術(shù)，可以確保通信雙方的身份真實可信。5G 無線通信系統(tǒng)中，用戶身份認證技術(shù)主要采用基于證書的認證方式，即通過數(shù)字證書來驗證用戶的身份。

（2）密鑰管理技術(shù)。密鑰管理技術(shù)是保障通信過程中數(shù)據(jù)傳輸安全的關(guān)鍵。5G 無線通信系統(tǒng)中，密鑰管理技術(shù)主要采用基于公鑰密碼學的方式，即通過公鑰加密和私鑰解密的方式確保通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

（3）安全密鑰協(xié)商技術(shù)。安全密鑰協(xié)商技術(shù)是在通信過程中動態(tài)生成密鑰，確保通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?G 無線通信系統(tǒng)中，安全密鑰協(xié)商技術(shù)主要采用Diffie-Hellman 密鑰交換協(xié)議，即通過交換公鑰生成會話密鑰，確保通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩玔4]。

2.3.2 加密和解密技術(shù)

（1）對稱加密技術(shù)。對稱加密技術(shù)指在通信過程中，發(fā)送方和接收方使用相同的密鑰進行加密和解密。5G 無線通信系統(tǒng)中，對稱加密技術(shù)主要采用高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）算法，確保通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

（2）非對稱加密技術(shù)。對稱加密技術(shù)指在通信過程中，通信雙方使用不同的密鑰進行加密和解密，這些密鑰被稱為公鑰和私鑰。公鑰用于加密數(shù)據(jù)，而私鑰用于解密數(shù)據(jù)。這種加密方式比傳統(tǒng)的對稱加密更安全，即使攻擊者獲得了公鑰，也無法輕易地解密數(shù)據(jù)。5G 無線通信系統(tǒng)中，非對稱加密技術(shù)主要采用RSA 算法來確保通信過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

2.3.3 安全通信協(xié)議技術(shù)

5G 無線通信系統(tǒng)需要采用安全通信協(xié)議來保護通信內(nèi)容的完整性和可靠性，常用的安全通信協(xié)議包括安全傳輸層（Transport Layer Security，TLS）協(xié)議、互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議（Internet Protocol Security，IPSec）、安全外殼（Secure Shell，SSH）協(xié)議等。這些協(xié)議可以確保通信的安全性，通過加密、認證以及完整性保護等方式對數(shù)據(jù)進行保護。同時，5G 無線通信系統(tǒng)需要采用安全的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和防火墻技術(shù)來保護網(wǎng)絡(luò)安全。

3 實踐應用

3.1 智能交通

在智能交通領(lǐng)域，5G 無線通信系統(tǒng)可以提供更高的帶寬和更低的延遲，從而實現(xiàn)更可靠的車聯(lián)網(wǎng)通信，提高交通安全性和交通效率。5G 無線通信系統(tǒng)還可以支持更多的車輛同時連接，提供更高的網(wǎng)絡(luò)容量，實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。智能交通領(lǐng)域的5G 無線通信系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 智能交通領(lǐng)域的5G 無線通信系統(tǒng)

3.2 智能制造

在智能制造領(lǐng)域，5G 無線通信系統(tǒng)可以提供更快的網(wǎng)速和更低的延遲，從而實現(xiàn)更快速、更可靠的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時，5G 無線通信系統(tǒng)可以支持更多的設(shè)備同時連接，為智能化生產(chǎn)提供有力支撐。

3.3 智慧城市

在智慧城市領(lǐng)域，5G 無線通信系統(tǒng)可以提供更快的網(wǎng)速和更低的延遲，這將使得城市之間的通信更加智能化，從而提高城市管理效率和居民生活質(zhì)量，為人們的生活帶來極大便利[5]。

4 結(jié) 論

通過對5G 無線通信系統(tǒng)的標準化設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)進行深入探析，提出了一些有價值的思考和建議。未來，需要進一步加強5G無線通信系統(tǒng)的標準化設(shè)計，以推動5G 無線通信技術(shù)的發(fā)展和應用，為社會的發(fā)展和進步做出更大的貢獻。