5G 通信網絡中的數據傳輸可靠性優化策略研究

張磊

（廣東南方通信建設有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

5G 通信網絡技術理論上數據傳輸速度可以達到20Gbit/s，具有高速數據傳輸、良好網絡兼容特點。隨著5G 技術在各大城市的普及，其在工業生產和日常生活中逐漸發揮獨特的作用，為社會經濟發展提供了技術條件。5G 通信技術在簽訂網絡協議的基礎上，實現數據的全面傳輸，但在數據傳輸過程中會增加信號帶寬，對基帶信號處理速度提出了更高的要求。

1 5G 通信網絡

1.1 5G 通信網絡概述

5G 通信技術定義名為“IMT-2020”，預計理想狀態下5G 通信網絡數據傳輸速度可以達到20Gbit/s 以上，用戶可每秒進行2.56GB 文件的下載，比較4G 網絡通信技術而言在數據傳輸速度上高出10 倍左右。通信企業經過大量的試驗研究，對5G 的數據傳輸效率進行驗證，結果在超高頻段內和超遠距離內進行數據傳輸具有良好的效果。5G 網絡通信采用高頻波長數據傳輸方式，建立自適應陣列使得數據交換、數據追蹤定位功能良好、準確，其網絡架構如圖1 所示。

圖1 5G 網絡通信架構

AAU 是網絡通信基站中的有源天線處理單元，通過Massive MIMO 技術實現大規模數據的輸出和輸入。BBU 則是網絡通信基站中的基帶處理單元，通過分布式架構，實現多個通道的網絡數據傳輸。核心網中的MEC 為移動終端訪問提供邊緣側計算服務，通過數據資源的合理部署，完成數據庫訪問和數據傳輸的目標。NGC 是5G 技術發展衍生出的云原生網絡架構，具有強大的基礎資源分布能力[1]。

1.2 5G 通信網絡特點

5G 通信網絡利用上述部署形式實現數據的科學傳輸，可應用到智能家居、智慧城市建設、環境監測等多個領域，具有良好的性能指標，而且在數據傳輸的峰值速率、遠程連接接口時延、網絡連接距離、頻譜效率、覆蓋廣域、流量密度、移動連接上均具有明顯的優勢。5G 通信網絡的性能指標具體如表1 所示。

表1 5G 通信網絡性能指標

2 5G 通信網絡數據傳輸可靠性分析

2.1 技術內容

5G 網絡通信在數據傳輸上應用超密集異構網絡部署方式，為了滿足用戶不斷日益增長的數據傳輸需求，于是靈活應用多種技術進行通信數據傳輸，具體技術內容如下。

超密集異構網絡部署：通信網絡的基站部署使用超密集異構技術，使得數據傳輸信號網絡的覆蓋范圍有所增加，空間譜的利用率有所提高。在4G 網絡通信向5G 網絡通信轉化的過程中，蜂窩小區構建模塊已經逐漸被淘汰，通信網絡空間分割區域逐漸被細化，為滿足空間域對5G 通信網絡基站部署的實際要求，采用超密集異構部署方式（圖2），利用復用頻率進行數據的傳輸[2]。

圖2 超密集異構網絡部署

D2D 技術：移動終端設備是5G 網絡通信技術的主要對象，移動設備數量不斷增加，大批量的用戶同時訪問網絡服務器，對無線通信網絡傳輸提出了更高的要求。現階段基于5G 通信網絡下的移動終端主鍵采用LTE-D2D 技術進行連接，使得移動終端主鍵之間的數據傳輸影響有所降低，數據傳輸效率極大程度提高。

MIMO 技術：MIMO 技術將信號發射端和信號接收端進行優化部署，用于改善網絡通信數據傳輸的質量。在數據發送和數據傳輸過程中，多頻天線的搭建可在不改變頻率和功率的基礎上，使得信道質量得以滿足用戶需求。

新型多址技術：新型多址技術應用可實現多個用戶在同一個基站內的用戶數據傳輸。5G 技術應用可應用新型多址技術實現對大量信息的科學處理，其中包括SDMA 技術、FDMA 技術等，通過算法優化的方式來增加系統頻率數量和信息接入容量。

毫米波技術：毫米波技術在頻段為30GHz～300GHz頻段內的數據傳輸中應用效果良好。其波段具有波束窄、波長短特點，基于5G 通信網絡的布設可實現小范圍內多個頻率波之間的快速轉換，可以有效避免數據傳輸過程中出現的干擾問題。

2.2 可靠性提升措施

基于上述技術在5G 網絡通信中的應用，若想保障其可靠性，需要從以下幾點出發，切實減少數據傳輸干擾，提高數據傳輸安全性。

（1）對5G 通信網絡架構進行優化，優化數據傳輸與信號處理的流程，通過空間頻譜資源的科學利用，提高數據傳輸速率和數據傳輸系統容量。通過毫米波技術的應用，將網絡頻譜拓展到毫米階段，可以使得傳輸頻段達到100GHz 以上。

（2）對5G 通信網絡路徑進行優化，基于現有的移動通信系統，應對網絡通信路徑進行進一步優化，以LTE 技術為基礎進行現有基站資源和核心服務資源的布設，構建完整的5G 網絡生態鏈同時保障數據傳輸的可靠性。

（3）多進多出技術在5G 通信網絡中的應用，有源天線技術目前已經逐步趨于成熟，數據傳輸的信號發射端可分離出多個小單元，在小單元內進行信號的轉化和通信算法優化，在進行中頻以及基帶信號的傳輸可同時支持多個用戶訪問，該技術覆蓋范圍也有所拓展，適用于廣域場景的科學應用。

（4）局部覆蓋場景的優化，通過提高峰值速率和用戶體驗速率的方式，提高區域內數據傳輸的流量密度。超密集組網技術在5G 網絡通信建設中的應用，以高頻束波的方式進行賦形，峰值速率可達到10Gbit/s 以上。小覆蓋場景則利用頻譜共享技術，實現發射端與接收端之間的通道連接，可有效保障數據傳輸的可靠性。

3 5G 通信網絡數據傳輸可靠性驗證

3.1 數據壓縮

以5G 通信網絡中的基帶數據傳輸為例，其利用下位機組進行二進制的符號輸出，將數據傳輸中的冗余清除，將壓縮數據傳輸到用戶設備之中。數據壓縮在樣點個數進行選取的基礎上保持壓縮樣本量的固定，最終使得壓縮過程得以簡化。數據壓縮樣本數量適中從而保障壓縮效率滿足要求。5G 通信網絡使用TD-LTE頻譜進行頻帶信號控制，使得其在有效頻段內可以接近于白噪聲。以CPRI 網絡通信協議為例，其基本頻率為3.84MHz。信號功率和振幅會對數據壓縮產生影響，但振幅無法瞬時改變，設計信號最小壓縮周期為1/3.84μs，數據壓縮采樣數量為6 個。

在網絡協議簽訂后，數字變頻模塊輸出I/Q 數據，每間隔5 周可進行30 多個樣本的傳輸，確定5 個周期傳送的樣本點數量相同，為通信基帶數據傳輸提供依據。

3.2 數據調制

在基帶數據壓縮完成后對5G 通信基帶數據進行調制，以達到降低數據傳輸過程中的信噪比的目的。采用三維正交調幅技術對5G 通信網絡的基帶數據進行脈沖調幅，使得脈沖波幅值可跟隨基帶信號的變化而變化。該數據調制方法應用數字調制的方式，將PAM作為數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方式以降低調制信號誤差[3]。

3.3 結果分析

驗證簽訂CPRI 協議和5G 基帶信號下數據傳輸的可靠性，采用實驗對比的方式，將傳統的傳輸方法與5G 通信網絡數據傳輸方法進行對比分析和可靠性驗證。使用VIvado2020 軟件中的行為模式進行仿真試驗，通過增加模塊的方式構成可靠性驗證系統。在碼率的選擇上將模塊外部的異步碼率進行信號轉化，使得其與5G 網絡通信協議中的核心數據同步，并在數據組幀第一個周期內進行節點的改變[4]。可靠性驗證分別從數據傳輸時間和數據傳輸準確性兩個角度進行判斷，具體內容如下。

3.3.1 數據傳輸時間對比

對比傳統數據傳輸方法和5G 網絡通信部署CPRI協議下的基帶數據傳輸時間，共計設置20 個測試點，選擇其中前5 個數據測試點，其結果內容如表2 所示。

表2 數據傳輸時間對比

根據表2 中的數據對比結果，傳統的數據傳輸時間和經過數據壓縮和數據調制后的數據傳輸時間相比較長，壓縮和調制后數據傳輸的時間明顯減少。在20個測點中，均呈現出此變化態勢。因此對5G 網絡通信部署下的數據傳輸時間進行分析，其在數據傳輸效率上具有可靠性特點。

3.3.2 數據傳輸準確性對比

驗證5G 網絡通信下基帶數據傳輸的準確度進行對比，從信源數據的角度進行分析，簽訂CPRI 協議且經過數據壓縮和數據調制后的信源數據處理準確度結果如表3所示。

根據表3 中的信源數據傳輸處理準確度對比結果，進行數據壓縮和數據調制的實時信源數據處理準確度最高可以達到100%，且平均數據源傳輸處理準確度可以達到99%以上。傳統信源數據傳輸處理的準確度不足90%。導致信源傳輸數據準確度較低的原因可能是在數據傳輸的過程中出現丟包問題，因此傳輸效果無法保障。實時信源數據處理準確度較高的原因是數據的壓縮處理降低了信號傳輸的頻譜波段，最終數據傳輸可靠性得到保障[5]。

表3 信源數據傳輸準確度對比

3.3.3 可靠性分析

對5G 通信網絡下的數據傳輸可靠性進行研究，探討可靠性優化措施應從以下兩點出發。

（1）靈活應用多種技術對網絡通信傳輸的渠道進行優化。已知目前進行網絡通信渠道優化的技術包括超密集異構網絡部署、D2D 技術、MIMO 技術、新型多址技術、毫米波技術等。不同技術的應用具有不同的優勢，通過聯合技術保障應用，可以使得5G 通信網絡傳輸可靠性滿足要求。

（2）應從信源的角度進行優化，采用數據壓縮、數據調制的方式，降低數據傳輸過程中的誤碼率，使得信源傳輸準確度、數據傳輸時間有所提升，可靠性得以優化。

4 結語

綜上所述，本文結合5G 通信網絡的特點，以CPRI協議為例對數據傳輸的可靠性進行研究，從數據傳輸時間、數據傳輸準確度角度，對數據傳輸的可靠性進行驗證。最終結果表明，5G 通信網絡數據傳輸利用基帶進行數據的壓縮處理，可以有效提高數據傳輸速率，避免數據傳輸過程中的丟包問題，傳輸準確性、傳輸時間均有所降低，數據傳輸效果良好。