基于5G 技術的大數據網絡架構與傳送技術研究

焦 明

（河南省信息咨詢設計研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

大數據網絡架構與傳送技術的應用極大改變了人們的日常生活及生產方式，并提高了工作效率及工作質量。但是，隨著應用環境越來越復雜，大數據網絡架構與傳送技術面臨著諸多挑戰及考驗。而5G 技術的應用為大數據網絡架構與傳送技術發展提供了更多可能及機會，通過5G 優化及改善大數據網絡架構與傳送技術應用的效果備受業內關注。由此可見，基于5G 探索研究大數據網絡架構與傳送技術優化發展既是行業發展的內在要求，也是5G 時代的大勢所趨。

1 5G 背景下的大數據網絡架構所需內容

5G 技術具有很強的擴容性，打破了傳統網絡通信的限制，可適用于更多應用場景，甚至覆蓋社會生活的各個方面，5G 應用場景如圖1 所示。基于5G 技術構建大數據網絡架構，可以有效改善傳統通信網絡架構模式下的組網模式、通信頻譜、天線技術以及末端基站等工作，促使大數據網絡架構不斷完善。

圖1 5G 技術應用場景

1.1 組網模式

目前，4G、5G 共存，5G 組網模式主要有2 種，即獨立組網模式（Standalone，SA）、非獨立組網模式（Non Standalone，NSA）。獨立組網模式直接應用5G 設備及下一代核心網（Next Generation Core，NGC）進行組網，這種模式既可以實現5G 的全部功能及應用，也可以使5G網絡與4G網絡同時穩定并行，但獨立組網模式建設初期成本較高。非獨立組網模式是使用雙連接+主基站控制+核心網組網，可基于現有4G 通信基礎設施構建5G 同行網絡，有助于提高5G 網絡部署的效率，且前期成本小。但是，非獨立組網模式中的設備性能無法完全滿足5G 網絡通信需求，在小范圍內應用有良好效果，但因通信鏈路相互影響，不利于大面積應用。

1.2 通信頻譜分配

對于5G 網絡而言，其通信頻段有高、低頻段之分。高頻段的頻譜范圍為24.75 ～27.5 GHz、37 ～42.5 GHz，該頻段可使5G 網絡在多熱點區域和室內區域內實現數據無線接入。低頻段的頻譜范圍為3.3 ～3.6 GHz、4.8 ～5 GHz，該頻段可以使5G 網絡在接入層進行無線數據的穩定傳送。高低頻的緊密耦合可保障5G 網絡數據傳輸實現無縫連接[1]。5G 網絡通信頻譜分配示意圖如圖2 所示。

圖2 5G 通信頻譜分配示意圖

1.3 Massive MIMO 技術

Massive 多進多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術應用區域主要包括宏覆蓋、高層建筑、異構網絡、室內外熱點以及無線回傳鏈路等。該技術的優勢集中體現以下幾個方面：一是在基站天線數量遠超用戶天線數的情況下，所有用戶信道便會趨于正交；二是可有效改善小區內同頻干擾和加性噪聲，且系統性能只在鄰區導頻復用方面受限；三是可在空域時域、頻域、極化域等多維度增強頻譜利用及能量利用的效率；四是與空間復用技術、擬制干擾技術融合應用可進一步增大5G 網絡系統容量。

1.4 開放平臺小基站（5G 微站）

與4G 網絡相比，5G 頻帶更高，信號傳輸衰落幅度較大，因此同位置下5G 信號覆蓋范圍要小于4G信號，特別是非獨立組網模式下，5G 基站無法完整覆蓋整個區域。而應用開放平臺小基站則能有效彌補5G 末端信號傳輸的不足。該小基站的單射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）功耗為0.5 kW，供電方式靈活，220 V 交流電供電、遠供直流電供電、鋰電池供電均可。該小基站的設備體積及重量均比較小，方便安裝于建筑外墻、監控立桿及一些市政道路設施上。小基站遠端覆蓋單元具有微功率射頻收發功能，可以使5G 通信信號實現分布式覆蓋。通過小基站的擴展單元既可以實現覆蓋區內上下行信號的交互，也可進行通信數據的分發及匯聚，給遠端覆蓋單元進行電力供給。接入單元既能有效處理基帶部分信號，又可以實現上下行信令交互[2]。

1.5 5G 網絡架構

對于5G 網絡而言，其架構主要有3 個層面。一層是應用MIMO 天線技術實現網絡全覆蓋；二層是應用小基站補充覆蓋盲點，并提供熱點流量服務；三層是應用室分技術實現室內深度覆蓋，具體如圖3 所示。這樣構建的5G 網絡架構既可實現宏微異構，也可實現高低頻協同。

圖3 5G 網絡架構

2 5G 背景下的傳送技術分析

2.1 覆蓋增強技術

覆蓋增強技術在5G 網絡大數據傳輸通信中有著重要意義，既能保障低功率基站及宏站的穩定運行，又可優化網絡密度。同時，相對于站點控制方法而言，覆蓋增強技術能夠有效縮短各站點之間的通信距離，在擴大系統容量及增強頻譜效率的同時，保障5G 大數據通信網絡信息進行穩定可靠的傳輸。基于覆蓋增強技術構建5G 大數據通信網絡云后臺，可以實現對數據傳輸的統一化管理及控制。另外，將覆蓋增強技術與量子密碼技術融合應用，可增強5G 網絡對信息傳輸的控制，進而提高大數據網絡通信的安全性及效率[3]。

2.2 頻效提升技術

頻效提升技術是5G 大數據通信網絡中的重要技術，既可以基于天線技術接入非正式多地址，又可與編碼技術及傳輸波形技術融合應用，有效提高網絡通信數據傳輸的效率。通過頻效提升技術可以對數據網絡中的各頻譜資源和功率狀態進行合理協調，并能擴大信道容量，延長數據可傳輸的距離。在5G 大數據通信網絡中應用頻效提升技術時，應配置正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）波形控制技術，在提高頻率利用率的同時改善頻率選擇性衰落問題，防止通信失真。

2.3 毫米波技術

毫米波技術是5G 大數據網絡中的關鍵傳送技術之一。該毫米波頻段中不僅集成了微波頻段及紅外波特性，可適用于各種數據傳送場景，而且通過毫米波頻段可以進行數據的全天候傳送，即能有效滿足用戶的信息實時傳送需求，又能確保數據傳送質量及容量。目前，可用頻段資源基本都是低于60 Hz，屬于低頻段資源，而針對高頻段資源的開發還比較有限。因此，在5G 大數據通信網絡中通過對毫米波進行分布排列，改變傳統線性布置方式成為陣列式分布，如“十字形”陣列或“矩形”陣列，再通過光纖與控制器及天線相連接，即可增加網絡密度，也可促進通信傳送體系不斷完善[4]。

2.4 多天線MIMO 技術

多天線MIMO 技術是5G 大數據通信網絡中的關鍵傳送技術之一。通過多天線MIMO 技術可實現對無線回傳鏈路、室內外熱點等區域的全方位覆蓋，也能夠提高5G 基站接發通信信號的穩定性。同時，大規模應用多天線MIMO 技術不僅可以從極化域、頻域、時域、空域等多個維度全面增強頻譜利用率，而且可以增強用戶信號，改善用戶小區自干擾問題，提升信號載干比。隨著當前通信用戶數據傳送需求量的逐漸增大，構建微基站并應用多天線MIMO 技術，可有效彌補覆蓋盲點，再通過與室內分布技術融合應用，可確保室內通信信號實現深度覆蓋，既能優化5G 大數據網絡架設質量，又能保障信息數據穩定傳輸[5]。

3 基于5G 技術優化大數據網絡架構及傳送技術應用的建議

5G 技術的應用雖然可以提高數據傳送效率及質量，為大數據網絡架構及傳送技術創新發展提供了更多可能及機會，但是機會與挑戰并存，基于5G 技術構建的大數據網絡依然面臨著數據泄漏、信息篡改等安全挑戰。因此，為優化5G 技術與大數據網絡技術的融合應用，必須做好安全防護，具體來說可從以下3 個方面入手。

3.1 應用防火墻技術

防火墻是防護5G 大數據通信網絡安全的重要技術措施。隨著科技的發展，防火墻技術也越來越成熟及完善。因此，在5G 大數據通信網絡架構建設及數據傳送中全方位應用防火墻技術，在內網、外網之間構建起虛擬的安全屏障，從而抵御外來干擾，并阻斷外網非法攻擊入侵的渠道，降低網絡威脅，提高數據信息傳送的安全性及穩定性。

3.2 落實防病毒技術

病毒是威脅5G大數據通信網絡安全的重要因素，因此在5G 大數據網絡架構建設及數據傳送中，要從宏觀角度建立完善的病毒防范體系，結合5G 大數據網絡架構特點合理選擇及應用專業的殺毒軟件，加強對病毒的預防、檢測及消除，防止病毒入侵和破壞5G 大數據通信網絡。同時，因為病毒清除通常都是被動“解毒”的程序，即在5G 大數據通信網絡遭受病毒入侵及破壞時，病毒清除程序才會啟動，所以5G 大數據通信網絡應用病毒防護技術的重點應是“預防”，要防止病毒入侵及傳播[6]。

3.3 注重網絡監控

在應用防火墻技術及防病毒技術的基礎上，技術人員應該利用簽名標記技術等加強對5G 大數據通信網絡運行的監控，實時分析及排查5G 大數據通信網絡中的安全隱患及安全風險。同時，工作人員發現安全隱患及風險時，應馬上采取應對措施解決安全風險及隱患。

4 結 論

5G 技術背景下，大數據網絡架構架設及傳送技術發展面臨著諸多機遇及挑戰，因此為抓住機會并有效應對挑戰，需要技術人員在構建5G 大數據通信網絡中，根據現實情況選用合適的組網方式，合理分配通信頻譜，完善開放式5G 微基站建設，靈活應用覆蓋增強技術、頻效提升技術、毫米波技術以及多天線MIMO 技術等數據傳送技術，不斷完善5G 大數據通信網絡架構體系。同時，技術人員要根據5G 大數據通信網絡應用防火墻技術、防病毒技術等完善網絡安全防護體系，確保5G 大數據通信網絡的安全，進而推動5G 大數據通信網絡實現可持續發展。