5G网络通信技术的应用

陈亚东

（公诚管理咨询有限公司，广东 广州 510610）

1 5G网络通信技术的基本理论分析

5G网络通信技术的推出必将突破未来网络核心技术体系架构，助力我国通信事业的发展。在明确了5G技术的应用场景与技术发展潜力的基础上，对新时代移动通信系统的未来布局进行有效构建。

1.1 5G网络通信技术的基本技术参数

全球IMT-2020（5G）推进组在2014年正式颁布了有关5G通信网络技术的《5G愿景与需求白皮书》，书中提出了与5G技术相关的关键性能指标。分析实际调查结果得出结论，5G通信网络环境中用户的体验速率相对良好，可以获得最佳的网络连接方式与传输速率。关于连接数密度层面，5G网络则可在相对真实的网络环境中为用户提供单位面积范围内最大的在线设备支持，相比于4G技术可提高7倍以上。此外，5G网络通信技术的端对端时延相对较短，可从数据包到源节点建立传输通道，保证数据内容最终传递到达目的地节点位置，明显缩短了数据的传输与接收时间。5G网络通信技术的技术参数相比于4G优化较大，特别是在移动性参数，满足了更高的通信性能要求，确保信息收发双方都能以相对最大速度实现单位面积区域内的总流量成倍增长。这些技术内容都已经被写入到《5G愿景与需求白皮书》，实现了对5G网络通信场景与关键能效标准的有效定位。5G技术连接广域覆盖场景更大、速率更高。根据用户体验速率反馈，最高可达到100 Mb/s及以上。5G技术的热点高流量场景也相对较多，能够时刻保证用户拥有1 Gb/s以上的体验速率，峰值速率更能达到20 Mb/s以上，流量密度则在50 Tb·s-1·m-2。5G技术可在相对能耗损失较大的网络连接场景下工作，5G连接数密度也会达到4G的数百倍以上，可为未来用户带来更大的网络资源收益。

1.2 5G网络通信技术的数据传输需求

目前，国内外比较普遍应用的依然是4G技术，5G技术尚处于规划发展阶段。但5G技术中设计了与4G技术的移动通信连接功能，可满足两种网络通信技术的数据传输联动。分析目前的各国电信运营商运营状况发现，传统4G技术主要通过同步数字体系发展网络通信机制内容，被称为“烟囱式”的纵向网络架构，严格意义上它的通信技术数据传输扩展性与开放性都有待商榷，直接导致了网络通信数据传输的技术困难与成本提高，且数据传输周期相当长。为了有效适应5G技术对传输网络策略的通道建设优化要求和高流量、高密度、高连接数、高移动性服务要求，全面升级采用光纤技术已经势在必行。光纤的出现也解决了传统4G传输网络数据信号质量下降、传输数据网络与设备界限模糊的问题，它所提供的扁平化网络层次在横向发展5G网络架构方面效果良好，与现有国家电信传输网络形成较好的技术搭配，对5G网络通信技术的未来应用与推广非常有利[1]。

2 5G网络通信技术的拓展关键技术应用分析

我国的IMT-2020（5G）推进组目前已经为5G主要部署场景进行了官方界定，即连接广域覆盖、热点高容量、低功耗、大连接、低时延及高可靠性的新型通信网络技术。5G网络技术是不同于传统移动网络技术的，它已经达到了互联网与物联网相互深度融合发展的高度，甚至能将人与万物互联，其所提供的用户个性化与智能化服务内容更是非常丰富。为了扩大5G网络通信技术的影响力，还需要建设核心网、骨干传输链路，并相应扩大容量，不断提升无线接入网络的吞吐量，力争从通信频带扩展、频率效率提升方面实现小区部署加密与空间复用条件优化，满足移动业务的发展需求[2]。

2.1 全双工通信技术的应用与所面临的现实挑战

为了提升5G网络通信系统容量与无线频谱资源的有效利用率，可采用的5G拓展技术包括最新型的全双工通信技术和以小区加密部署为基准的Femtocell技术。两种关键技术的加入可满足5G移动通信的技术升级需求，也能同时实现对无线通信技术的有效优化。

2.1.1 全双工通信技术的应用分析

全双工技术所建设的无线通信系统环境相对复杂，不同于传统移动通信系统环境的单一网络格局设计，其所设计的是更加复杂的时分双工模式（TDD）与频分双工模式（FDD）。TDD模式主要利用存在于同一载波频率上的不同时隙进行信号发射与接收，而发射与接收信号之间要预留出一定空白时间，此时就需要利用FDD模式对两个相对独立的信道进行分析，结合空白空间分析发射信号与接收信号情况。二者构建了半双工通信模式，这是因为两种双工模式无法实现相互兼容，所以至少有50%左右的无线通信资源被浪费。

相比之下，全双工通信模式则实现了对5G网络通信系统中所有数据资源的信息传输，在理论上其所处理的网络通信数据可达到半双工模式的两倍甚至更多。它所建立的是MAC协议可提高通信网络吞吐量，并改善隐蔽终端相关问题，对增加无线网络用户的公平性十分有利。而且全双工系统还可支持半双工模式，可实现在不同频段上对上下行信息的有效传输，实现对频谱资源的灵活利用与深入挖掘。此外，全双工模式所提供的信息交互保密性更高。窃听者如果想监听5G通信网络信号，只能监听到两个合法用户的信号叠加。这使得窃听者成功破解5G通信网络中密钥的概率大大降低，有效提高了网络安全性。

目前，全双工通信技术已经成为了5G网络通信技术体系的最关键技术，特别是它的全双工自干扰消除技术更提高了用户网络通信质量。该技术能够专门针对天线域与模拟信道进行自干扰抑制。以天线域自干扰抑制为例，当信号发射与接收共用相同天线时，天线域的自干扰抑制主要依赖同频收发隔离器件。当前所采用的基于交叉极化的天线域自干扰抑制技术能确保收发天线之间的隔离度达到至少40 dB。

2.1.2 全双工通信技术所面临的挑战

目前，随着5G网络通信技术的深入研发、规划与初步推广，各国开始围绕全双工通信技术建立基站，以满足该技术的上下行链路全双工数据传输机制运行要求，实现技术应用调整优化。但实际上基站的建设需要基于自干扰消除方面满足技术应用高要求。例如，基站建设本身就需要拥有至少100 dB的自干扰消除能力，而像宏基站这样的大型基站更需要超过130～150 dB的自干扰消除能力。这一高技术要求为全双工通信技术体系的构建与实践应用带来了一定挑战，其存在的信号数据收发互相干扰、异构网络微基站与宏基站中的收发信号相互干扰也必须加以解决。

2.2 Femtocell技术的应用与所面临的现实挑战

2.2.1 Femtocell技术的应用

5G网络通信技术中还包含了Femtocell技术。这是为了有效提高网络通信单位面积中的信息数据吞吐量，即引入Femtocell小区与宏小区共同形成全新的异构组无线网络部署结构，形成新网络通信研究热点。

目前，Femtocell技术的应用场景主要在室内，可解决建筑室内信号覆盖较弱的问题，适应未来无线通信业务的海量爆炸式增粘需求，确保5G网络通信技术逐渐实现标准化发展。新Femtocell技术构建覆盖范围小而精细、低功率的无线接入点，以满足家庭无线网络环境需要；构建室内移动用户的高效率、高频度及高速度移动服务体系，以完善城市网络通信技术体系。一般，一个简单的Femtocell架构可覆盖100～300 m2的室内无线网络，同时还可实现室内移动数据业务的有效分流，合理分配宏基站的无线网络通信工作负担。

Femtocell具有覆盖距离短、容量小及发送功率小等特点，可在相同覆盖范围内为更多的基站进行服务，解决传统站址资源稀缺的问题。此外，Femtocell基站建设对站址的要求非常低，站内技术内容也比宏基站更丰富，可在未来城市5G网络通信技术应用推广中起到关键作用[3]。

2.2.2 Femtocell技术所面临的挑战

目前，Femtocell技术面临着极大发展挑战，即不能很好地适用于成片组网体系。例如，以Femtocell技术为基础的最简宏基站在覆盖方面就存在现实缺陷，必须对宏基站的覆盖数据参数进行调整才可实现基站正常运转。5G网络通信技术应用中，随着移动服务工作频率的不断提高、基站服务覆盖范围的全面缩小，在相同覆盖范围中需要Femtocell技术提供更多基站服务技术辅助。只有Femtocell技术不断优化调整，才能解决传统站址资源严重稀缺的问题，才能满足网络数据信号正常传输需求。

Femtocell技术虽然能提高5G网络通信技术的频谱效率，提升宏基站的信号覆盖区域、覆盖质量及覆盖深度，但在异构网络组合中却面临数据信号干扰问题，即在干扰背景下可发挥网络能效偏低。因此，该技术还应该配合全双工网络通信技术共同解决异构网络中的诸多干扰问题，特别是降低宏基站对Femtocell区域的信号传输影响作用，间接提升5G网络通信的整体性能与服务价值。

3 结 论

5G网络通信技术是未来全球通信技术领域发展的趋势，所以需深入研究新技术内容，提前深入了解5G网络通信技术体系，以实现4G技术应用体系到5G技术应用体系的完美过渡。