面向5G無線通信系統的關鍵技術分析研究

摘要：我國自2019年開通5G無線通信服務以來，經過兩年的發展，正式進入5G無線通信時代。5G無線通信服務實現主要依托于5G無線通信系統的構建。在此系統構建過程中，應用到多種先進性、高效性、節能型的關鍵技術，在這些技術支撐下，無線通信系統信息傳輸效率得以大幅增長。為增強5G無線通信系統應用廣泛性，文章基于5G無線通信系統發展現狀，分析介紹了5G無線通信系統的網絡結構，并在此基礎上探尋了面向5G無線通信系統的關鍵技術，旨在增強人們對5G無線通信系統及其關鍵技術的了解，進而推動5G無線通信系統的快速發展。

關鍵詞：5G無線通信系統；無線通信網絡；關鍵技術

一、引言

互聯網時代，信息技術與移動通信技術不斷創新優化，推動了我國移動通信網絡發展。5G無線通信系統是在5G通信技術基礎上誕生的新型通信網絡，打破了傳統宏基站模式，深度融合了多種無線通信資源及技術，使數據傳輸更加高效并且運行能耗更低，且通信服務更加多元化。5G無線通信系統功能實現，要依賴于多種關鍵技術，因而技術人員應對面向5G無線通信系統的關鍵技術有詳細了解，并結合5G通信的系統架構進行深入分析，以此增強系統運行的穩定性與安全性，實現通信服務質量有效提升的目標。

二、5G無線通信系統發展分析

通信技術是當今時代人們生活不可或缺的重要技術。無線移動通信誕生，彌補傳統固定電話通信范圍過窄、通信速度較慢的弊端，極大豐富了人類通信體驗。無線通信系統最早誕生于20世紀80年代中期，應用模擬通信技術，可將頻率介于300Hz-3400Hz之間的語間信號轉換成高頻載波，進行遠距離通信。因存在串號或盜號問題，以模擬調制為基礎的1G系統逐漸被數字調制模式的2G系統所取代。但因網速僅能達到每秒鐘9.6KB，因而逐漸過渡為利用CDMA技術的3G無線通信系統，此系統的峰值速率可達到每秒鐘384kbit，而后結合應用了TD-LTE與FDD-LTE制式的4G無線系統取代的了3G系統，此系統每秒鐘的峰值速率可達到100Mbps。在不足30年的時間里，無線通信技術由1G發展至4G。由于互聯網快速普及應用，網絡用戶量快速增長，網絡傳送數據體量越來越龐大，并且數據種類不斷增多。為滿足社會發展需求，5G無線通信網絡系統應運而生。與4G系統相比，5G系統應用的是超密集小區體系結構，其資源利用率比4G系統提升了10倍，系統數據吞吐量是4G系統的50-100倍。并且在毫米波技術支持下，5G系統的頻率資源擴增了4倍以上，5G系統的峰值速度可高達每秒鐘10Gbps。5G技術的關鍵性能詳見表1所示。

三、5G無線移動通信網絡結構

（一）異構無線通信網絡

5G無線通信系統為滿足多元化需求，融合應用了多種技術及業務，以小小區、微小區、宏小區等異構密集分布的多種網絡節點實現5G信號有效覆蓋。此種分布方式既促進了5G系統網絡吞吐量提升，也使多元化無線通信需求得到了滿足，并且無線通信系統負載也可實現有效轉移。現階段，針對5G無線通信系統所構建的異構無線通信網絡主要涵蓋兩種網絡架構，一是小小區異構網絡，二是D2D異構網絡。前者是以小但精密的基站為基礎重新部署已構建完成的宏蜂窩網絡，以使整個網絡數據容量得到提升，進而優化通信服務水平。后者則是改變蜂窩網絡相關移動裝置的安裝位置，進而增強鏈路的數據信號傳送能力，以有效預防與化解局部地區的突發性通信問題。

（二）大規模MIMO技術通信網絡

雖然異構無線網絡架構的應用優化了5G無線通信系統網絡性能，然而應用時可能會影響其他小小區、D2D或宏蜂窩用戶的正常通信，會導致整個系統的通信水平下降。為此，技術人員運用大規格MIMO技術設計了一種可使系統通信頻譜效率有所提升的大規模MIMO技術通信網絡，此種輸入與輸出通道更多的通信技術可提升5G無線通信網絡系統的發射功率，也可增大帶寬，能夠基于此技術的靈活性為技術應用空間拓展提供支持，且可使無線蜂窩通信系統的性能得到優化，并擴大系統覆蓋范圍，增大頻率利用率，促進5G無線通信技術的優化與創新。應用實踐中，5G無線通信系統之中設置若干個基站端、天線，或是通過多達幾百個的天線集中布設構建而成大規模天線矩陣，或是將之分散布置在小區范圍之內，從而為多個用戶提供通信服務。此種配置方式應用，可增強平均通信系統信道衰落的均衡性，也可平衡熱噪聲，并且應用正交性信道方式后，系統信道的容量會有所擴大，且用戶通信之間的相互干擾可得到有效消除，如此，可在用戶通信服務需求滿足的基礎上提升用戶滿意度。

四、面向5G無線通信系統的關鍵技術分析

5G無線通信系統構建，實現了多種通信資源有效融合，同時還應用了多種不同異構模式，但還需在此基礎上應用多種起到關鍵作用技術，在這些技術支持下，優化無母通信網絡流量激增問題，并使無線通信網絡的信號干擾抵御能力大幅提升。5G無線通信系統構建中應用到的關鍵技術主要有以下幾種：

（一）毫米波高頻通信技術

5G技術發展過程中，由于頻譜資源數量有所不足，因而5G無線通信系統發展受到了一定限制。在不斷研發與實踐過程中，研究人員研發了毫米波高頻通信技術，此技術可有效化解頻譜資源不足問題。毫米波通常是指波長在1mm至10mm區間范圍內的電磁波。在此技術逐步發展之后，人們對5G無線通信系統領域中毫米波應用給予了高度關注。雖然毫米波應用優勢顯著，然而其也具備一定缺陷問題。如毫米波應用時，常會出現散射現象，因而會對5G無線通信系統的穩定運行產生不利影響。同時，毫米波高頻通信技術的發展仍不成熟，還需要進一步的測試與優化。實際應用中，主要是將毫米波高頻通信技術應用于低頻通信方面。但在5G無線通信系統當中，此技術仍然具備較高的應用價值。

（二）5G空口技術

由于5G無線通信系統比4G無線通信系統的數據信息傳送速度更快，并且可實現數據靈活應用，因而可將空口技術應用于5G無線通信系統的構建過程中。此技術的應用，可為每秒鐘網絡信息傳輸速度為1G的寬帶運行提供支持，且可增強通信傳輸的便利性與快捷性，還可與傳感器融合應用，能夠打造出具備高強度網絡信號的網絡通信系統，可使無線網絡通信的覆蓋范圍更廣。5G無線通信網絡系統中可應用的空口技術有高頻與低頻兩種。

1.高頻新空口技術

此類型空口技術應用了極大帶寬信道，并且采用了高密度設置方式，此技術應用后，無線通信系統的數據傳輸速度更快，并且可實現高密度流量數據傳送，在具備較強信號指向、覆蓋范圍不大的應用場景中應用率較高，在熱點及容量較高的通信環境下具有一定應用價值。

2.低頻新空口技術

這是一種融合了多種技術的空口技術類型，除了應用了大規模多天線陣列技術，還將調制編碼技術、新型多址技術融合其中，在覆蓋范圍較大、連續性強、容量高、但時延與熱點較低的通信場景中較為適用，低頻新空口技術的應用，可使5G無線通信系統得以更加穩定與安全運行。

（三）異構無線通信技術

1G、2G及3G無線通信系統所應用均是單層蜂窩網絡，由于此種網絡形式的通信方式較為單一，因而與日益提高的多元化通信需求不相適應，并且無法達到有效轉移通信系統負荷目的。因而，在4G無線移動通信系統開發時，則利用異構蜂窩網絡替代了單層蜂窩網絡。在異構無線通信技術支持下，網絡容量進一步擴充，系統數據傳送水平有了大幅提高。互聯網蓬勃發展又促進了通信需求的逐步提升。在此種情況下，在異構蜂窩網絡的基礎上，融入了D2D通信技術、小區部署技術等多種通信技術。在已有技術支持下組建成集合了多種信息技術的網絡節點。此類網絡支持增強了5G無線通信系統對多類型或多技術規范網絡的兼容性，實現了多個網絡的融合聯通，依托異構無線信息技術的應用，5G無線通信系統的應用范圍得以進一步拓展。

（四）自組織技術

1G至4G的無線網絡通信系統均需要采用人工方式實現移動網絡通信系統的控制。在動態控制的過程中，所需消耗人力成本及物資與資金均較高，因而移動通信網絡構建與運行成本居高不下。面對網絡信息技術持續優化與高速發展，5G無線通信系統構建過程中，需要注重運營成本降低。因而可在自組織技術支持下，強化執行系統的自組織功能，進而對人工管理方式進行替代，如此可有效節約人力及物力資源，實現通信企業總成本有效降低。自組織技術應用，可增強5G無線通信系統運行智能性，可實現系統獨立配置與自動恢復。在5G無線通信系統規劃及網絡部署的過程中，均可確保系統的自動化運行，對周邊環境所產生的干擾與影響也可大幅降低。由于5G無線通信系統具備極為復雜的內部結構，因而對其實施控制存在一定難度，為此，自組織技術應用前，需要科學制定應用方案，全面分析網絡需求，并制定出能夠滿足網絡通信需求的可行性自組織計劃。同時，還需要對網絡的自組織水平進行全面檢查，對其中不足或缺陷之處進行彌補，并需設定5G無線通信系統持續優化與改進的方案，進而保證5G無線通信系統的自動化運行。

（五）云計算技術

自5G無線通信系統誕生以來，人們工作、生活等多個領域逐漸融合了無線通信技術，正式將我國推進了5G發展時代。基于這一時代背景，傳統以網絡計算或分布式計算為代表的無線通信技術將難以為人們日漸提高的通信需求提供有力支撐。面對5G時代背景下數據信息量的快速爆發式增長，網格式、并行式以及分布式計算方法的計算效率相對較低，因而會對系統數據傳送效率產生不利影響。為此，需要通過云計算技術的有效應用，為5G無線通信系統的高效運行提供技術支持。因而，云計算技術也是5G無線通信系統的關鍵技術之一。實踐應用中，主要是利用移動云計算技術統計大規模數據，而后在分布式網絡資源支持下，引導用戶參與數據共享或利用，如此既能使5G無線通信系統的終端設備具備更高的計算能力，也可促進通信網絡數據傳輸的速度增長，且可顯著提升人們應用5G無線通信系統的體驗感受，進而可為5G無線通信系統的應用與發展產生有效驅動。

（六）綠色通信技術

綠色通信技術在4G無線通信時代便被提出，此技術是4G無線通信系統構建的重要技術之一，然而由于當時此技術成熟性不足，因而未能完善綠色通信功能。互聯網技術持續發展與優化的同時，通信技術等級也逐步提升，并且5G無線通信系統的傳輸信號應用的多為毫米波，此種信號傳輸模式雖增強了無線通信網絡信息的同步性，并使之溝通功能得以進一步強化。然而傳輸應用時，由于毫米波不具備強大的散射或繞射功能，因而空氣水分以及細顆粒物會吸收毫米波，從而導致出現大量路徑損耗，為此，需要利用綠色通信技術的應用降低5G無線通信系統的能量損耗。

1.高效能綠色通信技術

自綠色發展理念提出以來，通信領域也致力于5G無線通信系統的綠色化與持續化發展，技術人員針對綠色通信技術展開了深入研究，目前已開發出了多種具有良好效用的綠色通信技術。一是功率調節技術，以技術可基于5G無線通信系統業務量多少對5G基站所應用器件的功率進行合理調節，進而降低基站的功耗。二是信號包絡峰值因子縮減技術，此技術的應用可對5G無線通信系統各個器件的信號包絡峰值因子進行主動縮短，主要從器件層面著手降低功放單元的功耗。三是小小區技術，在網絡層級上應用5G無線通信系統，使系統傳輸功耗得到大幅削減。四是高能效傳輸技術，此技術能夠優化鏈路層的傳輸功率，可使整個系統的信號傳送質量得到大幅提升，進而實現傳輸功耗節約的目的。

2.自動化控制技術

一些專家針對5G無線通信系統的通信基站展開了詳細的調查研究，將5G無線通信基站的組成結構劃分為五個部分，一是電源系統，二是空調系統，三是收發設備，四是配電系統，五是照明裝置。這五部分結構當中，能耗最高的部分是空調系統，其電能損耗量在總能耗中的占比高達46%，其次是收發設備，能耗占比為43%，而電源系統與照明裝置的能耗占比分別為8%與3%，而配電系統則不損耗任何能源。通過這一分析發現，5G無線通信系統的能耗控制應將空調系統作為重點，因而技術人員研發出了自動控制技術，可在此種綠色技術支持下有效監測與合理調控基站空調系統的溫度情況，并能實現空調功率的自動化調整，進而達到基站空調系統能耗有效降低的目的。除此之外，基站收發設備的能耗占比也較高，針對此部分，則可應用分布式基站組網方式，在雙密度載頻、智能關斷等技術支持下有效調控基站的收發設備，如此可大幅削減基站射頻信號的功率損耗，也可減少基帶及靜態功放的功耗值，從而在這些綠色通信技術有效支持下確保綠色通信目標的有效實現。

五、結束語

與其他幾代無線通信系統相比，5G無線通信系統信息的傳送速度更快、通信覆蓋范圍更廣，具備更強的信號干擾抵御能力，這是由于其應用了異構無線通信網絡以及大規模MIMO技術通信網絡結構，顯著提高了5G系統鏈路層的數據信號傳送水平，可實現系統信道容量的擴增，能將不同通信用戶之間的通信干擾問題有效消除。此外，5G無線通信系統的功能發揮，還需應用多種關鍵技術，除了支持異構無線通信網絡的異構無線通信技術以外，也需要5G空口技術、云計算技術、自組織技術、毫米波高頻通信技術等技術支持，還應將綠色通信技術融合于5G無線通信系統之中，從而優化5G無線通信系統通信質量，減少系統運行功耗，為5G無線通信系統平穩與長效發展提供技術保障。

作者單位：張曉東? ? 山西信息規劃設計院有限公司

參? 考? 文? 獻

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