5G 无线通信系统标准化设计与关键技术

陈 远，杜骏彪，乔欢庆

（1.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州山脉通信有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

随着移动互联网的快速发展，人们对于无线通信系统的需求越来越高。为了满足这一需求，5G 无线通信系统应运而生。5G 无线通信系统是一种新型的无线通信系统，它具有更高的数据传输速率、更低的延迟以及更高的可靠性。为了实现5G 无线通信系统标准化设计，需要对其进行深入探究，为后续发展提供有力的支持[1]。

1 5G 无线通信系统标准化设计

1.1 5G 无线通信系统标准化的现状和发展趋势

1.1.1 现 状

目前，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）已经发布了5G 新空口（New Radio，NR）标准，包括非独立组网（Non-Standalone，NSA）和独立组网（Standalone，SA）2 种模式。国际电联无线电通信部门（International Telecommunication Union Radiocommunication Sector，ITU-R）已经制定了5G 的技术要求和频谱规划。

1.1.2 发展趋势

5G 标准化将继续向前推进，包括更多的技术细节和应用场景的标准化。5G 将会在更多的领域得到应用，如智能交通、智能制造及智慧城市等。此外，5G 将会与其他技术相结合，如人工智能、物联网等，支撑更加强大的应用场景。5G 标准化将会越来越注重全球统一标准，以便更好地实现全球互联互通。

1.2 5G 无线通信系统标准化的主要内容和流程

1.2.1 主要内容

（1）频谱。5G 无线通信系统需要使用更高的频段，因此需要制定新的频谱规划和管理标准。

（2）网络架构。5G 无线通信系统需要支持更多的设备和更高的数据传输速率，因此需要制定新的网络架构标准。

（3）安全性。5G 无线通信系统需要更高的安全性保障，因此需要制定新的安全性标准。

（4）设备互操作性。5G 无线通信系统需要支持不同厂商的设备之间的互操作性，因此需要制定新的设备互操作性标准。

（5）服务质量。5G 无线通信系统需要支持更高的服务质量，因此需要制定新的服务质量标准。

1.2.2 标准化流程

5G 无线通信系统标准化的流程包括需求分析、技术研究、标准制定、标准发布以及标准推广。需求分析包括技术需求、市场需求以及用户需求。技术研究包括频谱、网络架构、安全性、设备互操作性以及服务质量等方面的研究。标准制定包括频谱规划和管理、网络架构、安全性、设备互操作性以及服务质量等标准。由相关组织和机构发布标准，通过标准推广促进5G 无线通信系统的发展，提高其应用水平。

1.3 5G 无线通信系统标准化的挑战和解决方案

1.3.1 挑 战

首先，频谱资源的有限性是制约5G 发展的瓶颈，如何合理分配和利用频谱资源是一个重要的问题。其次，5G 网络需要支持多种不同的应用场景和服务，导致网络架构变得更加复杂，如何提高网络的灵活性和扩展性也是一个挑战。再次，5G 网络将连接更多的设备、承载更多的数据，如何保证网络的安全性和隐私保护也是一个重要的问题。从次，为了保证不同厂商的设备和服务能够互相兼容，5G 网络需要统一的标准。最后，5G 网络需要更多的技术支持，如多输入多输出（Multiple In Multiple Out，MIMO）、波束成形（Beamforming）等，如何控制技术成本也是一个重要的问题[2]。

1.3.2 解决方案

采用更高效的频谱利用技术，如动态频谱共享、毫米波等技术，同时加强频谱管理和分配。利用虚拟化技术、云化技术等实现网络的灵活性和扩展性，同时可以采用网络切片技术来实现不同应用场景的定制化服务。使用加密技术、认证技术等保证网络的安全性和隐私，加强网络监管。加强标准化组织的协调和合作，采用开放式标准化模式，鼓励不同厂商的设备和服务互相兼容。采用集成电路技术、软件定义网络等技术来降低技术成本，推动产业链的合作协调。

2 5G 无线通信系统关键技术

2.1 物理层技术

2.1.1 大规模天线阵列技术

利用多个天线进行信号传输和接收，从而提高系统的传输速率，扩大覆盖范围。大规模天线阵列技术可以实现波束成形，将信号聚焦在特定方向上，从而提高信号的传输效率和抗干扰能力。此外，大规模天线阵列技术可以实现空间复用，即在同一频段上同时传输多个用户的数据，提高系统的频谱效率。

2.1.2 毫米波通信技术

毫米波通信技术利用高频率的电磁波进行通信，从而提高系统的传输速率和容量。此外，毫米波通信技术可以利用更宽的频带进行数据传输，提高系统的频谱效率。

2.1.3 多用户MIMO 技术

利用多个天线同时传输多个用户的数据，从而提高系统的频谱效率和容量。多用户MIMO 技术可以利用空时编码对多个用户的数据进行编码，在同一频段上进行传输[3]。

2.2 5G 无线通信系统的网络层技术

2.2.1 SDN 技术

软件定义网络（Software-defined Networking，SDN）将网络控制和数据转发分离，通过集中控制器对网络进行统一管理和控制。在5G 无线通信系统中，SDN 技术可以实现网络资源的动态分配和优化，提高网络的灵活性、扩展性、安全性以及可靠性。

2.2.2 网络切片技术

网络切片是一种将网络资源划分为多个独立、可定制的虚拟网络的技术。5G 无线通信系统中，网络切片技术可以根据不同的业务需求和服务质量要求，为不同的用户提供个性化的网络服务。通过网络切片技术，可以实现网络资源的高效利用和灵活配置，提高网络资源的利用率和用户体验。

2.2.3 蜂窝网络与无线局域网融合技术

蜂窝网络和无线局域网是2 种不同的无线通信技术，它们在覆盖范围、传输速率、服务质量等方面存在差异。在5G 无线通信系统中，蜂窝网络与无线局域网融合技术可以将2 种技术有机结合，实现无缝切换和资源共享，提高网络的覆盖范围和传输速率，同时提高服务质量和用户体验。

2.3 5G 无线通信系统的安全技术

2.3.1 身份认证和密钥管理技术

（1）用户身份认证技术。通过用户身份认证技术，可以确保通信双方的身份真实可信。5G 无线通信系统中，用户身份认证技术主要采用基于证书的认证方式，即通过数字证书来验证用户的身份。

（2）密钥管理技术。密钥管理技术是保障通信过程中数据传输安全的关键。5G 无线通信系统中，密钥管理技术主要采用基于公钥密码学的方式，即通过公钥加密和私钥解密的方式确保通信过程中数据传输的安全。

（3）安全密钥协商技术。安全密钥协商技术是在通信过程中动态生成密钥，确保通信过程中数据传输的安全。5G 无线通信系统中，安全密钥协商技术主要采用Diffie-Hellman 密钥交换协议，即通过交换公钥生成会话密钥，确保通信过程中数据传输的安全[4]。

2.3.2 加密和解密技术

（1）对称加密技术。对称加密技术指在通信过程中，发送方和接收方使用相同的密钥进行加密和解密。5G 无线通信系统中，对称加密技术主要采用高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）算法，确保通信过程中数据传输的安全。

（2）非对称加密技术。对称加密技术指在通信过程中，通信双方使用不同的密钥进行加密和解密，这些密钥被称为公钥和私钥。公钥用于加密数据，而私钥用于解密数据。这种加密方式比传统的对称加密更安全，即使攻击者获得了公钥，也无法轻易地解密数据。5G 无线通信系统中，非对称加密技术主要采用RSA 算法来确保通信过程中数据传输的安全。

2.3.3 安全通信协议技术

5G 无线通信系统需要采用安全通信协议来保护通信内容的完整性和可靠性，常用的安全通信协议包括安全传输层（Transport Layer Security，TLS）协议、互联网安全协议（Internet Protocol Security，IPSec）、安全外壳（Secure Shell，SSH）协议等。这些协议可以确保通信的安全性，通过加密、认证以及完整性保护等方式对数据进行保护。同时，5G 无线通信系统需要采用安全的网络架构和防火墙技术来保护网络安全。

3 实践应用

3.1 智能交通

在智能交通领域，5G 无线通信系统可以提供更高的带宽和更低的延迟，从而实现更可靠的车联网通信，提高交通安全性和交通效率。5G 无线通信系统还可以支持更多的车辆同时连接，提供更高的网络容量，实现更好的网络覆盖。智能交通领域的5G 无线通信系统如图1 所示。

图1 智能交通领域的5G 无线通信系统

3.2 智能制造

在智能制造领域，5G 无线通信系统可以提供更快的网速和更低的延迟，从而实现更快速、更可靠的工业物联网通信，提高生产效率和产品质量。同时，5G 无线通信系统可以支持更多的设备同时连接，为智能化生产提供有力支撑。

3.3 智慧城市

在智慧城市领域，5G 无线通信系统可以提供更快的网速和更低的延迟，这将使得城市之间的通信更加智能化，从而提高城市管理效率和居民生活质量，为人们的生活带来极大便利[5]。

4 结 论

通过对5G 无线通信系统的标准化设计和关键技术进行深入探析，提出了一些有价值的思考和建议。未来，需要进一步加强5G无线通信系统的标准化设计，以推动5G 无线通信技术的发展和应用，为社会的发展和进步做出更大的贡献。