周振賢，黃華興

（廣州市信息技術職業(yè)學校，廣東 廣州 510000）

0 引言

5G 網(wǎng)絡通信技術發(fā)展不斷提速使得網(wǎng)絡架構進一步扁平化，網(wǎng)絡規(guī)模日新月異正改變著人們的生活，在經(jīng)濟發(fā)展新時期為商業(yè)、工業(yè)和消費電子行業(yè)提供了巨大的機會，可應對多種場景需求。5G 技術憑借其自身優(yōu)勢，在具體應用實踐中實現(xiàn)了人與人、人與物之前的高效溝通，隨著該技術手段不斷在網(wǎng)絡通信領域攻關，未來會實現(xiàn)多場景廣泛應用。

1 5G 移動通信網(wǎng)絡關鍵技術分析

1.1 大規(guī)模MIMO 技術

MIMO 技術具體指的是將天線放置在發(fā)東端和接收端兩個端口組成一個良好的通信鏈路。隨著社會用網(wǎng)需求不斷增大，在兩個端口添加天線可大大提升通信質量，而且促使通信方式變得更加靈活，自由程度更高，容納信息數(shù)量更大。4G 網(wǎng)絡部署時主要以8 端口多用戶MIMO 為主，5G 移動通信網(wǎng)絡技術的布局需要圍繞大規(guī)模MIMO，設置多個天線階段，從而為架構應用提供支持[1]。

1.2 基于服務的架構

SBA（基于服務的架構）在5G 移動通信技術支撐下對核心網(wǎng)功能重新進行劃分，優(yōu)化了應用場景需求?；?G 技術的核心網(wǎng)服務化架構如圖1 所示。所有在網(wǎng)絡架構支撐下的各項服務單元相互獨立，系統(tǒng)更新升級或是故障維護互不影響，如果應用場景變化可以根據(jù)具體需要對服務項目進行拓展。同時分散化的模塊網(wǎng)絡單元在功能上也可以進行組合，可以滿足第三運營商對多種組網(wǎng)方式達成的需求。

圖1 基于5G 技術的核心網(wǎng)服務化架構

1.3 D2D 通信技術

D2D 通信技術與5G 移動通信技術的耦合，不僅可以強化通信信號，還能夠有效延長無線數(shù)據(jù)流量，在一定程度上能夠讓通信之前的距離縮短，作為一種新型技術手段可大大節(jié)省資源，有利于保證通信穩(wěn)定。

1.4 控制與用戶面分離

CUPS（控制與用戶面分離）實現(xiàn)了提高網(wǎng)絡運行速度提高，最大限度縮短了信息交互時間，打破了時間、空間局限，即便是物理層面距離較遠也能將傳輸速度控制在毫秒級延遲范圍之內(nèi)。

1.5 邊緣計算技術

云端計算功能是保證5G 移動通信核心網(wǎng)運行穩(wěn)定和功能多樣的前提。5G 核心網(wǎng)的控制面和用戶面是相互分離的，使得UPF 部署的位置更接近用戶端網(wǎng)絡，進一步擴大了網(wǎng)絡的帶寬，實現(xiàn)了組網(wǎng)運行提速，可滿足當下激增的數(shù)據(jù)交互需要，確保網(wǎng)絡運行與服務質量。

1.6 網(wǎng)絡切片技術

如果我們要想降低網(wǎng)絡延遲影響，就必須保證各個網(wǎng)絡模塊的獨立，在不同應用場景下可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，但是運行互不干擾，網(wǎng)絡切片技術就是實現(xiàn)這一部署的關鍵技術。在整個網(wǎng)絡框架設備功能統(tǒng)一布局的前提下，使用虛擬化技術提供多種服務類型，以滿足用戶多元化的用網(wǎng)需求。

1.7 綠色通信技術

綠色通信技術是智能化網(wǎng)絡建設中的重要組成部分，重點集中在實現(xiàn)異構網(wǎng)絡的部署，達到良好的節(jié)能效果。需要處理的主要問題在于基于網(wǎng)絡調度的角度，解決單個基站的能耗問題，根據(jù)使用需要加大調整，使得資源得到最大化的利用。

2 5G 移動通信網(wǎng)絡架構

2.1 接入網(wǎng)

5G 移動網(wǎng)絡系統(tǒng)當中接入網(wǎng)是由多種技術組合成的，將4G 網(wǎng)絡作為基礎，根據(jù)應用場景不同進行設備和功能上的布局。利用C-RAN 技術、單一無線控制器以及基站來進行數(shù)據(jù)的集成和資源的分配，由于資源利用效率更高，因此經(jīng)濟性更好。5G 通信網(wǎng)絡的接入網(wǎng)將4G 網(wǎng)絡下的BBU 等設備部署成三個功能實體，分別為CU、DU 和AAU，進一步細化了應用場景需求[2]。

2.2 核心網(wǎng)

基于5G 移動通信的核心網(wǎng)以X86 平臺通用服務器為基礎硬件，在此基礎上開發(fā)專用的虛擬化平臺，將所需要的數(shù)據(jù)信息進行收集、傳輸和調度，使用SBA 架構以“微服務”和云原生架構展開設計，生成的多個虛擬平臺是獨立的系統(tǒng)，其具備多種功能。在5G 技術支撐下核心網(wǎng)在應用中呈現(xiàn)狀態(tài)更加靈活多變，且容易控制，每個單元獨立運行，實現(xiàn)了資源的最大化利用。

2.3 承載網(wǎng)

基于5G 移動通信技術的承載網(wǎng)架構主要是為滿足當下數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枨螅瑸橛脩魩砀玫木W(wǎng)絡體驗。目前以4G 技術為主的承載網(wǎng)在運行過程中存在著嚴重的延遲，而且接入終端的設備數(shù)量相對有限。5G技術彌補了4G 承載網(wǎng)存在的不足，實現(xiàn)了更高效的數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)應用場景具體需求，可以選擇光纖直連、無源WDN/OTN 等幾種方式進行承載網(wǎng)布局。

3 5G 移動通信網(wǎng)絡的實踐應用

廣東全省目前擁有1600 多家5G 相關企業(yè)，約占全國的1/3，華為、中興的5G 必要專利數(shù)量超過5000件，占全球比例超過1/4，建成并開通約11 萬個5G 基站，規(guī)模為全國第一。產(chǎn)業(yè)鏈上游包括規(guī)劃、器件、芯片、材料等領域；中游包括設備、網(wǎng)絡、運營商等環(huán)節(jié)；下游包括終端、應用場景等，以5G 為核心的商業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對完善，具有很大發(fā)展?jié)摿?。本?jié)就廣東省5G 移動通信網(wǎng)絡在城市軌道交通、醫(yī)療工程、人工智能和電力系統(tǒng)中的應用實踐展開了探討[3]。

3.1 城市軌道交通

伴隨城市人口增長和交通需求不斷擴大，軌道交通系統(tǒng)面臨著更高的運行壓力，基于4G 網(wǎng)絡通信支撐下的軌道交通系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸和通信方面存在的限制影響著城市軌道交通發(fā)展。目前廣東地區(qū)建成并開通5G 移動基站數(shù)量在11 萬左右，城市軌道智慧交通系統(tǒng)的建設，運用了物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實和云計算等多種新興技術手段，很大程度上提升了數(shù)據(jù)傳輸效率，具有更低的延遲，而且交通系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，可以滿足當下城市交通軌道不斷增長的移動通信需求。廣東省城市軌道交通建設集中解決的問題在網(wǎng)絡容量不足、延遲性高等方面，5G 移動通信網(wǎng)絡技術是在MIMO 和OFDAMA 基礎技術上采用了一系列新的技術和架構，包括網(wǎng)絡切片技術、多天線技術以及邊緣計算等多種技術，實現(xiàn)了對軌道交通的實時監(jiān)控，可進一步優(yōu)化人們的出行體驗，5G 技術支撐下擬建的智慧交通場景，如圖2 所示。

3.2 醫(yī)療工程

5G 移動通信技術的運行頻率在30GHz～300GHz，能夠實現(xiàn)高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)效果，由非獨立組網(wǎng)、獨立組網(wǎng)組成，通過大量使用LSAS 技術可以提升空間自由度。以5G 移動通信技術在廣東某醫(yī)療工程領域中的應用為例，由5G 通信網(wǎng)絡連接行業(yè)終端，包括攝像頭、醫(yī)療設備、顯示器，為醫(yī)療專家提供服務器、數(shù)據(jù)中心支撐，可以實現(xiàn)海量醫(yī)療信息的儲存和利用，傳輸效率較高，為醫(yī)療工作的展開提供了方便，甚至可以實現(xiàn)遠程醫(yī)療診斷，5G+遠程診斷總體業(yè)務場景如圖3 所示。

圖3 5G+遠程診斷總體業(yè)務場景

為保障5G 移動通信運行運行的高效率，需要在醫(yī)院周圍附近建立足夠數(shù)量的基站，并優(yōu)化醫(yī)院切換策略設施，設置MEC 本地路由，要求網(wǎng)絡性能達到標準?；?G 技術的醫(yī)療工程網(wǎng)絡性能要求如表1 所示。

表1 基于5G 技術的醫(yī)療工程網(wǎng)絡性能要求

醫(yī)療工程領域對5G 移動通信技術的應用在開發(fā)系統(tǒng)的過程中涉及嵌入式開發(fā)較多，由應用層軟件、中間層、操作系統(tǒng)、驅動和硬件設備5 個系統(tǒng)組成，在功能上包括3 個部分，第①是數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、第②是醫(yī)療數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、第③是網(wǎng)絡安全管理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)。采用5G 數(shù)據(jù)采集直接連接醫(yī)療設備，設備接口不同，與醫(yī)療工程的應用場景有關，應結合具體診療需要或者醫(yī)療業(yè)務處理需要進行針對性設計。為做好醫(yī)療設備數(shù)據(jù)的采集與管理，需要在網(wǎng)絡架構中設施網(wǎng)絡參數(shù)，包括共享數(shù)據(jù)模塊、端口、廣播地址等信息，系統(tǒng)采用TCP 進行數(shù)據(jù)傳輸管理，有效彌補了當前網(wǎng)絡傳輸延遲高、帶寬低的缺陷。

醫(yī)療數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。需要處理大量的圖像信息，基于TensorFlow 模塊進行數(shù)據(jù)整合與處理，之后會得到RGB，醫(yī)療處理數(shù)據(jù)流程，如圖4 所示。具體執(zhí)行操作流程為從醫(yī)療設備中獲取醫(yī)療數(shù)據(jù)，包括患者信息、用藥、手術等相關信息，使用5G 終端完成數(shù)據(jù)的采集記錄和傳輸；使用圖像處理的方法對數(shù)據(jù)進行清洗，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡算法展開數(shù)據(jù)分析，可全面掌握當前設備運行狀況；遠程專家結合神經(jīng)網(wǎng)絡算法預測可構建數(shù)據(jù)中心。

圖4 醫(yī)療數(shù)據(jù)處理流程

網(wǎng)絡安全管理。使用5G 移動通信網(wǎng)絡技術將整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存儲到服務器端，醫(yī)護工作者通過終端顯示設備可以查看到所需要的醫(yī)療信息，能夠支撐醫(yī)生遠程工作。為全面保證整個系統(tǒng)運行安全，避免不法分子攻擊醫(yī)療網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡核心架構布局時建立了攻擊模型，通過判斷各個網(wǎng)絡節(jié)點流量，是否超過正常運行閾值確定存在風險與否，若是超出設定范圍，系統(tǒng)會自動加強網(wǎng)絡安全防護[4]。

3.3 人工智能

從人工智能角度分析5G 通信技術優(yōu)勢，最突出的優(yōu)點在于提高了信號傳輸質量，能實時感知周圍環(huán)境變化特點，通過利用零散式移動設備云可實現(xiàn)超高清視頻傳輸，傳輸效率實現(xiàn)了翻倍提升，可以滿足當下用戶對高清視頻的實際使用需求，而且VR/AR 設備的更新，還引入了語音系統(tǒng)與觸摸功能，增強了用戶身臨其境的現(xiàn)實體驗感。隨著5G 網(wǎng)絡通信技術和智能化技術進一步發(fā)展，未來還將用于地理測繪、森林防火等多個領域?；?G 的森林防火無線監(jiān)控如圖5 所示。

圖5 基于5G 的森林防火無線監(jiān)控

3.4 電力系統(tǒng)

5G 技術在電力系統(tǒng)中的應用可大大降低電力系統(tǒng)運行成本，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定以及安全。以物聯(lián)網(wǎng)技術在電力系統(tǒng)建設中的應用為例，可以打造出一個雙向互動的通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)動態(tài)化的信息互換，能夠進一步緩解云端計算機的壓力，推動云計算技術與物聯(lián)網(wǎng)技術深度融合，為不同電力系統(tǒng)提供了專有網(wǎng)絡通道，既確保了業(yè)務之間安全隔離，也能夠顯著降低電力系統(tǒng)運行成本[5]。

4 結語

總而言之，在科學技術不斷發(fā)展的背景下，移動通信技術將保持著當前快速發(fā)展的狀態(tài)，5G 網(wǎng)絡通信技術將會重塑現(xiàn)有市場，并開拓新的市場。在當前階段對5G 通信技術以及核心網(wǎng)絡架構積極地展開研究具有重要意義，提升網(wǎng)絡運行速度與質量，有利于推動我國多個行業(yè)發(fā)展，為數(shù)字強國的建設及中國影響力的提升奠定了強有力基礎。