5G網絡通信技術的應用

陳亞東

（公誠管理咨詢有限公司，廣東 廣州 510610）

1 5G網絡通信技術的基本理論分析

5G網絡通信技術的推出必將突破未來網絡核心技術體系架構，助力我國通信事業的發展。在明確了5G技術的應用場景與技術發展潛力的基礎上，對新時代移動通信系統的未來布局進行有效構建。

1.1 5G網絡通信技術的基本技術參數

全球IMT-2020（5G）推進組在2014年正式頒布了有關5G通信網絡技術的《5G愿景與需求白皮書》，書中提出了與5G技術相關的關鍵性能指標。分析實際調查結果得出結論，5G通信網絡環境中用戶的體驗速率相對良好，可以獲得最佳的網絡連接方式與傳輸速率。關于連接數密度層面，5G網絡則可在相對真實的網絡環境中為用戶提供單位面積范圍內最大的在線設備支持，相比于4G技術可提高7倍以上。此外，5G網絡通信技術的端對端時延相對較短，可從數據包到源節點建立傳輸通道，保證數據內容最終傳遞到達目的地節點位置，明顯縮短了數據的傳輸與接收時間。5G網絡通信技術的技術參數相比于4G優化較大，特別是在移動性參數，滿足了更高的通信性能要求，確保信息收發雙方都能以相對最大速度實現單位面積區域內的總流量成倍增長。這些技術內容都已經被寫入到《5G愿景與需求白皮書》，實現了對5G網絡通信場景與關鍵能效標準的有效定位。5G技術連接廣域覆蓋場景更大、速率更高。根據用戶體驗速率反饋，最高可達到100 Mb/s及以上。5G技術的熱點高流量場景也相對較多，能夠時刻保證用戶擁有1 Gb/s以上的體驗速率，峰值速率更能達到20 Mb/s以上，流量密度則在50 Tb·s-1·m-2。5G技術可在相對能耗損失較大的網絡連接場景下工作，5G連接數密度也會達到4G的數百倍以上，可為未來用戶帶來更大的網絡資源收益。

1.2 5G網絡通信技術的數據傳輸需求

目前，國內外比較普遍應用的依然是4G技術，5G技術尚處于規劃發展階段。但5G技術中設計了與4G技術的移動通信連接功能，可滿足兩種網絡通信技術的數據傳輸聯動。分析目前的各國電信運營商運營狀況發現，傳統4G技術主要通過同步數字體系發展網絡通信機制內容，被稱為“煙囪式”的縱向網絡架構，嚴格意義上它的通信技術數據傳輸擴展性與開放性都有待商榷，直接導致了網絡通信數據傳輸的技術困難與成本提高，且數據傳輸周期相當長。為了有效適應5G技術對傳輸網絡策略的通道建設優化要求和高流量、高密度、高連接數、高移動性服務要求，全面升級采用光纖技術已經勢在必行。光纖的出現也解決了傳統4G傳輸網絡數據信號質量下降、傳輸數據網絡與設備界限模糊的問題，它所提供的扁平化網絡層次在橫向發展5G網絡架構方面效果良好，與現有國家電信傳輸網絡形成較好的技術搭配，對5G網絡通信技術的未來應用與推廣非常有利[1]。

2 5G網絡通信技術的拓展關鍵技術應用分析

我國的IMT-2020（5G）推進組目前已經為5G主要部署場景進行了官方界定，即連接廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗、大連接、低時延及高可靠性的新型通信網絡技術。5G網絡技術是不同于傳統移動網絡技術的，它已經達到了互聯網與物聯網相互深度融合發展的高度，甚至能將人與萬物互聯，其所提供的用戶個性化與智能化服務內容更是非常豐富。為了擴大5G網絡通信技術的影響力，還需要建設核心網、骨干傳輸鏈路，并相應擴大容量，不斷提升無線接入網絡的吞吐量，力爭從通信頻帶擴展、頻率效率提升方面實現小區部署加密與空間復用條件優化，滿足移動業務的發展需求[2]。

2.1 全雙工通信技術的應用與所面臨的現實挑戰

為了提升5G網絡通信系統容量與無線頻譜資源的有效利用率，可采用的5G拓展技術包括最新型的全雙工通信技術和以小區加密部署為基準的Femtocell技術。兩種關鍵技術的加入可滿足5G移動通信的技術升級需求，也能同時實現對無線通信技術的有效優化。

2.1.1 全雙工通信技術的應用分析

全雙工技術所建設的無線通信系統環境相對復雜，不同于傳統移動通信系統環境的單一網絡格局設計，其所設計的是更加復雜的時分雙工模式（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行信號發射與接收，而發射與接收信號之間要預留出一定空白時間，此時就需要利用FDD模式對兩個相對獨立的信道進行分析，結合空白空間分析發射信號與接收信號情況。二者構建了半雙工通信模式，這是因為兩種雙工模式無法實現相互兼容，所以至少有50%左右的無線通信資源被浪費。

相比之下，全雙工通信模式則實現了對5G網絡通信系統中所有數據資源的信息傳輸，在理論上其所處理的網絡通信數據可達到半雙工模式的兩倍甚至更多。它所建立的是MAC協議可提高通信網絡吞吐量，并改善隱蔽終端相關問題，對增加無線網絡用戶的公平性十分有利。而且全雙工系統還可支持半雙工模式，可實現在不同頻段上對上下行信息的有效傳輸，實現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。竊聽者如果想監聽5G通信網絡信號，只能監聽到兩個合法用戶的信號疊加。這使得竊聽者成功破解5G通信網絡中密鑰的概率大大降低，有效提高了網絡安全性。

目前，全雙工通信技術已經成為了5G網絡通信技術體系的最關鍵技術，特別是它的全雙工自干擾消除技術更提高了用戶網絡通信質量。該技術能夠專門針對天線域與模擬信道進行自干擾抑制。以天線域自干擾抑制為例，當信號發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隔離器件。當前所采用的基于交叉極化的天線域自干擾抑制技術能確保收發天線之間的隔離度達到至少40 dB。

2.1.2 全雙工通信技術所面臨的挑戰

目前，隨著5G網絡通信技術的深入研發、規劃與初步推廣，各國開始圍繞全雙工通信技術建立基站，以滿足該技術的上下行鏈路全雙工數據傳輸機制運行要求，實現技術應用調整優化。但實際上基站的建設需要基于自干擾消除方面滿足技術應用高要求。例如，基站建設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。這一高技術要求為全雙工通信技術體系的構建與實踐應用帶來了一定挑戰，其存在的信號數據收發互相干擾、異構網絡微基站與宏基站中的收發信號相互干擾也必須加以解決。

2.2 Femtocell技術的應用與所面臨的現實挑戰

2.2.1 Femtocell技術的應用

5G網絡通信技術中還包含了Femtocell技術。這是為了有效提高網絡通信單位面積中的信息數據吞吐量，即引入Femtocell小區與宏小區共同形成全新的異構組無線網絡部署結構，形成新網絡通信研究熱點。

目前，Femtocell技術的應用場景主要在室內，可解決建筑室內信號覆蓋較弱的問題，適應未來無線通信業務的海量爆炸式增粘需求，確保5G網絡通信技術逐漸實現標準化發展。新Femtocell技術構建覆蓋范圍小而精細、低功率的無線接入點，以滿足家庭無線網絡環境需要；構建室內移動用戶的高效率、高頻度及高速度移動服務體系，以完善城市網絡通信技術體系。一般，一個簡單的Femtocell架構可覆蓋100～300 m2的室內無線網絡，同時還可實現室內移動數據業務的有效分流，合理分配宏基站的無線網絡通信工作負擔。

Femtocell具有覆蓋距離短、容量小及發送功率小等特點，可在相同覆蓋范圍內為更多的基站進行服務，解決傳統站址資源稀缺的問題。此外，Femtocell基站建設對站址的要求非常低，站內技術內容也比宏基站更豐富，可在未來城市5G網絡通信技術應用推廣中起到關鍵作用[3]。

2.2.2 Femtocell技術所面臨的挑戰

目前，Femtocell技術面臨著極大發展挑戰，即不能很好地適用于成片組網體系。例如，以Femtocell技術為基礎的最簡宏基站在覆蓋方面就存在現實缺陷，必須對宏基站的覆蓋數據參數進行調整才可實現基站正常運轉。5G網絡通信技術應用中，隨著移動服務工作頻率的不斷提高、基站服務覆蓋范圍的全面縮小，在相同覆蓋范圍中需要Femtocell技術提供更多基站服務技術輔助。只有Femtocell技術不斷優化調整，才能解決傳統站址資源嚴重稀缺的問題，才能滿足網絡數據信號正常傳輸需求。

Femtocell技術雖然能提高5G網絡通信技術的頻譜效率，提升宏基站的信號覆蓋區域、覆蓋質量及覆蓋深度，但在異構網絡組合中卻面臨數據信號干擾問題，即在干擾背景下可發揮網絡能效偏低。因此，該技術還應該配合全雙工網絡通信技術共同解決異構網絡中的諸多干擾問題，特別是降低宏基站對Femtocell區域的信號傳輸影響作用，間接提升5G網絡通信的整體性能與服務價值。

3 結 論

5G網絡通信技術是未來全球通信技術領域發展的趨勢，所以需深入研究新技術內容，提前深入了解5G網絡通信技術體系，以實現4G技術應用體系到5G技術應用體系的完美過渡。