5G 無線通信系統標準化設計與關鍵技術

陳 遠，杜駿彪，喬歡慶

（1.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州山脈通信有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

隨著移動互聯網的快速發展，人們對于無線通信系統的需求越來越高。為了滿足這一需求，5G 無線通信系統應運而生。5G 無線通信系統是一種新型的無線通信系統，它具有更高的數據傳輸速率、更低的延遲以及更高的可靠性。為了實現5G 無線通信系統標準化設計，需要對其進行深入探究，為后續發展提供有力的支持[1]。

1 5G 無線通信系統標準化設計

1.1 5G 無線通信系統標準化的現狀和發展趨勢

1.1.1 現 狀

目前，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）已經發布了5G 新空口（New Radio，NR）標準，包括非獨立組網（Non-Standalone，NSA）和獨立組網（Standalone，SA）2 種模式。國際電聯無線電通信部門（International Telecommunication Union Radiocommunication Sector，ITU-R）已經制定了5G 的技術要求和頻譜規劃。

1.1.2 發展趨勢

5G 標準化將繼續向前推進，包括更多的技術細節和應用場景的標準化。5G 將會在更多的領域得到應用，如智能交通、智能制造及智慧城市等。此外，5G 將會與其他技術相結合，如人工智能、物聯網等，支撐更加強大的應用場景。5G 標準化將會越來越注重全球統一標準，以便更好地實現全球互聯互通。

1.2 5G 無線通信系統標準化的主要內容和流程

1.2.1 主要內容

（1）頻譜。5G 無線通信系統需要使用更高的頻段，因此需要制定新的頻譜規劃和管理標準。

（2）網絡架構。5G 無線通信系統需要支持更多的設備和更高的數據傳輸速率，因此需要制定新的網絡架構標準。

（3）安全性。5G 無線通信系統需要更高的安全性保障，因此需要制定新的安全性標準。

（4）設備互操作性。5G 無線通信系統需要支持不同廠商的設備之間的互操作性，因此需要制定新的設備互操作性標準。

（5）服務質量。5G 無線通信系統需要支持更高的服務質量，因此需要制定新的服務質量標準。

1.2.2 標準化流程

5G 無線通信系統標準化的流程包括需求分析、技術研究、標準制定、標準發布以及標準推廣。需求分析包括技術需求、市場需求以及用戶需求。技術研究包括頻譜、網絡架構、安全性、設備互操作性以及服務質量等方面的研究。標準制定包括頻譜規劃和管理、網絡架構、安全性、設備互操作性以及服務質量等標準。由相關組織和機構發布標準，通過標準推廣促進5G 無線通信系統的發展，提高其應用水平。

1.3 5G 無線通信系統標準化的挑戰和解決方案

1.3.1 挑 戰

首先，頻譜資源的有限性是制約5G 發展的瓶頸，如何合理分配和利用頻譜資源是一個重要的問題。其次，5G 網絡需要支持多種不同的應用場景和服務，導致網絡架構變得更加復雜，如何提高網絡的靈活性和擴展性也是一個挑戰。再次，5G 網絡將連接更多的設備、承載更多的數據，如何保證網絡的安全性和隱私保護也是一個重要的問題。從次，為了保證不同廠商的設備和服務能夠互相兼容，5G 網絡需要統一的標準。最后，5G 網絡需要更多的技術支持，如多輸入多輸出（Multiple In Multiple Out，MIMO）、波束成形（Beamforming）等，如何控制技術成本也是一個重要的問題[2]。

1.3.2 解決方案

采用更高效的頻譜利用技術，如動態頻譜共享、毫米波等技術，同時加強頻譜管理和分配。利用虛擬化技術、云化技術等實現網絡的靈活性和擴展性，同時可以采用網絡切片技術來實現不同應用場景的定制化服務。使用加密技術、認證技術等保證網絡的安全性和隱私，加強網絡監管。加強標準化組織的協調和合作，采用開放式標準化模式，鼓勵不同廠商的設備和服務互相兼容。采用集成電路技術、軟件定義網絡等技術來降低技術成本，推動產業鏈的合作協調。

2 5G 無線通信系統關鍵技術

2.1 物理層技術

2.1.1 大規模天線陣列技術

利用多個天線進行信號傳輸和接收，從而提高系統的傳輸速率，擴大覆蓋范圍。大規模天線陣列技術可以實現波束成形，將信號聚焦在特定方向上，從而提高信號的傳輸效率和抗干擾能力。此外，大規模天線陣列技術可以實現空間復用，即在同一頻段上同時傳輸多個用戶的數據，提高系統的頻譜效率。

2.1.2 毫米波通信技術

毫米波通信技術利用高頻率的電磁波進行通信，從而提高系統的傳輸速率和容量。此外，毫米波通信技術可以利用更寬的頻帶進行數據傳輸，提高系統的頻譜效率。

2.1.3 多用戶MIMO 技術

利用多個天線同時傳輸多個用戶的數據，從而提高系統的頻譜效率和容量。多用戶MIMO 技術可以利用空時編碼對多個用戶的數據進行編碼，在同一頻段上進行傳輸[3]。

2.2 5G 無線通信系統的網絡層技術

2.2.1 SDN 技術

軟件定義網絡（Software-defined Networking，SDN）將網絡控制和數據轉發分離，通過集中控制器對網絡進行統一管理和控制。在5G 無線通信系統中，SDN 技術可以實現網絡資源的動態分配和優化，提高網絡的靈活性、擴展性、安全性以及可靠性。

2.2.2 網絡切片技術

網絡切片是一種將網絡資源劃分為多個獨立、可定制的虛擬網絡的技術。5G 無線通信系統中，網絡切片技術可以根據不同的業務需求和服務質量要求，為不同的用戶提供個性化的網絡服務。通過網絡切片技術，可以實現網絡資源的高效利用和靈活配置，提高網絡資源的利用率和用戶體驗。

2.2.3 蜂窩網絡與無線局域網融合技術

蜂窩網絡和無線局域網是2 種不同的無線通信技術，它們在覆蓋范圍、傳輸速率、服務質量等方面存在差異。在5G 無線通信系統中，蜂窩網絡與無線局域網融合技術可以將2 種技術有機結合，實現無縫切換和資源共享，提高網絡的覆蓋范圍和傳輸速率，同時提高服務質量和用戶體驗。

2.3 5G 無線通信系統的安全技術

2.3.1 身份認證和密鑰管理技術

（1）用戶身份認證技術。通過用戶身份認證技術，可以確保通信雙方的身份真實可信。5G 無線通信系統中，用戶身份認證技術主要采用基于證書的認證方式，即通過數字證書來驗證用戶的身份。

（2）密鑰管理技術。密鑰管理技術是保障通信過程中數據傳輸安全的關鍵。5G 無線通信系統中，密鑰管理技術主要采用基于公鑰密碼學的方式，即通過公鑰加密和私鑰解密的方式確保通信過程中數據傳輸的安全。

（3）安全密鑰協商技術。安全密鑰協商技術是在通信過程中動態生成密鑰，確保通信過程中數據傳輸的安全。5G 無線通信系統中，安全密鑰協商技術主要采用Diffie-Hellman 密鑰交換協議，即通過交換公鑰生成會話密鑰，確保通信過程中數據傳輸的安全[4]。

2.3.2 加密和解密技術

（1）對稱加密技術。對稱加密技術指在通信過程中，發送方和接收方使用相同的密鑰進行加密和解密。5G 無線通信系統中，對稱加密技術主要采用高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）算法，確保通信過程中數據傳輸的安全。

（2）非對稱加密技術。對稱加密技術指在通信過程中，通信雙方使用不同的密鑰進行加密和解密，這些密鑰被稱為公鑰和私鑰。公鑰用于加密數據，而私鑰用于解密數據。這種加密方式比傳統的對稱加密更安全，即使攻擊者獲得了公鑰，也無法輕易地解密數據。5G 無線通信系統中，非對稱加密技術主要采用RSA 算法來確保通信過程中數據傳輸的安全。

2.3.3 安全通信協議技術

5G 無線通信系統需要采用安全通信協議來保護通信內容的完整性和可靠性，常用的安全通信協議包括安全傳輸層（Transport Layer Security，TLS）協議、互聯網安全協議（Internet Protocol Security，IPSec）、安全外殼（Secure Shell，SSH）協議等。這些協議可以確保通信的安全性，通過加密、認證以及完整性保護等方式對數據進行保護。同時，5G 無線通信系統需要采用安全的網絡架構和防火墻技術來保護網絡安全。

3 實踐應用

3.1 智能交通

在智能交通領域，5G 無線通信系統可以提供更高的帶寬和更低的延遲，從而實現更可靠的車聯網通信，提高交通安全性和交通效率。5G 無線通信系統還可以支持更多的車輛同時連接，提供更高的網絡容量，實現更好的網絡覆蓋。智能交通領域的5G 無線通信系統如圖1 所示。

圖1 智能交通領域的5G 無線通信系統

3.2 智能制造

在智能制造領域，5G 無線通信系統可以提供更快的網速和更低的延遲，從而實現更快速、更可靠的工業物聯網通信，提高生產效率和產品質量。同時，5G 無線通信系統可以支持更多的設備同時連接，為智能化生產提供有力支撐。

3.3 智慧城市

在智慧城市領域，5G 無線通信系統可以提供更快的網速和更低的延遲，這將使得城市之間的通信更加智能化，從而提高城市管理效率和居民生活質量，為人們的生活帶來極大便利[5]。

4 結 論

通過對5G 無線通信系統的標準化設計和關鍵技術進行深入探析，提出了一些有價值的思考和建議。未來，需要進一步加強5G無線通信系統的標準化設計，以推動5G 無線通信技術的發展和應用，為社會的發展和進步做出更大的貢獻。