面向5G無線通信系統(tǒng)技術探討
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【摘要】如今，互聯(lián)網信息技術在我國得到了快速發(fā)展，推動了移動通信網絡的發(fā)展，促進傳統(tǒng)宏基站模式向多元化異構模式的轉變，以實現各種通信資源的有效融合。然而，在5G通信系統(tǒng)發(fā)展階段，由于通信數據流量不斷增加，進而對信號抗干擾性能的要求越來越高，而4G通信技術已經無法滿足其要求，這樣一來面向5g無線通信系統(tǒng)就得到了快速發(fā)展，本文將會對5G無線通信技術的概念和種類進行介紹，重點講解了關鍵技術，以期更好的推動5G無線通信系統(tǒng)的發(fā)展。
【關鍵詞】5G無線通信技術;類型;關鍵技術
引言：
近些年來，移動通信技術在我國發(fā)生了很大的改變，在各個領域中均得到了廣泛應用。如今，隨著各移動終端設備的廣泛發(fā)展和普及，大大提高了多媒體數據的傳輸量，為了更好的滿足未來發(fā)展要求，則需要在控制運行成本的同時，加大對移動通信技術的更新與升級。面向5G無線通信技術的問世，極大的滿足了新時展需求，推動了相關產業(yè)的更新?lián)Q代，為經濟社會的發(fā)展奠定了良好基礎。
一、5G無線通信技術概述
1.15G無線通信技術內涵
這里所提及到的5G無線通信技術一般是指第五代移動通信技術，目前對其定義還不夠明確，其主要是4G通信的延伸，而且網速將達到10Gb/s，是4G網速的幾百倍。雖然5G無線通信技術得到了各國的高度重視，然而普及率還比較低，且對其安全問題要給予重點研究。
1.2無線網絡技術類型
1.自組織網絡技術。自組織網絡技術是5G無線通信技術中比較常見的一類技術，早在3G時代自組織網絡技術的概念就被提出，然而發(fā)展到5G時代時，自組織網絡技術仍然是比較關鍵的一項技術。基于5G時代背景下，網絡致密化增加了網絡管理的難度，而借助自組織網絡技術能夠降低網絡致密化帶來的干擾，進而提高網絡管理效率。同時，自組織網絡技術還可以優(yōu)化和調整現有移動網絡人工部署，在減少資源浪費的基礎上，提高網絡運行效率。2.軟件定義無線網絡技術。軟件定義無線網絡技術是無線通信系統(tǒng)中最先提及到的網絡技術種類，是從數據轉發(fā)層中將控制功能剝離出來，在通過中心控制器實現對軟件的統(tǒng)一控制，該控制器既能夠對網絡拓撲進行感知，而且在計算轉發(fā)路徑方面發(fā)揮著不可替代的作用。實際上，軟件定義無線網絡技術通過南向API(比如OpenFLow)來實現與控制器和交換機的有效連接，通過北向API來實現與控制器和應用程序的連接。3.網絡功能虛擬化。借助IT虛擬化技術來實現網絡功能軟件化的目的，并借助通用硬件設備來取代傳統(tǒng)專用網絡硬件設備。通常情況下，網絡功能虛擬化一般是借助虛擬機的形式來將網絡功能運行于白盒或通用硬件設備之上，以期實現配置可擴展性、靈活性和移動性的作用，進而達到降低網絡CAPEX和OPEX的目的。實際上，網絡功能虛擬化的網絡設備比較多，具體如下：交換機(比如OpenvSwitch)、歸屬位置寄存器（HLR）、路由器、GGSN、CGSN、SGSN、RNC(無線網絡控制器)、PGW(分組數據網絡網關)、SGw(服務網關)、BRAS(寬帶遠程接入服務器)、RGw(接入網關)、DPI(深度包檢測)、cGNAT(運營商級網絡地址轉換器)、MME(移動管理實體)、PE路由器等。
二、5G無線通信系統(tǒng)關鍵技術
2.1綠色通信技術
由于5G無線通信系統(tǒng)自身具有比較強的信息同步和信息溝通能力，因此得到了各個國家的高度重視，并加大對該技術的研發(fā)。在傳統(tǒng)4G無線通信系統(tǒng)中，綠色通信技術就開始被提及，然而，因為技術水平不夠成熟，并未得到有效的應用。如今，隨著5G無線通信系統(tǒng)的問世和發(fā)展，使得綠色通信技術再次被提及和應用，其可以將5G無線通信系統(tǒng)高能耗問題得到有效解決。為了使綠色通信技術得到進一步優(yōu)化和完善，信息技術專業(yè)研發(fā)人員需要加大對5G無線通信系統(tǒng)的了解和掌握，明確能源消耗和頻譜效率間的聯(lián)系，并全面優(yōu)化和完善各種通信資源。同時還需要從資源消耗和使用效率這兩個領域來對綠色通信技術的通信能力進行深入挖掘，在滿足能源節(jié)約的同時，來大大提高5G無線通信效率和質量。如今，隨著我國通信技術的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，5G無線通信系統(tǒng)必將發(fā)展成為科技領域的中堅力量，進而全面實現信息同步和信息溝通效果。作為5G無線通信技術人員，要根據實際情況來對各項關鍵性技術給予準確了解和掌握，這樣既可以確保5G無線通信系統(tǒng)的安全、高效運行，而且還可以達到綠色通信的目標，進一步推動我國5G無線通信系統(tǒng)的發(fā)展。
2.2空口技術
空口技術在我國移動通信技術發(fā)展中扮演著不可替代的角色，其中CDMA是3G通信網絡中比較常用的空口技術，OFDM是4G通信網絡中比較常用的空口技術，然而在5G無線通信系統(tǒng)發(fā)展過程中，對網絡的安全性與靈活性提出了較高要求，這樣就需要為其配備一個高標準、高規(guī)格、高水平的空口技術，其既可以使用1G/s帶寬，從而有效提高網絡下載速度，而且還需要配備物聯(lián)網傳感器，以期構建完善的通信網絡體系。下面將會對5G無線通信系統(tǒng)中常見的兩種空口技術給予介紹。1.新波形F-OFDM（FilteredOFDM）技術。已有的4G的OFDM已經無法滿足5G時代的發(fā)展要求，雖然OFDM可以通過串/并轉換調制將高速率數據傳輸至相互正交的子載波上去，并按照要求引入相應的循環(huán)前綴，使碼間串擾問題得到有效解決，然而缺乏靈活性還是OFDM最突出的問題。目前，F-OFDM不僅可以為不同業(yè)務提供與之相匹配的Numerology和子載波間隔，以期更好的滿足不同業(yè)務所需要的時頻資源，而且F-OFDM還可以通過對濾波器的設計進行優(yōu)化來有效降低帶外泄露問題發(fā)生率，且能夠將不同子帶間的保護帶開銷控制在1%左右，在提高頻譜利用率的同時，也可以實現對碎片化頻譜的有效利用。2.新多址技術SCMA（SparseCodeMultipleAccess）技術。在5G無線通信系統(tǒng)中，新多址技術將會對空口資源的分配方式起到決定性作用，其能夠使連接數和頻譜效率大大提高。SCMA在5G無線通信系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用主要是由低密度擴頻和高維調制兩個關鍵技術所決定，其中低密度擴頻技術能夠將單個子載波的用戶數據按照一定的方式擴頻到4個子載波上，可供6個用戶共享。之所以叫低密度擴頻，主要還是由于用戶數據只占用了其中2個子載波，這就使得另外2個子載波是空的，既SCMA中Sparse(稀疏)的來由。高維調制技術中主要是對相位和幅度進行調制，這樣不僅可以使多用戶星座點間的歐氏距離被拉的更遠，而且還可以提高多用戶解調和抗干擾性能。實際上，每個用戶的數據都能夠借助系統(tǒng)分配的稀疏碼本來達到高維調制的目的，加之系統(tǒng)又掌握了每個用戶的碼本，這樣一來在不正交的同時，就可以將不同用戶最終解調出來。
2.3異構無線通信技術
基于5G無線通信背景下，一般會產生多樣性的互聯(lián)網節(jié)點，并使其所覆蓋的區(qū)域得到有效拓寬。在異構無線通信技術構建過程中，要做好以下兩個方面的工作：1.小區(qū)部署。其通常是指在城市的每個小區(qū)中按照要求布置高質量的小基站，這樣既可以形成一個健全、完整的宏蜂窩網絡，而且還可以全面提高數據信息的容量和互聯(lián)網體系的傳輸速度；2.D2D通信。其主要負責滿足部分區(qū)域的數據實際需要，并確保相鄰設備之間的數據信息交換，從而使5G無線通信系統(tǒng)的傳輸效率與質量大大提升。在5G無線通信系統(tǒng)中，D2D的應用場景如下：1.應急通信。在5G無線通信系統(tǒng)運行階段，如果通信網絡基礎設施出現問題，終端之間可以借助D2D連接來構建無線通信網絡，進而在終端之間實現無線通信，保證后續(xù)災難救援工作的順利進行；2.社交應用。借助D2D的發(fā)現功能可以使用戶挖掘鄰近區(qū)域相對比較感興趣的用戶，同時還可以在鄰近用戶間實現數據信息的有效傳輸，如互動游戲、內容分享等；3.物聯(lián)網增強。基于海量終端場景下，對于一些低成本終端并非與基站直接接入，而是以D2D的方式來與鄰近的特殊終端進行連接，這樣一來既可以借助該特殊終端來實現與蜂窩網絡的有效連接。
2.4云計算技術
近些年來，在信息技術快速發(fā)展的背景下，5G無線通信系統(tǒng)具有“大連接”、“大帶寬”、“低延時”的特征，涌現出了大量的新型數字化業(yè)務，且逐步實現了生活數字化、產業(yè)數字化，讓數據和連接無處不在。目前，5G無線通信系統(tǒng)開始與云計算技術進行結合組成了智能化基礎設施，為推動智慧社會的發(fā)展奠定了良好基礎。在新型信息基礎設施中，云已經成為其中比較關鍵的組成部分，并且為政企提供了多元化的數字化服務。在5G時代背景下，云計算技術也得到了快速發(fā)展，具體表現在下述幾個方面：（1）在各路云服務商中，邊緣計算成為新的競爭亮點，在一定程度上推動了5G時代云業(yè)務的發(fā)展，且具有比較大的發(fā)展?jié)摿?。通常情況下，云服務的頭部公司主要是借助云計算技術的優(yōu)勢來把云技術按照一定的方式下沉到邊緣側，以達到強化邊緣側人工智能的目的。同時，工業(yè)企業(yè)還可以借助豐富的工業(yè)場景來進行邊緣計算，以此來提高現場級控制力，并未下一代智能化基礎設施布局奠定了良好基礎；（2）云網融合的有效協(xié)同。如今，電信運營商開始拓展和豐富云業(yè)務類型，同時一些頭部的云服務企業(yè)也開始擴大網絡投資建設規(guī)模，并通過云網融合的方式來為廣大客戶提供更好的云使用體驗。如今，隨著以“上云專線”、“云間互聯(lián)”為核心的云網融合產品不斷發(fā)展和成熟，云網融合開始從簡單互聯(lián)開始過渡到“云+網+業(yè)務”模式。實際上，云與企業(yè)應用相融合，還可以拓展云網融合產品的行業(yè)屬性，并為用戶提供更好的使用體驗。此外，云與ICT服務融合，還可以確?；A性服務能力與云網融合產品結合更緊密，以期更好的滿足用戶的彈性需求。
2.5毫米波高頻段通信技術
基于網絡時代背景下，頻譜資源變得越發(fā)稀缺，此時可以借助毫米波高頻段通信技術給予有效解決。毫米波一般是指波長范圍在1-10mm間的電磁波，其在無線通信系統(tǒng)中得到了廣泛應用。在應用毫米波時，要對毫米波散失現象給予重點考慮，并采取有效措施給予預防和解決，以此來提高5G無線通信系統(tǒng)的運行效率。毫米波與微波通信具有比較大的差異，尤其是在多徑數目和傳輸信道模型方面，正是由于這些問題的存在，從而導致現有的MIMO通信系統(tǒng)不能在毫米波通信系統(tǒng)中得到應用。為了使上述問題得到有效解決，毫米波高頻段通信技術概念被提出，其主要引入了模擬域波束成形和數字域波束成形的概念，并成為5G無線通信系統(tǒng)研究的重點。
2.6大規(guī)模MIMO技術
通常情況下，大規(guī)模MIMO技術一般是指在基站端設置階段，所設置的線與線陣列比現有天線數更大，而且能夠為多個用戶同時提供良好的服務。在現實生活中，人們普遍認為數百根天線的服務用戶數量僅在天線總數量中占比10%，且在實際服務過程中，主要在分散的區(qū)域內開展工作，或根據實際情況，來給予集中配置，以此來更好的滿足實際發(fā)展需求。大規(guī)模MIMO技術具有多方面的優(yōu)勢，以此在更多的領域中得到應用，通過大規(guī)模設置，能夠確保系統(tǒng)獲取大量的物理特性，但是以往的常規(guī)方法不具備該物理特性優(yōu)勢，進而無法達到預期的應用效果。在5G無線通信系統(tǒng)中，大規(guī)模MIMO技術具有的優(yōu)勢如下：1.受5G無線通信系統(tǒng)發(fā)展的影響，使天線數量與日俱增，并使現有的通信渠道具備正交特征，使不同用戶間的干擾現象得到徹底消除，以期更好的滿足實際發(fā)展需求，并不斷提高5G無線通信系統(tǒng)的容量；2.隨著天線數量的增多，將會使實際的信道與熱噪聲均勻化，并借助大規(guī)模MIMO技術從源頭上來避免用戶深入衰落，并調整和優(yōu)化原本的調度方針，縮短延遲等待時間；3.實現波束能量的快速對焦和聚集，這樣既能夠提升其實際分辨率，而且通過啟用更大量的天線來達到降低能耗，提升陣列增益的目的。
三、結束語
綜上所述，隨著科學技術的發(fā)展，極大的推動了我國5G無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，而且在世界上占據著領先的地位。作為通信技術人員，要對5G無線通信系統(tǒng)給予全方位了解和掌握，并結合實際情況來對綠色通信技術、空口技術、異構無線通信技術、云計算技術、毫米波高頻段通信技術、大規(guī)模MIMO技術進行選擇，以此來提高5G無線通信系統(tǒng)的運行效率。
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作者：顏麗娟 王軍 徐鵬 單位：解放軍78090部隊