基于5G通信技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全通信

摘要：為了更好地滿足5G時(shí)代對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全通信的更高標(biāo)準(zhǔn)，本文首先概述了5G無(wú)線通信系統(tǒng)；其次，闡述了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全通信在帶寬擴(kuò)展與組網(wǎng)靈活性方面的承載需求；接著，深入探討了毫米波高頻段通信、大規(guī)模MIMO、超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、全雙工以及D2D通信等關(guān)鍵技術(shù)。基于此，本文提出了一種創(chuàng)新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全通信建設(shè)方案，主要涵蓋網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、技術(shù)更新及安全建設(shè)等多個(gè)方面，以期為5G時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)安全通信提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：5G；通信技術(shù)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；安全通信

一、引言

5G通信技術(shù)以高速率、低時(shí)延、大連接等顯著特征，為各行業(yè)帶來(lái)了深刻的變革與機(jī)遇。然而，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全通信提出了更高的要求與新的挑戰(zhàn)。隨著用戶(hù)數(shù)據(jù)需求的不斷增長(zhǎng)，如何確保網(wǎng)絡(luò)通信的安全性與穩(wěn)定性已成為當(dāng)下亟待解決的問(wèn)題。在此背景下，積極研究與探討無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全通信的關(guān)鍵技術(shù)與建設(shè)方案具有重要現(xiàn)實(shí)意義，不僅有助于大幅提升網(wǎng)絡(luò)通信的安全性與穩(wěn)定性，以更好地應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求，還能夠?yàn)?G技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與更廣泛地應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

二、5G無(wú)線通信系統(tǒng)概述

相較于4G技術(shù)，5G技術(shù)的性能有著顯著提升。在延遲方面，4G時(shí)代的10ms已被5G的毫秒級(jí)延遲所取代，實(shí)現(xiàn)了小于1ms的極速響應(yīng)，顯著提升了實(shí)時(shí)通信的效率與用戶(hù)體驗(yàn)。在數(shù)據(jù)流量方面，5G技術(shù)展現(xiàn)了強(qiáng)大的傳輸能力，從4G的每月7.2EB躍升至每月50EB，滿足了日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。在連接密度方面，5G實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，從4G時(shí)代每平方千米小于100萬(wàn)的連接數(shù)提升至每平方千米可支持高達(dá)100萬(wàn)的連接數(shù)，為物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模部署提供了技術(shù)支撐。

在頻譜資源方面，5G技術(shù)取得了顯著突破，從4G的3GHZ擴(kuò)展到30GHZ的可用頻道，進(jìn)一步提升了網(wǎng)絡(luò)容量與傳輸速度。在峰值數(shù)據(jù)速率方面，5G更是達(dá)到了20GB/S的驚人速度，遠(yuǎn)超4G的1GB/S。

綜上所述，基于5G技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)以其低延遲、高速率及大連接等特點(diǎn)，為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信帶來(lái)了全新的通信體驗(yàn)。5G無(wú)線通信系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

三、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全通信承載需求

（一）帶寬方面

5G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于高頻段、寬頻譜的新空口技術(shù)，這使得5G基站對(duì)帶寬的需求遠(yuǎn)超LTE時(shí)代。具體來(lái)說(shuō)，5G基站的計(jì)算數(shù)量已超12000個(gè)，帶寬收斂比推薦為6：1。在5G網(wǎng)絡(luò)的核心區(qū)域，初期帶寬需求就高達(dá)6T，成熟期更將飆升至17T以上。顯然，為了確保5G的流暢運(yùn)行，承載網(wǎng)絡(luò)必須具備高標(biāo)準(zhǔn)的帶寬能力。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，對(duì)帶寬的精細(xì)規(guī)劃與管理變得至關(guān)重要。因此，在深入研究5G技術(shù)需求的同時(shí)，研究人員也需要重視實(shí)際建設(shè)進(jìn)展，以便更好地優(yōu)化管理線路與建設(shè)內(nèi)容。

本研究將集中探討5G技術(shù)的需求與網(wǎng)絡(luò)安全管理，力求通過(guò)綜合運(yùn)用多種先進(jìn)技術(shù)來(lái)強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)的安全性能。為了滿足核心區(qū)域的高帶寬需求，并保障網(wǎng)絡(luò)安全，研究人員需要精心設(shè)計(jì)承載網(wǎng)絡(luò)，主要包括合理的帶寬分配、高效的利用策略以及強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。

（二）組網(wǎng)方面

組網(wǎng)靈活性在5G網(wǎng)絡(luò)安全通信中顯得尤為重要。就回傳網(wǎng)絡(luò)而言，5G的CU（集中單元）需要與核心網(wǎng)絡(luò)及其鄰近CU保持連接。而傳統(tǒng)的靜態(tài)連接方式因工作量大、效率低，已無(wú)法滿足現(xiàn)代靈活性需求。因此，為了有效提升組網(wǎng)的靈活性。尋求新型連接方式至關(guān)重要。

對(duì)于中傳網(wǎng)絡(luò)而言，在5G網(wǎng)絡(luò)的初始部署階段，DU（分布單元）與CU之間維持著穩(wěn)定的1對(duì)1關(guān)系。但是，隨著CU的云化發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)對(duì)動(dòng)態(tài)擴(kuò)容、冗余保護(hù)及負(fù)載分擔(dān)等功能的需求日益凸顯，使得DU與CU的關(guān)系逐漸從1對(duì)1轉(zhuǎn)變?yōu)?對(duì)多，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)的配置與調(diào)度提出了更高的要求。為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)的安全通信承載需求，研究人員需要充分考慮組網(wǎng)方面的可擴(kuò)展性、高效性和靈活性，通過(guò)優(yōu)化與改進(jìn)回傳與中傳網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，以保障網(wǎng)絡(luò)在快速響應(yīng)服務(wù)需求，并始終維持高度的安全性與穩(wěn)定性[1]。

四、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全通信關(guān)鍵技術(shù)

（一）毫米波高頻段通信技術(shù)

毫米波高頻段通信技術(shù)利用高頻毫米波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，顯著提升了5G網(wǎng)絡(luò)的速度與容量，為無(wú)線通信領(lǐng)域帶來(lái)了新的突破。毫米波通信的核心優(yōu)勢(shì)在于其高頻特性，通過(guò)充分利用高頻段，大幅提升數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)有效降低信號(hào)間的干擾，以此提高通信的可靠性。然而，高頻信號(hào)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如穿透能力較弱、傳播距離受限等。為了有效克服這些難題，相關(guān)研究人員需要積極探索，并引入波束成形等先進(jìn)技術(shù)，以保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與安全性，為毫米波通信的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

在算法方面，研究人員需要有效整合毫米波高頻段通信技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、聚類(lèi)分解、系數(shù)調(diào)整、估計(jì)與重建、后處理與轉(zhuǎn)換等一系列流程，完成對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全通信的優(yōu)化[2]，以此提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩⒋_保通信過(guò)程的安全性，為用戶(hù)提供了更加高效、可靠的通信體驗(yàn)。

（二）大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO即多端口輸入輸出技術(shù)，該網(wǎng)絡(luò)的核心在于發(fā)射端與接收端的配置。在發(fā)射端，配置有多根發(fā)射天線，用于同時(shí)發(fā)送多路信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)空間多路復(fù)用；而在接收端，同樣配置有多根接收天線，用于接收并分離多路信號(hào)，以確保通信的高效與穩(wěn)定。大規(guī)模MIMO技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建示意圖如圖1所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，如何確保每根天線發(fā)射與接收信號(hào)的一致性與準(zhǔn)確性，是構(gòu)建大規(guī)模MIMO技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)。為了有效解決這一問(wèn)題，許多專(zhuān)家與學(xué)者研究與探索新型的天線排布方式，并積極嘗試改良天線尺寸與優(yōu)化信號(hào)處理算法，以期在提升系統(tǒng)性能的同時(shí)，保障通信的可靠性與安全性。

值得一提的是，將大規(guī)模MIMO技術(shù)與云無(wú)線接入網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全通信提供了一種全新的解決方案[3]。一方面，該方法可以充分發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)；另一方面，該方法有望實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的跨越式提升，從而推動(dòng)5G無(wú)線通信系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展與創(chuàng)新。此外，3GPP還對(duì)5G技術(shù)應(yīng)用頻段作出了明確規(guī)定，這為大規(guī)模MIMO技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了重要參考與有益指導(dǎo)。3GPP規(guī)定的5G技術(shù)應(yīng)用頻段如表2所示。

（三）超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合了多種無(wú)線接入技術(shù)，如LTE、4G、UMTS等，構(gòu)建了一個(gè)由小站與宏站組成的錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在此類(lèi)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，基站的部署涉及運(yùn)營(yíng)商與用戶(hù)，特別是低功率小站的設(shè)置。盡管節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的多樣性與高密集性使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兊脴O為復(fù)雜，但是也帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。然而，該技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)，特別是節(jié)點(diǎn)間的同頻干擾問(wèn)題以及在共享頻譜時(shí)產(chǎn)生的分層干擾。此外，由于用戶(hù)部署了大量的節(jié)點(diǎn)，干擾圖樣與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的特征，增加了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用難度。因此，為了充分挖掘超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的潛力，研究人員需要持續(xù)深入探究這些動(dòng)態(tài)變化，以進(jìn)一步優(yōu)化5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。

（四）全雙工技術(shù)

全雙工技術(shù)術(shù)能顯著提升無(wú)線資源的使用效率。但這項(xiàng)技術(shù)目前仍存在不少實(shí)施上的難題，其中最需要解決的就是自干擾抑制問(wèn)題。如何優(yōu)化全雙工技術(shù)使用大量天線且占用空間大的現(xiàn)狀，成為研究人員亟待研究的問(wèn)題。

為了有效應(yīng)對(duì)自干擾，研究人員可以采用空域、數(shù)字域及射頻域等抑制技術(shù)。其中，空域抑制是通過(guò)調(diào)整天線位置來(lái)保持發(fā)射與接收天線之間的合理隔離與距離，但其效果有限；數(shù)字域抑制可消除殘余的少量自干擾；射頻域抑制，理論上可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)和干擾兩種信號(hào)的相互抵消，以此達(dá)到抑制干擾的效果[4]。盡管該技術(shù)的應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)，但其在提升無(wú)線資源效率方面具有巨大潛力，有望為5G網(wǎng)絡(luò)安全通信帶來(lái)新的突破。

（五）D2D通信技術(shù)

D2D通信技術(shù)是指設(shè)備間直接通信，允許對(duì)等用戶(hù)節(jié)點(diǎn)在無(wú)需基站中轉(zhuǎn)的情況下直接交換信息。首先，相較于藍(lán)牙等現(xiàn)有技術(shù)，D2D不僅省去了繁瑣的設(shè)置步驟，還在通信距離與穩(wěn)定性上展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)，并且克服了藍(lán)牙頻帶安全性不足的缺陷。該技術(shù)的推廣不僅有助于促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的整體進(jìn)步，還有助于促使網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)展與社會(huì)建設(shè)的緊密結(jié)合，進(jìn)而增強(qiáng)5G技術(shù)的穩(wěn)定性。

五、網(wǎng)絡(luò)安全通信建設(shè)方案

（一）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

本文特別關(guān)注前傳網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式，主要探討有源WDM與無(wú)源WDM兩種主流技術(shù)。經(jīng)過(guò)分析，本文認(rèn)為無(wú)源WDM技術(shù)憑借其高效且低成本的傳輸優(yōu)勢(shì)，更適用于5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。通過(guò)應(yīng)用此技術(shù)，運(yùn)營(yíng)商可以大幅降低運(yùn)營(yíng)成本，通過(guò)在接入側(cè)提供優(yōu)質(zhì)的傳輸服務(wù)，快速部署分鐘級(jí)業(yè)務(wù)。

（二）更新技術(shù)

面對(duì)各類(lèi)技術(shù)平臺(tái)的涌現(xiàn)，研究人員需要結(jié)合5G的技術(shù)需求完成相應(yīng)的管理調(diào)整，包括IP傳輸、信號(hào)技術(shù)強(qiáng)化等多個(gè)方面。同時(shí)，相關(guān)企業(yè)也應(yīng)當(dāng)重視人才培養(yǎng)與引進(jìn)、設(shè)備設(shè)施的及時(shí)更新，進(jìn)而為技術(shù)發(fā)展提供一定的理論與實(shí)踐支持。

（三）安全建設(shè)

傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)必須將安全性作為核心考慮要素，以此保障5G通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全性與舒適性。

首先，為了達(dá)到這一目標(biāo)，研究人員需要搭建完善的數(shù)據(jù)資源支撐體系，為集約統(tǒng)籌式通信傳輸網(wǎng)絡(luò)提供必要基礎(chǔ)。

其次，由于5G用戶(hù)數(shù)量受到城市人口數(shù)量的影響，并且用戶(hù)數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有深遠(yuǎn)影響，因此，在實(shí)際規(guī)劃時(shí)，科學(xué)地預(yù)估用戶(hù)數(shù)量與合理設(shè)計(jì)建設(shè)方案非常重要。

最后，在全面建設(shè)5G通信傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)，研究人員可以采取試點(diǎn)建設(shè)的策略，以中心城市為起點(diǎn)，逐步帶動(dòng)周邊城市與鄉(xiāng)村地區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的全面覆蓋。這種層層遞進(jìn)的方式不僅有助于確保網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，還能夠讓更多人享受到5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的便捷服務(wù)。

六、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，盡管5G技術(shù)帶來(lái)了前所未有的高速率、低時(shí)延與大連接，但是安全通信問(wèn)題亦隨之凸顯。本研究雖取得初步成果，但在應(yīng)對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)安全威脅時(shí)仍顯不足隨著5G技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)與應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，該領(lǐng)域?qū)⒚媾R更多的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。在未來(lái)，筆者將持續(xù)關(guān)注最新進(jìn)展，積極研究與探索更多新技術(shù)與創(chuàng)新方案，以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)水平，促進(jìn)5G技術(shù)在更多行業(yè)領(lǐng)域的安全應(yīng)用，為構(gòu)建更穩(wěn)固、安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境貢獻(xiàn)力量。

作者單位：何旭霞 中國(guó)電信股份有限公司安慶分公司

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