張磊

（廣東南方通信建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

5G 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理論上數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到20Gbit/s，具有高速數(shù)據(jù)傳輸、良好網(wǎng)絡(luò)兼容特點(diǎn)。隨著5G 技術(shù)在各大城市的普及，其在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中逐漸發(fā)揮獨(dú)特的作用，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了技術(shù)條件。5G 通信技術(shù)在簽訂網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面?zhèn)鬏?，但在?shù)據(jù)傳輸過(guò)程中會(huì)增加信號(hào)帶寬，對(duì)基帶信號(hào)處理速度提出了更高的要求。

1 5G 通信網(wǎng)絡(luò)

1.1 5G 通信網(wǎng)絡(luò)概述

5G 通信技術(shù)定義名為“IMT-2020”，預(yù)計(jì)理想狀態(tài)下5G 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到20Gbit/s 以上，用戶可每秒進(jìn)行2.56GB 文件的下載，比較4G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)而言在數(shù)據(jù)傳輸速度上高出10 倍左右。通信企業(yè)經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，對(duì)5G 的數(shù)據(jù)傳輸效率進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果在超高頻段內(nèi)和超遠(yuǎn)距離內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有良好的效果。5G 網(wǎng)絡(luò)通信采用高頻波長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式，建立自適應(yīng)陣列使得數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)追蹤定位功能良好、準(zhǔn)確，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 5G 網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)

AAU 是網(wǎng)絡(luò)通信基站中的有源天線處理單元，通過(guò)Massive MIMO 技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的輸出和輸入。BBU 則是網(wǎng)絡(luò)通信基站中的基帶處理單元，通過(guò)分布式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。核心網(wǎng)中的MEC 為移動(dòng)終端訪問(wèn)提供邊緣側(cè)計(jì)算服務(wù)，通過(guò)數(shù)據(jù)資源的合理部署，完成數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)。NGC 是5G 技術(shù)發(fā)展衍生出的云原生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有強(qiáng)大的基礎(chǔ)資源分布能力[1]。

1.2 5G 通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

5G 通信網(wǎng)絡(luò)利用上述部署形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)傳輸，可應(yīng)用到智能家居、智慧城市建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，具有良好的性能指標(biāo)，而且在數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾?、遠(yuǎn)程連接接口時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)連接距離、頻譜效率、覆蓋廣域、流量密度、移動(dòng)連接上均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。5G 通信網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)具體如表1 所示。

表1 5G 通信網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)

2 5G 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性分析

2.1 技術(shù)內(nèi)容

5G 網(wǎng)絡(luò)通信在數(shù)據(jù)傳輸上應(yīng)用超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署方式，為了滿足用戶不斷日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求，于是靈活應(yīng)用多種技術(shù)進(jìn)行通信數(shù)據(jù)傳輸，具體技術(shù)內(nèi)容如下。

超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署：通信網(wǎng)絡(luò)的基站部署使用超密集異構(gòu)技術(shù)，使得數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍有所增加，空間譜的利用率有所提高。在4G 網(wǎng)絡(luò)通信向5G 網(wǎng)絡(luò)通信轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，蜂窩小區(qū)構(gòu)建模塊已經(jīng)逐漸被淘汰，通信網(wǎng)絡(luò)空間分割區(qū)域逐漸被細(xì)化，為滿足空間域?qū)?G 通信網(wǎng)絡(luò)基站部署的實(shí)際要求，采用超密集異構(gòu)部署方式（圖2），利用復(fù)用頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[2]。

圖2 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署

D2D 技術(shù)：移動(dòng)終端設(shè)備是5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的主要對(duì)象，移動(dòng)設(shè)備數(shù)量不斷增加，大批量的用戶同時(shí)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸提出了更高的要求?，F(xiàn)階段基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)下的移動(dòng)終端主鍵采用LTE-D2D 技術(shù)進(jìn)行連接，使得移動(dòng)終端主鍵之間的數(shù)據(jù)傳輸影響有所降低，數(shù)據(jù)傳輸效率極大程度提高。

MIMO 技術(shù)：MIMO 技術(shù)將信號(hào)發(fā)射端和信號(hào)接收端進(jìn)行優(yōu)化部署，用于改善網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。在數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，多頻天線的搭建可在不改變頻率和功率的基礎(chǔ)上，使得信道質(zhì)量得以滿足用戶需求。

新型多址技術(shù)：新型多址技術(shù)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶在同一個(gè)基站內(nèi)的用戶數(shù)據(jù)傳輸。5G 技術(shù)應(yīng)用可應(yīng)用新型多址技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大量信息的科學(xué)處理，其中包括SDMA 技術(shù)、FDMA 技術(shù)等，通過(guò)算法優(yōu)化的方式來(lái)增加系統(tǒng)頻率數(shù)量和信息接入容量。

毫米波技術(shù)：毫米波技術(shù)在頻段為30GHz～300GHz頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用效果良好。其波段具有波束窄、波長(zhǎng)短特點(diǎn)，基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)可實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)多個(gè)頻率波之間的快速轉(zhuǎn)換，可以有效避免數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的干擾問(wèn)題。

2.2 可靠性提升措施

基于上述技術(shù)在5G 網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用，若想保障其可靠性，需要從以下幾點(diǎn)出發(fā)，切實(shí)減少數(shù)據(jù)傳輸干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸安全性。

（1）對(duì)5G 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸與信號(hào)處理的流程，通過(guò)空間頻譜資源的科學(xué)利用，提高數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)容量。通過(guò)毫米波技術(shù)的應(yīng)用，將網(wǎng)絡(luò)頻譜拓展到毫米階段，可以使得傳輸頻段達(dá)到100GHz 以上。

（2）對(duì)5G 通信網(wǎng)絡(luò)路徑進(jìn)行優(yōu)化，基于現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信路徑進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以LTE 技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)有基站資源和核心服務(wù)資源的布設(shè)，構(gòu)建完整的5G 網(wǎng)絡(luò)生態(tài)鏈同時(shí)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）多進(jìn)多出技術(shù)在5G 通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，有源天線技術(shù)目前已經(jīng)逐步趨于成熟，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)射端可分離出多個(gè)小單元，在小單元內(nèi)進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)化和通信算法優(yōu)化，在進(jìn)行中頻以及基帶信號(hào)的傳輸可同時(shí)支持多個(gè)用戶訪問(wèn)，該技術(shù)覆蓋范圍也有所拓展，適用于廣域場(chǎng)景的科學(xué)應(yīng)用。

（4）局部覆蓋場(chǎng)景的優(yōu)化，通過(guò)提高峰值速率和用戶體驗(yàn)速率的方式，提高區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁棵芏?。超密集組網(wǎng)技術(shù)在5G 網(wǎng)絡(luò)通信建設(shè)中的應(yīng)用，以高頻束波的方式進(jìn)行賦形，峰值速率可達(dá)到10Gbit/s 以上。小覆蓋場(chǎng)景則利用頻譜共享技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射端與接收端之間的通道連接，可有效保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 5G 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)壓縮

以5G 通信網(wǎng)絡(luò)中的基帶數(shù)據(jù)傳輸為例，其利用下位機(jī)組進(jìn)行二進(jìn)制的符號(hào)輸出，將數(shù)據(jù)傳輸中的冗余清除，將壓縮數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩粼O(shè)備之中。數(shù)據(jù)壓縮在樣點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行選取的基礎(chǔ)上保持壓縮樣本量的固定，最終使得壓縮過(guò)程得以簡(jiǎn)化。數(shù)據(jù)壓縮樣本數(shù)量適中從而保障壓縮效率滿足要求。5G 通信網(wǎng)絡(luò)使用TD-LTE頻譜進(jìn)行頻帶信號(hào)控制，使得其在有效頻段內(nèi)可以接近于白噪聲。以CPRI 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為例，其基本頻率為3.84MHz。信號(hào)功率和振幅會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)壓縮產(chǎn)生影響，但振幅無(wú)法瞬時(shí)改變，設(shè)計(jì)信號(hào)最小壓縮周期為1/3.84μs，數(shù)據(jù)壓縮采樣數(shù)量為6 個(gè)。

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簽訂后，數(shù)字變頻模塊輸出I/Q 數(shù)據(jù)，每間隔5 周可進(jìn)行30 多個(gè)樣本的傳輸，確定5 個(gè)周期傳送的樣本點(diǎn)數(shù)量相同，為通信基帶數(shù)據(jù)傳輸提供依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)調(diào)制

在基帶數(shù)據(jù)壓縮完成后對(duì)5G 通信基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，以達(dá)到降低數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的信噪比的目的。采用三維正交調(diào)幅技術(shù)對(duì)5G 通信網(wǎng)絡(luò)的基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖調(diào)幅，使得脈沖波幅值可跟隨基帶信號(hào)的變化而變化。該數(shù)據(jù)調(diào)制方法應(yīng)用數(shù)字調(diào)制的方式，將PAM作為數(shù)字脈沖載波并且利用AKS 模擬諧波載波。PAM載波采用脈沖序列的布設(shè)方式以降低調(diào)制信號(hào)誤差[3]。

3.3 結(jié)果分析

驗(yàn)證簽訂CPRI 協(xié)議和5G 基帶信號(hào)下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采用?shí)驗(yàn)對(duì)比的方式，將傳統(tǒng)的傳輸方法與5G 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法進(jìn)行對(duì)比分析和可靠性驗(yàn)證。使用VIvado2020 軟件中的行為模式進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過(guò)增加模塊的方式構(gòu)成可靠性驗(yàn)證系統(tǒng)。在碼率的選擇上將模塊外部的異步碼率進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，使得其與5G 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中的核心數(shù)據(jù)同步，并在數(shù)據(jù)組幀第一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的改變[4]。可靠性驗(yàn)證分別從數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性兩個(gè)角度進(jìn)行判斷，具體內(nèi)容如下。

3.3.1 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間對(duì)比

對(duì)比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方法和5G 網(wǎng)絡(luò)通信部署CPRI協(xié)議下的基帶數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，共計(jì)設(shè)置20 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，選擇其中前5 個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)，其結(jié)果內(nèi)容如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間對(duì)比

根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)調(diào)制后的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間相比較長(zhǎng)，壓縮和調(diào)制后數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間明顯減少。在20個(gè)測(cè)點(diǎn)中，均呈現(xiàn)出此變化態(tài)勢(shì)。因此對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)通信部署下的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間進(jìn)行分析，其在數(shù)據(jù)傳輸效率上具有可靠性特點(diǎn)。

3.3.2 數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性對(duì)比

驗(yàn)證5G 網(wǎng)絡(luò)通信下基帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度進(jìn)行對(duì)比，從信源數(shù)據(jù)的角度進(jìn)行分析，簽訂CPRI 協(xié)議且經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)調(diào)制后的信源數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3 中的信源數(shù)據(jù)傳輸處理準(zhǔn)確度對(duì)比結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)調(diào)制的實(shí)時(shí)信源數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度最高可以達(dá)到100%，且平均數(shù)據(jù)源傳輸處理準(zhǔn)確度可以達(dá)到99%以上。傳統(tǒng)信源數(shù)據(jù)傳輸處理的準(zhǔn)確度不足90%。導(dǎo)致信源傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較低的原因可能是在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中出現(xiàn)丟包問(wèn)題，因此傳輸效果無(wú)法保障。實(shí)時(shí)信源數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度較高的原因是數(shù)據(jù)的壓縮處理降低了信號(hào)傳輸?shù)念l譜波段，最終數(shù)據(jù)傳輸可靠性得到保障[5]。

表3 信源數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確度對(duì)比

3.3.3 可靠性分析

對(duì)5G 通信網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)傳輸可靠性進(jìn)行研究，探討可靠性優(yōu)化措施應(yīng)從以下兩點(diǎn)出發(fā)。

（1）靈活應(yīng)用多種技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)那肋M(jìn)行優(yōu)化。已知目前進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信渠道優(yōu)化的技術(shù)包括超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署、D2D 技術(shù)、MIMO 技術(shù)、新型多址技術(shù)、毫米波技術(shù)等。不同技術(shù)的應(yīng)用具有不同的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)聯(lián)合技術(shù)保障應(yīng)用，可以使得5G 通信網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性滿足要求。

（2）應(yīng)從信源的角度進(jìn)行優(yōu)化，采用數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)調(diào)制的方式，降低數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的誤碼率，使得信源傳輸準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間有所提升，可靠性得以優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合5G 通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，以CPRI協(xié)議為例對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行研究，從數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確度角度，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行驗(yàn)證。最終結(jié)果表明，5G 通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸利用基帶進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮處理，可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率，避免數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的丟包問(wèn)題，傳輸準(zhǔn)確性、傳輸時(shí)間均有所降低，數(shù)據(jù)傳輸效果良好。