5G 無線通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

陳 遠(yuǎn)，杜駿彪，喬歡慶

（1.華信咨詢設(shè)計(jì)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(yīng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)5G 無線通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，需要對其進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

1.1 5G 無線通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）已經(jīng)發(fā)布了5G 新空口（New Radio，NR）標(biāo)準(zhǔn)，包括非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）和獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)化將繼續(xù)向前推進(jìn)，包括更多的技術(shù)細(xì)節(jié)和應(yīng)用場景的標(biāo)準(zhǔn)化。5G 將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)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(qiáng)大的應(yīng)用場景。5G 標(biāo)準(zhǔn)化將會越來越注重全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)互通。

1.2 5G 無線通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

（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(biāo)準(zhǔn)。

（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(biāo)準(zhǔn)。

（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(biāo)準(zhǔn)。

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

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化流程

5G 無線通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的流程包括需求分析、技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以及標(biāo)準(zhǔn)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(wù)質(zhì)量等方面的研究。標(biāo)準(zhǔn)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(wù)質(zhì)量等標(biāo)準(zhǔn)。由相關(guān)組織和機(jī)構(gòu)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，通過標(biāo)準(zhǔn)推廣促進(jìn)5G 無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，提高其應(yīng)用水平。

1.3 5G 無線通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)重要的問題。其次，5G 網(wǎng)絡(luò)需要支持多種不同的應(yīng)用場景和服務(wù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得更加復(fù)雜，如何提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴(kuò)展性也是一個(gè)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(hù)也是一個(gè)重要的問題。從次，為了保證不同廠商的設(shè)備和服務(wù)能夠互相兼容，5G 網(wǎng)絡(luò)需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)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(shí)加強(qiáng)頻譜管理和分配。利用虛擬化技術(shù)、云化技術(shù)等實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴(kuò)展性，同時(shí)可以采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)來實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場景的定制化服務(wù)。使用加密技術(shù)、認(rèn)證技術(shù)等保證網(wǎng)絡(luò)的安全性和隱私，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管。加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化組織的協(xié)調(diào)和合作，采用開放式標(biāo)準(zhǔn)化模式，鼓勵不同廠商的設(shè)備和服務(wù)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(gè)天線進(jìn)行信號傳輸和接收，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率，擴(kuò)大覆蓋范圍。大規(guī)模天線陣列技術(shù)可以實(shí)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(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，即在同一頻段上同時(shí)傳輸多個(gè)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(jìn)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(jìn)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(gè)天線同時(shí)傳輸多個(gè)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(shí)編碼對多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，在同一頻段上進(jìn)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(jìn)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(shí)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(kuò)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(gè)獨(dú)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(wù)需求和服務(wù)質(zhì)量要求，為不同的用戶提供個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以實(shí)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(yàn)。

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(wù)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(jī)結(jié)合，實(shí)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(shí)提高服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。

2.3 5G 無線通信系統(tǒng)的安全技術(shù)

2.3.1 身份認(rèn)證和密鑰管理技術(shù)

（1）用戶身份認(rèn)證技術(shù)。通過用戶身份認(rèn)證技術(shù)，可以確保通信雙方的身份真實(shí)可信。5G 無線通信系統(tǒng)中，用戶身份認(rèn)證技術(shù)主要采用基于證書的認(rèn)證方式，即通過數(shù)字證書來驗(yàn)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(xué)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)（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(jìn)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(hù)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(rèn)證以及完整性保護(hù)等方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，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(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。

3 實(shí)踐應(yīng)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(shí)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(shí)連接，提供更高的網(wǎng)絡(luò)容量，實(shí)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(shí)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(shí)，5G 無線通信系統(tǒng)可以支持更多的設(shè)備同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入探析，提出了一些有價(jià)值的思考和建議。未來，需要進(jìn)一步加強(qiáng)5G無線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以推動5G 無線通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為社會的發(fā)展和進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。