面向5G无线通信系统的关键技术分析研究

摘要：我国自2019年开通5G无线通信服务以来，经过两年的发展，正式进入5G无线通信时代。5G无线通信服务实现主要依托于5G无线通信系统的构建。在此系统构建过程中，应用到多种先进性、高效性、节能型的关键技术，在这些技术支撑下，无线通信系统信息传输效率得以大幅增长。为增强5G无线通信系统应用广泛性，文章基于5G无线通信系统发展现状，分析介绍了5G无线通信系统的网络结构，并在此基础上探寻了面向5G无线通信系统的关键技术，旨在增强人们对5G无线通信系统及其关键技术的了解，进而推动5G无线通信系统的快速发展。

关键词：5G无线通信系统；无线通信网络；关键技术

一、引言

互联网时代，信息技术与移动通信技术不断创新优化，推动了我国移动通信网络发展。5G无线通信系统是在5G通信技术基础上诞生的新型通信网络，打破了传统宏基站模式，深度融合了多种无线通信资源及技术，使数据传输更加高效并且运行能耗更低，且通信服务更加多元化。5G无线通信系统功能实现，要依赖于多种关键技术，因而技术人员应对面向5G无线通信系统的关键技术有详细了解，并结合5G通信的系统架构进行深入分析，以此增强系统运行的稳定性与安全性，实现通信服务质量有效提升的目标。

二、5G无线通信系统发展分析

通信技术是当今时代人们生活不可或缺的重要技术。无线移动通信诞生，弥补传统固定电话通信范围过窄、通信速度较慢的弊端，极大豐富了人类通信体验。无线通信系统最早诞生于20世纪80年代中期，应用模拟通信技术，可将频率介于300Hz-3400Hz之间的语间信号转换成高频载波，进行远距离通信。因存在串号或盗号问题，以模拟调制为基础的1G系统逐渐被数字调制模式的2G系统所取代。但因网速仅能达到每秒钟9.6KB，因而逐渐过渡为利用CDMA技术的3G无线通信系统，此系统的峰值速率可达到每秒钟384kbit，而后结合应用了TD-LTE与FDD-LTE制式的4G无线系统取代的了3G系统，此系统每秒钟的峰值速率可达到100Mbps。在不足30年的时间里，无线通信技术由1G发展至4G。由于互联网快速普及应用，网络用户量快速增长，网络传送数据体量越来越庞大，并且数据种类不断增多。为满足社会发展需求，5G无线通信网络系统应运而生。与4G系统相比，5G系统应用的是超密集小区体系结构，其资源利用率比4G系统提升了10倍，系统数据吞吐量是4G系统的50-100倍。并且在毫米波技术支持下，5G系统的频率资源扩增了4倍以上，5G系统的峰值速度可高达每秒钟10Gbps。5G技术的关键性能详见表1所示。

三、5G无线移动通信网络结构

（一）异构无线通信网络

5G无线通信系统为满足多元化需求，融合应用了多种技术及业务，以小小区、微小区、宏小区等异构密集分布的多种网络节点实现5G信号有效覆盖。此种分布方式既促进了5G系统网络吞吐量提升，也使多元化无线通信需求得到了满足，并且无线通信系统负载也可实现有效转移。现阶段，针对5G无线通信系统所构建的异构无线通信网络主要涵盖两种网络架构，一是小小区异构网络，二是D2D异构网络。前者是以小但精密的基站为基础重新部署已构建完成的宏蜂窝网络，以使整个网络数据容量得到提升，进而优化通信服务水平。后者则是改变蜂窝网络相关移动装置的安装位置，进而增强链路的数据信号传送能力，以有效预防与化解局部地区的突发性通信问题。

（二）大规模MIMO技术通信网络

虽然异构无线网络架构的应用优化了5G无线通信系统网络性能，然而应用时可能会影响其他小小区、D2D或宏蜂窝用户的正常通信，会导致整个系统的通信水平下降。为此，技术人员运用大规格MIMO技术设计了一种可使系统通信频谱效率有所提升的大规模MIMO技术通信网络，此种输入与输出通道更多的通信技术可提升5G无线通信网络系统的发射功率，也可增大带宽，能够基于此技术的灵活性为技术应用空间拓展提供支持，且可使无线蜂窝通信系统的性能得到优化，并扩大系统覆盖范围，增大频率利用率，促进5G无线通信技术的优化与创新。应用实践中，5G无线通信系统之中设置若干个基站端、天线，或是通过多达几百个的天线集中布设构建而成大规模天线矩阵，或是将之分散布置在小区范围之内，从而为多个用户提供通信服务。此种配置方式应用，可增强平均通信系统信道衰落的均衡性，也可平衡热噪声，并且应用正交性信道方式后，系统信道的容量会有所扩大，且用户通信之间的相互干扰可得到有效消除，如此，可在用户通信服务需求满足的基础上提升用户满意度。

四、面向5G无线通信系统的关键技术分析

5G无线通信系统构建，实现了多种通信资源有效融合，同时还应用了多种不同异构模式，但还需在此基础上应用多种起到关键作用技术，在这些技术支持下，优化无母通信网络流量激增问题，并使无线通信网络的信号干扰抵御能力大幅提升。5G无线通信系统构建中应用到的关键技术主要有以下几种：

（一）毫米波高频通信技术

5G技术发展过程中，由于频谱资源数量有所不足，因而5G无线通信系统发展受到了一定限制。在不断研发与实践过程中，研究人员研发了毫米波高频通信技术，此技术可有效化解频谱资源不足问题。毫米波通常是指波长在1mm至10mm区间范围内的电磁波。在此技术逐步发展之后，人们对5G无线通信系统领域中毫米波应用给予了高度关注。虽然毫米波应用优势显著，然而其也具备一定缺陷问题。如毫米波应用时，常会出现散射现象，因而会对5G无线通信系统的稳定运行产生不利影响。同时，毫米波高频通信技术的发展仍不成熟，还需要进一步的测试与优化。实际应用中，主要是将毫米波高频通信技术应用于低频通信方面。但在5G无线通信系统当中，此技术仍然具备较高的应用价值。

（二）5G空口技术

由于5G无线通信系统比4G无线通信系统的数据信息传送速度更快，并且可实现数据灵活应用，因而可将空口技术应用于5G无线通信系统的构建过程中。此技术的应用，可为每秒钟网络信息传输速度为1G的宽带运行提供支持，且可增强通信传输的便利性与快捷性，还可与传感器融合应用，能够打造出具备高强度网络信号的网络通信系统，可使无线网络通信的覆盖范围更广。5G无线通信网络系统中可应用的空口技术有高频与低频两种。

1.高频新空口技术

此类型空口技术应用了极大带宽信道，并且采用了高密度设置方式，此技术应用后，无线通信系统的数据传输速度更快，并且可实现高密度流量数据传送，在具备较强信号指向、覆盖范围不大的应用场景中应用率较高，在热点及容量较高的通信环境下具有一定应用价值。

2.低频新空口技术

这是一种融合了多种技术的空口技术类型，除了应用了大规模多天线阵列技术，还将调制编码技术、新型多址技术融合其中，在覆盖范围较大、连续性强、容量高、但时延与热点较低的通信场景中较为适用，低频新空口技术的应用，可使5G无线通信系统得以更加稳定与安全运行。

（三）异构无线通信技术

1G、2G及3G无线通信系统所应用均是单层蜂窝网络，由于此种网络形式的通信方式较为单一，因而与日益提高的多元化通信需求不相适应，并且无法达到有效转移通信系统负荷目的。因而，在4G无线移动通信系统开发时，则利用异构蜂窝网络替代了单层蜂窝网络。在异构无线通信技术支持下，网络容量进一步扩充，系统数据传送水平有了大幅提高。互联网蓬勃发展又促进了通信需求的逐步提升。在此种情况下，在异构蜂窝网络的基础上，融入了D2D通信技术、小区部署技术等多种通信技术。在已有技术支持下组建成集合了多种信息技术的网络节点。此类网络支持增强了5G无线通信系统对多类型或多技术规范网络的兼容性，实现了多个网络的融合联通，依托异构无线信息技术的应用，5G无线通信系统的应用范围得以进一步拓展。

（四）自组织技术

1G至4G的无线网络通信系统均需要采用人工方式实现移动网络通信系统的控制。在动态控制的过程中，所需消耗人力成本及物资与资金均较高，因而移动通信网络构建与运行成本居高不下。面对网络信息技术持续优化与高速发展，5G无线通信系统構建过程中，需要注重运营成本降低。因而可在自组织技术支持下，强化执行系统的自组织功能，进而对人工管理方式进行替代，如此可有效节约人力及物力资源，实现通信企业总成本有效降低。自组织技术应用，可增强5G无线通信系统运行智能性，可实现系统独立配置与自动恢复。在5G无线通信系统规划及网络部署的过程中，均可确保系统的自动化运行，对周边环境所产生的干扰与影响也可大幅降低。由于5G无线通信系统具备极为复杂的内部结构，因而对其实施控制存在一定难度，为此，自组织技术应用前，需要科学制定应用方案，全面分析网络需求，并制定出能够满足网络通信需求的可行性自组织计划。同时，还需要对网络的自组织水平进行全面检查，对其中不足或缺陷之处进行弥补，并需设定5G无线通信系统持续优化与改进的方案，进而保证5G无线通信系统的自动化运行。

（五）云计算技术

自5G无线通信系统诞生以来，人们工作、生活等多个领域逐渐融合了无线通信技术，正式将我国推进了5G发展时代。基于这一时代背景，传统以网络计算或分布式计算为代表的无线通信技术将难以为人们日渐提高的通信需求提供有力支撑。面对5G时代背景下数据信息量的快速爆发式增长，网格式、并行式以及分布式计算方法的计算效率相对较低，因而会对系统数据传送效率产生不利影响。为此，需要通过云计算技术的有效应用，为5G无线通信系统的高效运行提供技术支持。因而，云计算技术也是5G无线通信系统的关键技术之一。实践应用中，主要是利用移动云计算技术统计大规模数据，而后在分布式网络资源支持下，引导用户参与数据共享或利用，如此既能使5G无线通信系统的终端设备具备更高的计算能力，也可促进通信网络数据传输的速度增长，且可显著提升人们应用5G无线通信系统的体验感受，进而可为5G无线通信系统的应用与发展产生有效驱动。

（六）绿色通信技术

绿色通信技术在4G无线通信时代便被提出，此技术是4G无线通信系统构建的重要技术之一，然而由于当时此技术成熟性不足，因而未能完善绿色通信功能。互联网技术持续发展与优化的同时，通信技术等级也逐步提升，并且5G无线通信系统的传输信号应用的多为毫米波，此种信号传输模式虽增强了无线通信网络信息的同步性，并使之沟通功能得以进一步强化。然而传输应用时，由于毫米波不具备强大的散射或绕射功能，因而空气水分以及细颗粒物会吸收毫米波，从而导致出现大量路径损耗，为此，需要利用绿色通信技术的应用降低5G无线通信系统的能量损耗。

1.高效能绿色通信技术

自绿色发展理念提出以来，通信领域也致力于5G无线通信系统的绿色化与持续化发展，技术人员针对绿色通信技术展开了深入研究，目前已开发出了多种具有良好效用的绿色通信技术。一是功率调节技术，以技术可基于5G无线通信系统业务量多少对5G基站所应用器件的功率进行合理调节，进而降低基站的功耗。二是信号包络峰值因子缩减技术，此技术的应用可对5G无线通信系统各个器件的信号包络峰值因子进行主动缩短，主要从器件层面着手降低功放单元的功耗。三是小小区技术，在网络层级上应用5G无线通信系统，使系统传输功耗得到大幅削减。四是高能效传输技术，此技术能够优化链路层的传输功率，可使整个系统的信号传送质量得到大幅提升，进而实现传输功耗节约的目的。

2.自动化控制技术

一些专家针对5G无线通信系统的通信基站展开了详细的调查研究，将5G无线通信基站的组成结构划分为五个部分，一是电源系统，二是空调系统，三是收发设备，四是配电系统，五是照明装置。这五部分结构当中，能耗最高的部分是空调系统，其电能损耗量在总能耗中的占比高达46%，其次是收发设备，能耗占比为43%，而电源系统与照明装置的能耗占比分别为8%与3%，而配电系统则不损耗任何能源。通过这一分析发现，5G无线通信系统的能耗控制应将空调系统作为重点，因而技术人员研发出了自动控制技术，可在此种绿色技术支持下有效监测与合理调控基站空调系统的温度情况，并能实现空调功率的自动化调整，进而达到基站空调系统能耗有效降低的目的。除此之外，基站收发设备的能耗占比也较高，针对此部分，则可应用分布式基站组网方式，在双密度载频、智能关断等技术支持下有效调控基站的收发设备，如此可大幅削减基站射频信号的功率损耗，也可减少基带及静态功放的功耗值，从而在这些绿色通信技术有效支持下确保绿色通信目标的有效实现。

五、结束语

与其他几代无线通信系统相比，5G无线通信系统信息的传送速度更快、通信覆盖范围更广，具备更强的信号干扰抵御能力，这是由于其应用了异构无线通信网络以及大规模MIMO技术通信网络结构，显著提高了5G系统链路层的数据信号传送水平，可实现系统信道容量的扩增，能将不同通信用户之间的通信干扰问题有效消除。此外，5G无线通信系统的功能发挥，还需应用多种关键技术，除了支持异构无线通信网络的异构无线通信技术以外，也需要5G空口技术、云计算技术、自组织技术、毫米波高频通信技术等技术支持，还应将绿色通信技术融合于5G无线通信系统之中，从而优化5G无线通信系统通信质量，减少系统运行功耗，为5G无线通信系统平稳与长效发展提供技术保障。

作者单位：张晓东    山西信息规划设计院有限公司

参  考  文  献

[1]郑国鑫.关于面向5G无线通信系统的关键技术分析[J].中国新通信，2017，19（12）：1.

[2]王小飞.关于面向5G无线通信系统的关键技术分析[J].数字通信世界，2018，161（5）：109.

[3]陈彦澔.面向5G无线通信系统的关键技术初探[J].中国新通信，2018，20（1）：1.

[4]周雯，李明.面向5G无线通信系统的关键技术探究[J].信息周刊，2020（5）：1.

[5]邱新平.面向5G无线通信系统的关键技术探讨[J].中外企业家，2020（9）：1.