5G 通信系統中的傳輸技術與網絡架構設計

董國權

（日海通信服務有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著技術進步，移動互聯網、物聯網等新型網絡應用迅速發展，現行4G 網絡已經難以承載這些應用對高速率、低延遲及大連接密度的需求。而5G 通信系統具有更先進的傳輸技術和革新的網絡架構，能夠滿足未來網絡應用對性能的高標準要求，為實現萬物互聯提供強大動力。

1 5G 通信系統的概念與特征

5G 通信系統作為構建在國際移動通信標準IMT-2020 上的核心技術體系，被視為驅動未來萬物智能互聯的關鍵基礎。與4G 通信系統相比，5G 通信系統的多個核心性能指標顯著提升。第一，5G 通信系統的峰值速率提升至20 Gb/s 級別，確保用戶的體驗速率至少達到100 Mb/s[1]；第二，5G 通信系統的網絡能效和區域流量承載能力大幅提升，實現每平方千米百萬級別的連接密度；第三，5G 通信系統能夠實現高速移動環境下的穩定連接，并將無線接入的端到端時延降低至毫秒級。

此外，5G 通信系統在空中接口技術和網絡架構層面均實現重大革新。在無線接口方面，5G 通信系統采用更寬的頻譜帶寬資源（最高可達1 GHz）、更先進的調制編碼方案以及大規模多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術等，在基站側配置數百個天線元件，以提高信號處理能力和傳輸效率。在網絡架構方面，5G 通信系統采用一種包含小型基站密集部署和高度自治子系統的新型布局策略。同時，引入網絡切片和移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）等先進理念，根據各垂直行業的特定需求定制不同的服務質量與性能指標，從而確保5G 網絡能夠靈活、高效地服務于多樣化且高要求的應用場景。

2 5G 通信系統中的傳輸技術

2.1 調制解調技術

5G 通信系統采用的新型調制解調技術包括濾波器組多載波（Filter-Bank Multi Carrier，FBMC）、廣義頻分復用（Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM）等，同時采用Polar 碼、低密度奇偶校驗（Low Density Parity Check，LDPC）碼等新型前向糾錯技術[2]。這些技術能夠實現更高階的調制方式，在相同帶寬下提升峰值數據速率，同時具有更高的頻譜效率和更低的傳輸延遲等。例如，GFDM 調制技術通過引入子符號的循環前綴結構，可以更加靈活、高效地利用頻譜資源，提高頻譜利用率。Polar 碼作為一種全新的編碼技術，可以實現更低的編碼與譯碼延遲。此外，5G 通信系統采用交織波分復用技術，能夠在子載波間實現高效的資源復用，顯著降低互調失真。

2.2 大規模MIMO 技術

根據香農定理，系統容量與信道帶寬和信噪比成正比。采用大規模MIMO 技術，可以在不增加系統帶寬的前提下，通過空間復用顯著提升等效信噪比，從而擴大理論容量。此外，大規模MIMO 技術可以高度聚集信號能量，大幅提高發送端的發射效率。

3 5G 通信系統中的網絡架構設計

3.1 網絡切片

5G 核心網采用全分布式網絡架構，其中網絡切片技術是實現差異化需求定制的關鍵。基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）和網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV），構建包括接入網、傳輸網及核心網的端到端物理基礎網絡。結合通用移動通信系統（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS），設計并實現一個適用于關鍵任務服務且具備高可靠性和低時延特性的網絡切片實例，包含專用的控制面和用戶面功能實體。控制面包括接入和移動性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）等，負責接入鑒權、會話控制及策略制定等。用戶面包括用戶端口功能（User Port Function，UPF）實體，提供用戶流量的轉發與管理功能。此外，引入MEC 構建邊緣云，部署高可靠和低延遲通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）應用，以降低時延。控制面和用戶面通過N15 接口相連，面向專業用戶和指令操作的行業應用可直接通過5G 核心網接口接入服務專網[3]。該切片在接入側共享的下一代基站信道資源下，獲得專用物理資源塊（Physical Resource Block，PRB），在傳輸側的端到端傳輸帶寬≥50 Mb/s，時延≤5 ms。基于網絡虛擬化技術與功能級聯的方法，進一步構建符合工業互聯網時延敏感型業務需求的隔離切片網絡，為關鍵服務提供差異化的服務等級協議（Service-Level Agreement，SLA）保障。

3.2 邊緣計算

5G 網絡架構中引入MEC 技術，用于將云計算、緩存及網絡功能推至基站邊緣，構建面向接入的開放應用環境。具體而言，本設計采用NFV 方法，在小區核心宏基站和關鍵小微基站處部署MEC 服務器集群，形成遍布接入網邊緣的互聯網技術（Internet Technology，IT）服務能力支撐平臺。MEC 平臺通過開放式接口，使得第三方應用開發商可以接入并部署各類高帶寬、低時延應用和服務。

MEC 作為基站的本地數據中心，可以高效管理和分析海量的本地數據。例如：部署實時導航服務，根據車載定位信息和高清地圖渲染實景視圖；部署多人協同游戲服務器，基于地理位置匹配實現周邊用戶直接互動[4]。

3.3 動態頻譜共享

在5G 網絡架構中巧妙運用動態頻譜共享技術，實現頻譜資源在時間、頻率及空間3 個維度上的高效協調與共享，從而大幅提升頻譜資源利用率。動態頻譜共享方案包含3 個層面，分別是頻譜感知層、頻譜決策層以及頻譜管理層。在頻譜感知層，借助分布式頻譜檢測裝置進行實時且精細的頻譜狀況分析，全面捕捉目標頻段的頻譜使用情況，具體包括識別頻譜空閑時段、獲取占用信號的各項參數以及精確評估干擾強度等級信息。在頻譜決策層，依托深度自適應學習與強化學習算法的強大功能，精準預測頻譜需求與供應趨勢，并根據業務的優先級智能制定科學合理的頻譜分配策略。在頻譜管理層，利用蜂窩網絡的靈活幀結構機制，有效協調長期演進（Long Term Evolution，LTE）和5G 新空口（New Radio，NR）系統在時域與頻域上的動態頻譜調度過程。此外，采用波束成形（Beamforming）等先進技術手段，確保頻譜資源的高效利用和優化配置。LTE 和公共5G 系統按照7 ∶3的比例動態共享3.5 GHz 頻譜，若檢測到私有5G 小基站請求接入該頻段信道，可臨時調整時間片劃分，以保證專網業務質量[5]。

4 實驗驗證與性能評估

4.1 仿真模型構建與實驗設計

為驗證所提5G 網絡架構中傳輸技術和體系結構的有效性與性能優勢，構建仿真測試平臺進行探討。基于行業標準的商業系統級仿真軟件，通過導入實際的城市地理信息，構建能夠反映真實城區環境特征的小區模型，配置一系列不同的傳輸技術參數。同時，嚴格按照先前的設計理念搭建5G 特有的網絡切片、MEC 平臺以及動態頻譜共享機制，力求全方位展現這些關鍵技術在復雜應用場景中的表現。例如，針對高速鐵路沿線區域和人口密集城市的多樣化環境，模擬各種可能的用戶分布模式、業務流量特點以及無線信道條件。在測試過程中，關注的性能指標主要包括峰值數據傳輸速率、用戶平均體驗速率、單位面積所承載的連接數量以及端到端通信延遲等。通過對比采用網絡切片化架構和MEC 技術前后服務質量的改善情況，衡量其對整體網絡性能的提升作用。測試方法采用蒙特卡洛數值仿真法，依據預設場景生成數萬個獨立的業務連接軌跡，以此收集各項性能指標的大量數據樣本，并推導出相應的數值分布和統計特性。此外，使用一套包含時延、丟包率以及數據傳輸速率等多個評價維度在內的綜合性評分模型，從定量的角度全面且精準地評估所設計的5G 核心網絡架構性能。

4.2 測試結果與分析

根據構建的仿真平臺和測試方案，評估所設計的5G 核心網架構性能，重點考察網絡切片技術和MEC 部署對服務質量的提升效果。高鐵場景下的時延測試結果如表1 所示。

表1 高鐵場景下時延測試對比結果

由表1 可知，在高鐵場景下，與沒有應用切片技術的網絡相比，采用端到端網絡切片承載高速鐵路專用業務，能夠在保證速率需求的情況下將平均時延由22 ms 降低至18 ms，滿足工業互聯網對于超可靠通信的嚴格需求。

在不同用戶數量下，采用MEC 部署增強現實（Augmented Reality，AR）導航的平均服務響應時延的測試結果如表2 所示。

表2 平均服務響應時延的測試結果

由表2 可知，隨著用戶請求業務數量的增加，采用MEC部署的AR導航應用時延保持在23 ms以下，實現了毫秒級響應。

5 結 論

文章通過設計5G 核心網架構，重點研究切片技術、MEC 以及動態頻譜共享在5G 網絡構建中的應用。通過仿真測試，驗證了所設計方案可以有效降低網絡時延，提升5G 網絡的差異化服務質量保障能力。隨著相關標準規范的進一步完善和商用化進程的推進，5G 網絡將在萬物互聯和數字經濟發展中發揮關鍵基礎設施作用，并拓展應用場景，推動產業數字化轉型。