5G網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸可靠性的優(yōu)化研究

摘要：文章分析了影響5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決策略。相關(guān)實(shí)踐表明，路徑損耗、覆蓋范圍、安全以及時(shí)延問(wèn)題，是5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效果無(wú)法充分發(fā)揮出來(lái)的原因，需結(jié)合現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以滿(mǎn)足高頻段能量穩(wěn)定傳輸以及不受外界環(huán)境因素影響等系統(tǒng)建設(shè)需求。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)傳輸；可靠性；優(yōu)化策略

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.04.015

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 919，TN929.53" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）04-00-03

Optimization of Data Transmission Reliability in 5G Communication Network

GU Yibo

（Huaxin Consulting Design Institute Co.， Ltd.， Hangzhou 310000， China）

Abstract： This paper analyzes the problems that affect the reliability of data transmission in 5G communication network， and puts forward corresponding solutions. Relevant practice shows that the problems of path loss， coverage， security and delay are the reasons why the data transmission effect of 5G communication network cannot be fully exerted. It needs to be optimized in combination with existing science and technology to meet the requirements of system construction such as stable transmission of high frequency energy and protection from external environmental factors.

Key words： 5G communication network; data transmission; reliability; optimization strategy

1" 研究5G網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸可靠性?xún)?yōu)化的

重要性

5G技術(shù)能大幅提升無(wú)線(xiàn)頻譜效率、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積。如此，就可在減少基站建設(shè)的同時(shí)，解決通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本與環(huán)境污染問(wèn)題。在速率方面，5G網(wǎng)絡(luò)能以4G網(wǎng)絡(luò)十倍甚至百倍以上速率進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸；在宏站覆蓋區(qū)域內(nèi)，站點(diǎn)間的距離可以控制在10 m以?xún)?nèi)；在同一時(shí)間，還能為更多用戶(hù)通信提供支持[1]。據(jù)調(diào)查，可為活躍用戶(hù)數(shù)與站點(diǎn)數(shù)比例達(dá)到1：1提供支撐。在網(wǎng)絡(luò)部署的密集狀態(tài)方面，5G網(wǎng)絡(luò)不僅縮短了4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代節(jié)點(diǎn)與端點(diǎn)間的距離，還擴(kuò)展了系統(tǒng)運(yùn)行控制容量與業(yè)務(wù)量。在安全性方面，5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩缘玫竭M(jìn)一步保障，但是受數(shù)據(jù)傳輸路徑損耗、覆蓋范圍以及傳輸時(shí)延等因素影響，也產(chǎn)生了新的安全隱患。為此，需從5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀入手，對(duì)面臨的局限問(wèn)題進(jìn)行分析，以找出相應(yīng)的解決對(duì)策。這是推動(dòng)通信業(yè)快速穩(wěn)定發(fā)展的重要課題，需引起重視。

2" 5G網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，在存儲(chǔ)量與網(wǎng)絡(luò)傳輸速率等方面具有優(yōu)勢(shì)。在具體實(shí)踐過(guò)程中，安全性能的控制重點(diǎn)集中在NFV與SDN虛擬化工作。5G技術(shù)基于互聯(lián)網(wǎng)與多天線(xiàn)技術(shù)，經(jīng)加密、隔離等技術(shù)手段來(lái)完成用戶(hù)信息保護(hù)。此外，還可為用戶(hù)提供自然災(zāi)害與惡劣天氣的通知。主要通過(guò)增加頻譜利用率，增加頻譜帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)目的[2]。這不僅會(huì)降低基站對(duì)周邊群眾生產(chǎn)生活環(huán)境的輻射影響，還能為運(yùn)營(yíng)商降低維護(hù)與運(yùn)營(yíng)成本。然而，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程仍存在諸多局限。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸路徑損耗

由于5G技術(shù)采用毫米波頻段，因此頻率很高，容易受到空氣等影響，導(dǎo)致衰減程度增加。另外，在5G技術(shù)重點(diǎn)服務(wù)的城市地區(qū)，高層建筑、鋼鐵結(jié)構(gòu)以及水泥墻面等均會(huì)對(duì)毫米波穿透性造成影響。此外，毫米波的高頻段能量會(huì)在多次反射后大幅衰減，進(jìn)而影響信號(hào)傳輸。為此，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者要想強(qiáng)化通信傳輸?shù)馁|(zhì)量與安全性，應(yīng)采用小基站建設(shè)方式。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸覆蓋范圍受限

因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)采用高頻段通信，所以信號(hào)在空氣環(huán)境中傳播會(huì)有能量損耗，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸覆蓋范圍十分有限。具體來(lái)講，5G網(wǎng)絡(luò)雖然通過(guò)高頻段毫米波極大地提升了傳輸速率，但與4G網(wǎng)絡(luò)相比，波長(zhǎng)與天線(xiàn)尺寸較小，需要通過(guò)設(shè)置許多小基站來(lái)滿(mǎn)足天線(xiàn)使用需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸范圍與傳輸能力目標(biāo)。此外，受5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)頻率高的影響，信號(hào)在傳輸過(guò)程中易受外界環(huán)境因素影響，如被雨水吸收而呈現(xiàn)不斷衰減狀態(tài)。在未來(lái)，研究人員應(yīng)將其作為可靠性?xún)?yōu)化控制工作重點(diǎn)內(nèi)容，以解決上述問(wèn)題帶來(lái)的負(fù)面影響。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸安全性不夠

5G技術(shù)大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾逝c效率，在促進(jìn)相關(guān)行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，也為人們生活提供了更多便捷。然而，隨著數(shù)據(jù)傳輸速率加快，安全問(wèn)題成為5G網(wǎng)絡(luò)能否站穩(wěn)腳跟的關(guān)鍵。換言之，5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩c否，決定了其能否健康可持續(xù)發(fā)展。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，受網(wǎng)絡(luò)資源共享性和開(kāi)放性的影響，網(wǎng)絡(luò)容易受到不法分子的攻擊，網(wǎng)絡(luò)通信面臨非法訪(fǎng)問(wèn)、惡意破壞設(shè)備、惡意篡改數(shù)據(jù)信息等風(fēng)險(xiǎn)。因此，在構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，要將安全防護(hù)體系作為優(yōu)化控制重點(diǎn)，以防止不法分子利用網(wǎng)絡(luò)病毒等手段攻擊系統(tǒng)漏洞，進(jìn)而威脅數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?G網(wǎng)絡(luò)具體建設(shè)與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，需要大量專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)維護(hù)其安全。此外，還應(yīng)構(gòu)建健全的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。這樣一來(lái)，一旦出現(xiàn)安全問(wèn)題，系統(tǒng)集成平臺(tái)將立即報(bào)警，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員就能及時(shí)處理，為數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩€(wěn)定性提供保障。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)分析，通信業(yè)科研人員還應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)5G技術(shù)的創(chuàng)新研究，進(jìn)一步強(qiáng)化5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、低延時(shí)、高可靠性?xún)?yōu)勢(shì)[3]。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸延遲

在5G網(wǎng)絡(luò)中，高頻信號(hào)在空氣中會(huì)快速衰減，其粒子性質(zhì)導(dǎo)致了強(qiáng)傳播方向，信號(hào)強(qiáng)度和可到達(dá)目標(biāo)接收機(jī)的多徑數(shù)將受到影響。根據(jù)定向傳輸?shù)臏y(cè)量結(jié)果，5G通信網(wǎng)絡(luò)的高頻信號(hào)會(huì)因反射而對(duì)傳播造成更大影響。這一問(wèn)題導(dǎo)致需要在5G通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過(guò)程中采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)具有最低復(fù)雜度和最廣泛應(yīng)用的多載波傳輸模式功能。此外，5G網(wǎng)絡(luò)的方向性增加，在高頻信號(hào)傳輸中能夠到達(dá)接收端的多徑數(shù)量將大大減少，這將給多入多出（MIMO）傳輸帶來(lái)很大影響。在發(fā)射器和接收器處使用多個(gè)天線(xiàn)以形成具有發(fā)射器和接收器之間多個(gè)信道功能的天線(xiàn)系統(tǒng)——MIMO系統(tǒng)，不僅能大大提高信道容量，而且還能極大提升頻譜利用率。就是在現(xiàn)有頻譜資源基礎(chǔ)上，將空間資源充分利用起來(lái)，以增加發(fā)送方和接收方的處理復(fù)雜度為代價(jià)獲得可靠性和有效性增益。但5G網(wǎng)絡(luò)頻率增高，信號(hào)受到的多普勒效應(yīng)影響就越大，在時(shí)域里，高頻信號(hào)的變化就越大。

3" 5G網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題的解決策略

3.1 部署超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

為提升5G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速率，可采用超密集異構(gòu)技術(shù)，其不僅能夠強(qiáng)化室內(nèi)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋效果，還能保證空間維度利用率。此外，該技術(shù)還能調(diào)整部署通信站點(diǎn)的密集度，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施更趨密集時(shí)，可大幅提升頻譜重復(fù)使用的效率，進(jìn)而擴(kuò)寬區(qū)域范圍內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行容量。

3.2 擴(kuò)大數(shù)據(jù)傳輸覆蓋范圍

在以往，移動(dòng)通信系統(tǒng)多采用多址接入技術(shù)，如OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)運(yùn)用于4G就是最佳多址技術(shù)選擇[4]。進(jìn)入5G時(shí)代，適應(yīng)性更強(qiáng)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)優(yōu)先選用非正交多址技術(shù)，即以主動(dòng)狀態(tài)引入干擾信息并進(jìn)行處理。此外，5G內(nèi)部接收端設(shè)置有能實(shí)現(xiàn)串行干擾刪除的接收機(jī)，其在正確解讀信息的同時(shí)，還能提升移動(dòng)終端信息容納量，滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行使用需求。亳米波頻段是指0～300 GHz范圍，因具有波長(zhǎng)短、波束窄、傳輸質(zhì)量高以及支持全天候通信等優(yōu)勢(shì)，被運(yùn)用于5G。在實(shí)際運(yùn)行中，如遇頻譜資源短缺問(wèn)題，可采用毫米波技術(shù)來(lái)強(qiáng)化通信系統(tǒng)能量。值得注意的是，在利用超密集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，不同基站間過(guò)近會(huì)產(chǎn)生干擾影響，此時(shí)可運(yùn)用毫米波技術(shù)所具備的抗干擾能力，來(lái)強(qiáng)化數(shù)據(jù)信息通信的抗干擾功能，進(jìn)而最大程度地提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與速率，且不受環(huán)境因素影響。

3.3 提高通信傳輸安全性

D2D通信技術(shù)指終端設(shè)備可以直接與另一終端設(shè)備通信，而無(wú)須其他設(shè)備作為中介的通信技術(shù)。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能設(shè)備多樣化發(fā)展，許多智能終端設(shè)備均已實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信功能。由此可見(jiàn)，未來(lái)信息技術(shù)將朝著直接互聯(lián)、萬(wàn)物互通的方向發(fā)展。以V2V（車(chē)輛對(duì)車(chē)輛）通信技術(shù)為例，其是基于D2D通信技術(shù)的短程通信技術(shù)，能夠?yàn)檐?chē)輛間提供通信交流平臺(tái)，使得目標(biāo)車(chē)輛周?chē)?chē)輛能夠獲取其位置、行駛速度以及車(chē)輛狀況等數(shù)據(jù)信息。如此，就可根據(jù)繪制的車(chē)輛行駛環(huán)境地圖，來(lái)避免車(chē)輛碰撞，強(qiáng)化無(wú)人駕駛的安全可靠性。因此，D2D通信技術(shù)以其低時(shí)延、高效率以及高可靠性?xún)?yōu)勢(shì)，成為5G網(wǎng)絡(luò)不可或缺的技術(shù)要素。

3.4 運(yùn)用數(shù)據(jù)高速同步傳輸技術(shù)

具體就是運(yùn)用全雙工技術(shù)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)雙向通信，使通信的接收和傳輸能夠在同一時(shí)間、同一頻率上進(jìn)行。這是5G技術(shù)的關(guān)鍵特性之一，可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高速同步傳輸。當(dāng)然，其也有一些需要解決的問(wèn)題，因?yàn)橥活l率的信號(hào)容易相互干擾，可能會(huì)影響信號(hào)傳輸。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究，以消除干擾。

4" 5G網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸可靠性的優(yōu)化展望

4.1 科學(xué)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在構(gòu)建5G系統(tǒng)的過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)高度關(guān)注網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的升級(jí)與優(yōu)化。具體來(lái)講，就是更多地運(yùn)用LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)進(jìn)一步深化無(wú)線(xiàn)承載業(yè)務(wù)與無(wú)線(xiàn)孔口技術(shù)，來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的科學(xué)技術(shù)水平與服務(wù)質(zhì)量。改造網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過(guò)程，應(yīng)將運(yùn)維成本控制、合理使用光纖資源以及縮減網(wǎng)絡(luò)層次作為工作重點(diǎn)。如采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，幫助技術(shù)人員全面掌控網(wǎng)絡(luò)模式、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，進(jìn)而提升寬帶的運(yùn)行質(zhì)量與安全性[5]。

4.2 數(shù)據(jù)處理與傳輸安全控制

在利用5G技術(shù)組網(wǎng)時(shí)，有必要引入新的組網(wǎng)模式，如核心網(wǎng)簡(jiǎn)化模式，以滿(mǎn)足通信業(yè)務(wù)不斷發(fā)展的需要。在重新組網(wǎng)期間，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)三朵云（接入云、控制云和轉(zhuǎn)發(fā)云）對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行部署。這是因?yàn)椋湓颇軌驗(yàn)?G網(wǎng)絡(luò)在不同功能實(shí)體之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸提供支撐，并建立起安全有效的通信鏈路。在傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)注意SDN/NFV服務(wù)層不同功能的協(xié)同，以真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。

4.3 重復(fù)性信號(hào)反饋與校正方案

處理5G通信信號(hào)時(shí)，技術(shù)人員將重復(fù)的信號(hào)反饋和校正方案應(yīng)用于信號(hào)攔截器，這會(huì)干擾信號(hào)攔截器的信道通信質(zhì)量，進(jìn)而強(qiáng)化過(guò)程的安全保護(hù)作用。這一信號(hào)處理方式，是通過(guò)發(fā)射機(jī)處發(fā)射導(dǎo)頻訓(xùn)練信號(hào)和人工噪聲發(fā)揮作用的，如此，通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員就可根據(jù)反饋與校正處理技術(shù)進(jìn)行防護(hù)。具體過(guò)程為：技術(shù)人員需要在信號(hào)傳輸過(guò)程中整合通信信號(hào)的導(dǎo)頻序列，并在傳輸信號(hào)前、預(yù)設(shè)信號(hào)開(kāi)啟時(shí)才對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。最后，再將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸出去。此外，還需要及時(shí)添加人工噪聲以干擾攔截器的信道，特別是當(dāng)發(fā)射機(jī)接收到新的導(dǎo)頻序列信息時(shí)。在保護(hù)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，需以人為方式將安全信號(hào)與導(dǎo)頻信號(hào)放入CSI零空間環(huán)境。如此，CSI零空間就可對(duì)智能信息功能進(jìn)行屏蔽，且對(duì)信號(hào)攔截者的信息接收信道進(jìn)行有效干擾[6]。

4.4 提高技術(shù)修復(fù)能力水平

在設(shè)計(jì)5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)通信系統(tǒng)的防火墻等設(shè)置，確保通信系統(tǒng)的運(yùn)行安全。當(dāng)前隨著互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展日趨迅猛，網(wǎng)絡(luò)病毒與系統(tǒng)安全漏洞形式多樣，需建立相應(yīng)的病毒庫(kù)和安全漏洞數(shù)據(jù)庫(kù)，以準(zhǔn)確高效地找出系統(tǒng)運(yùn)行安全威脅。對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)安全漏洞，技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)修復(fù)和處理，防止通信系統(tǒng)癱瘓。當(dāng)前階段，通信技術(shù)水平不斷提升，通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各地均構(gòu)建了大量基站來(lái)提供通信服務(wù)。特別是設(shè)計(jì)5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做好準(zhǔn)備工作。例如，在城市區(qū)域建設(shè)基站，可直接樓頂資源來(lái)提高設(shè)計(jì)技術(shù)水平，或者通過(guò)大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)來(lái)減少基站設(shè)置，通過(guò)全網(wǎng)絡(luò)覆蓋來(lái)增強(qiáng)高頻傳輸技術(shù)的可靠性。

5" 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在明確5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性問(wèn)題產(chǎn)生原因及其作用影響后，需將部署超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、擴(kuò)大數(shù)據(jù)傳輸覆蓋范圍、提高通信傳輸安全性以及運(yùn)用數(shù)據(jù)高速同步傳輸技術(shù)等措施應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸。在未來(lái)，5G網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詰?yīng)著眼于科學(xué)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理與傳輸安全控制以及重復(fù)性信號(hào)的反饋與校正方案等措施，來(lái)為5G通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)應(yīng)用創(chuàng)造一個(gè)良好的運(yùn)行傳輸環(huán)境，進(jìn)而最大程度地降低外界環(huán)境干擾。■

參考文獻(xiàn)

[1] 黃顯斌，鄧志森，喻顯茂．基于可靠性最優(yōu)的地區(qū)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)第二接入網(wǎng)設(shè)計(jì)[J]．四川電力技術(shù)，2021（6）：45-49.

[2] 倪瀟．5G通信中保障數(shù)據(jù)傳輸可靠性探討[J]．中國(guó)新通信，2021（16）：15-16.

[3] 孫益沛．5G通訊網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸可靠性的優(yōu)化分析[J]．中國(guó)新通信，2021（12）：30-31.

[4] 楊曉珍，華雪婷，俞順龍．大數(shù)據(jù)技術(shù)在5G通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J]．中國(guó)新通信，2021（7）：14-15.

[5] 甄國(guó)涌，丁潤(rùn)琦，張凱華．基于Camera Link的高可靠性圖像數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2021（1）：43-47.

[6] 劉永超，焦鵬．5G通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸可靠性的優(yōu)化策略[J]．衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2020（12）：87-88.