5G 通信网络中的数据传输可靠性优化策略研究

张磊

（广东南方通信建设有限公司，广东 广州 510630）

0 引言

5G 通信网络技术理论上数据传输速度可以达到20Gbit/s，具有高速数据传输、良好网络兼容特点。随着5G 技术在各大城市的普及，其在工业生产和日常生活中逐渐发挥独特的作用，为社会经济发展提供了技术条件。5G 通信技术在签订网络协议的基础上，实现数据的全面传输，但在数据传输过程中会增加信号带宽，对基带信号处理速度提出了更高的要求。

1 5G 通信网络

1.1 5G 通信网络概述

5G 通信技术定义名为“IMT-2020”，预计理想状态下5G 通信网络数据传输速度可以达到20Gbit/s 以上，用户可每秒进行2.56GB 文件的下载，比较4G 网络通信技术而言在数据传输速度上高出10 倍左右。通信企业经过大量的试验研究，对5G 的数据传输效率进行验证，结果在超高频段内和超远距离内进行数据传输具有良好的效果。5G 网络通信采用高频波长数据传输方式，建立自适应阵列使得数据交换、数据追踪定位功能良好、准确，其网络架构如图1 所示。

图1 5G 网络通信架构

AAU 是网络通信基站中的有源天线处理单元，通过Massive MIMO 技术实现大规模数据的输出和输入。BBU 则是网络通信基站中的基带处理单元，通过分布式架构，实现多个通道的网络数据传输。核心网中的MEC 为移动终端访问提供边缘侧计算服务，通过数据资源的合理部署，完成数据库访问和数据传输的目标。NGC 是5G 技术发展衍生出的云原生网络架构，具有强大的基础资源分布能力[1]。

1.2 5G 通信网络特点

5G 通信网络利用上述部署形式实现数据的科学传输，可应用到智能家居、智慧城市建设、环境监测等多个领域，具有良好的性能指标，而且在数据传输的峰值速率、远程连接接口时延、网络连接距离、频谱效率、覆盖广域、流量密度、移动连接上均具有明显的优势。5G 通信网络的性能指标具体如表1 所示。

表1 5G 通信网络性能指标

2 5G 通信网络数据传输可靠性分析

2.1 技术内容

5G 网络通信在数据传输上应用超密集异构网络部署方式，为了满足用户不断日益增长的数据传输需求，于是灵活应用多种技术进行通信数据传输，具体技术内容如下。

超密集异构网络部署：通信网络的基站部署使用超密集异构技术，使得数据传输信号网络的覆盖范围有所增加，空间谱的利用率有所提高。在4G 网络通信向5G 网络通信转化的过程中，蜂窝小区构建模块已经逐渐被淘汰，通信网络空间分割区域逐渐被细化，为满足空间域对5G 通信网络基站部署的实际要求，采用超密集异构部署方式（图2），利用复用频率进行数据的传输[2]。

图2 超密集异构网络部署

D2D 技术：移动终端设备是5G 网络通信技术的主要对象，移动设备数量不断增加，大批量的用户同时访问网络服务器，对无线通信网络传输提出了更高的要求。现阶段基于5G 通信网络下的移动终端主键采用LTE-D2D 技术进行连接，使得移动终端主键之间的数据传输影响有所降低，数据传输效率极大程度提高。

MIMO 技术：MIMO 技术将信号发射端和信号接收端进行优化部署，用于改善网络通信数据传输的质量。在数据发送和数据传输过程中，多频天线的搭建可在不改变频率和功率的基础上，使得信道质量得以满足用户需求。

新型多址技术：新型多址技术应用可实现多个用户在同一个基站内的用户数据传输。5G 技术应用可应用新型多址技术实现对大量信息的科学处理，其中包括SDMA 技术、FDMA 技术等，通过算法优化的方式来增加系统频率数量和信息接入容量。

毫米波技术：毫米波技术在频段为30GHz～300GHz频段内的数据传输中应用效果良好。其波段具有波束窄、波长短特点，基于5G 通信网络的布设可实现小范围内多个频率波之间的快速转换，可以有效避免数据传输过程中出现的干扰问题。

2.2 可靠性提升措施

基于上述技术在5G 网络通信中的应用，若想保障其可靠性，需要从以下几点出发，切实减少数据传输干扰，提高数据传输安全性。

（1）对5G 通信网络架构进行优化，优化数据传输与信号处理的流程，通过空间频谱资源的科学利用，提高数据传输速率和数据传输系统容量。通过毫米波技术的应用，将网络频谱拓展到毫米阶段，可以使得传输频段达到100GHz 以上。

（2）对5G 通信网络路径进行优化，基于现有的移动通信系统，应对网络通信路径进行进一步优化，以LTE 技术为基础进行现有基站资源和核心服务资源的布设，构建完整的5G 网络生态链同时保障数据传输的可靠性。

（3）多进多出技术在5G 通信网络中的应用，有源天线技术目前已经逐步趋于成熟，数据传输的信号发射端可分离出多个小单元，在小单元内进行信号的转化和通信算法优化，在进行中频以及基带信号的传输可同时支持多个用户访问，该技术覆盖范围也有所拓展，适用于广域场景的科学应用。

（4）局部覆盖场景的优化，通过提高峰值速率和用户体验速率的方式，提高区域内数据传输的流量密度。超密集组网技术在5G 网络通信建设中的应用，以高频束波的方式进行赋形，峰值速率可达到10Gbit/s 以上。小覆盖场景则利用频谱共享技术，实现发射端与接收端之间的通道连接，可有效保障数据传输的可靠性。

3 5G 通信网络数据传输可靠性验证

3.1 数据压缩

以5G 通信网络中的基带数据传输为例，其利用下位机组进行二进制的符号输出，将数据传输中的冗余清除，将压缩数据传输到用户设备之中。数据压缩在样点个数进行选取的基础上保持压缩样本量的固定，最终使得压缩过程得以简化。数据压缩样本数量适中从而保障压缩效率满足要求。5G 通信网络使用TD-LTE频谱进行频带信号控制，使得其在有效频段内可以接近于白噪声。以CPRI 网络通信协议为例，其基本频率为3.84MHz。信号功率和振幅会对数据压缩产生影响，但振幅无法瞬时改变，设计信号最小压缩周期为1/3.84μs，数据压缩采样数量为6 个。

在网络协议签订后，数字变频模块输出I/Q 数据，每间隔5 周可进行30 多个样本的传输，确定5 个周期传送的样本点数量相同，为通信基带数据传输提供依据。

3.2 数据调制

在基带数据压缩完成后对5G 通信基带数据进行调制，以达到降低数据传输过程中的信噪比的目的。采用三维正交调幅技术对5G 通信网络的基带数据进行脉冲调幅，使得脉冲波幅值可跟随基带信号的变化而变化。该数据调制方法应用数字调制的方式，将PAM作为数字脉冲载波并且利用AKS 模拟谐波载波。PAM载波采用脉冲序列的布设方式以降低调制信号误差[3]。

3.3 结果分析

验证签订CPRI 协议和5G 基带信号下数据传输的可靠性，采用实验对比的方式，将传统的传输方法与5G 通信网络数据传输方法进行对比分析和可靠性验证。使用VIvado2020 软件中的行为模式进行仿真试验，通过增加模块的方式构成可靠性验证系统。在码率的选择上将模块外部的异步码率进行信号转化，使得其与5G 网络通信协议中的核心数据同步，并在数据组帧第一个周期内进行节点的改变[4]。可靠性验证分别从数据传输时间和数据传输准确性两个角度进行判断，具体内容如下。

3.3.1 数据传输时间对比

对比传统数据传输方法和5G 网络通信部署CPRI协议下的基带数据传输时间，共计设置20 个测试点，选择其中前5 个数据测试点，其结果内容如表2 所示。

表2 数据传输时间对比

根据表2 中的数据对比结果，传统的数据传输时间和经过数据压缩和数据调制后的数据传输时间相比较长，压缩和调制后数据传输的时间明显减少。在20个测点中，均呈现出此变化态势。因此对5G 网络通信部署下的数据传输时间进行分析，其在数据传输效率上具有可靠性特点。

3.3.2 数据传输准确性对比

验证5G 网络通信下基带数据传输的准确度进行对比，从信源数据的角度进行分析，签订CPRI 协议且经过数据压缩和数据调制后的信源数据处理准确度结果如表3所示。

根据表3 中的信源数据传输处理准确度对比结果，进行数据压缩和数据调制的实时信源数据处理准确度最高可以达到100%，且平均数据源传输处理准确度可以达到99%以上。传统信源数据传输处理的准确度不足90%。导致信源传输数据准确度较低的原因可能是在数据传输的过程中出现丢包问题，因此传输效果无法保障。实时信源数据处理准确度较高的原因是数据的压缩处理降低了信号传输的频谱波段，最终数据传输可靠性得到保障[5]。

表3 信源数据传输准确度对比

3.3.3 可靠性分析

对5G 通信网络下的数据传输可靠性进行研究，探讨可靠性优化措施应从以下两点出发。

（1）灵活应用多种技术对网络通信传输的渠道进行优化。已知目前进行网络通信渠道优化的技术包括超密集异构网络部署、D2D 技术、MIMO 技术、新型多址技术、毫米波技术等。不同技术的应用具有不同的优势，通过联合技术保障应用，可以使得5G 通信网络传输可靠性满足要求。

（2）应从信源的角度进行优化，采用数据压缩、数据调制的方式，降低数据传输过程中的误码率，使得信源传输准确度、数据传输时间有所提升，可靠性得以优化。

4 结语

综上所述，本文结合5G 通信网络的特点，以CPRI协议为例对数据传输的可靠性进行研究，从数据传输时间、数据传输准确度角度，对数据传输的可靠性进行验证。最终结果表明，5G 通信网络数据传输利用基带进行数据的压缩处理，可以有效提高数据传输速率，避免数据传输过程中的丢包问题，传输准确性、传输时间均有所降低，数据传输效果良好。