張 陽

（中移鐵通有限公司滄州分公司 河北 滄州 061000）

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、智能終端和視頻業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，人們對無線通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的速率、連接和靈活性要求。 為此，全球正在積極推進(jìn)5G 技術(shù)的研究和應(yīng)用［1－2］。5G 被賦予了實現(xiàn)更大帶寬、更多連接的遠(yuǎn)大期許。 新一代的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)使5G 在無線接入性能上獲得重大提升。 但是，任何新技術(shù)都會面臨新問題。 因此，深入研究5G 技術(shù)的概念內(nèi)涵及應(yīng)對策略，對推動其健康發(fā)展意義重大。 本文將在相關(guān)文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，對5G 的技術(shù)特征及其應(yīng)用進(jìn)行多角度剖析。 其中重點分析5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變革、空口接入技術(shù)創(chuàng)新，以及應(yīng)對新問題的對策，以期能夠?qū)?G 技術(shù)演進(jìn)及應(yīng)用前景提供全面系統(tǒng)的認(rèn)識，為相關(guān)研究者提供借鑒參考。

1 5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)概念

5G 作為第五代移動通信技術(shù)，標(biāo)志著移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個新紀(jì)元。 與4G 相比，它提供了顯著增強的數(shù)據(jù)傳輸速度、極低的延遲、更高的可靠性以及大規(guī)模的設(shè)備連接能力。 5G 技術(shù)采用了一系列先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)，如大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)、毫米波技術(shù)等，使得無線網(wǎng)絡(luò)在頻譜效率、覆蓋范圍和用戶體驗上都得到了顯著的提升。 5G 的出現(xiàn)預(yù)示著無線通信技術(shù)的一個重要里程碑，其不僅僅是為了增加帶寬或改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，而是為了實現(xiàn)一個高度互聯(lián)、智能化的社會，從而引領(lǐng)未來的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用發(fā)展。

2 5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)存在的問題

2.1 高頻波段的短傳播距離

5G 技術(shù)在許多應(yīng)用場景中依賴于毫米波頻段，頻段位于頻率譜的高端，波長僅為毫米級。 雖然毫米波可提供寬達(dá)數(shù)Gbps 的高峰值數(shù)據(jù)速率，但也存在明顯的物理傳播特性限制。 首先，高頻信號衰減嚴(yán)重，傳播距離相對較短，通常只有幾百米，無法實現(xiàn)廣域的覆蓋。 其次，毫米波極易被建筑物、樹木等障礙物阻擋和衰減，從而出現(xiàn)信號“死角”。 再次，毫米波對氣象條件也極為敏感，在潮濕、下雨或有霧的環(huán)境下，會產(chǎn)生額外的衰落損耗。 最后，直接依賴毫米波的5G 網(wǎng)絡(luò)，在進(jìn)行大規(guī)模部署和實現(xiàn)無縫覆蓋時，將面臨惡劣傳播環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 需要通過小基站密集布局、波束成形等手段來獲得足夠的鏈路預(yù)算。

2.2 移動設(shè)備功耗增加

5G 網(wǎng)絡(luò)追求極高的數(shù)據(jù)速率傳輸和超低的通信延遲，為用戶提供了卓越流暢的使用體驗，但也導(dǎo)致了移動設(shè)備功耗的顯著提升。 首先，支持5G 通信的手機芯片在進(jìn)行高速數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制、信號處理等過程中，其運算復(fù)雜度大幅提高，需要消耗更多的處理器電能。 其次，5G 與增強型4G 相比，其發(fā)射功率也有所提高，對設(shè)備的射頻前端和功率放大器造成了更大功率的損耗。 再次，為了應(yīng)對毫米波容易衰落的傳播環(huán)境，移動設(shè)備需要頻繁進(jìn)行小數(shù)據(jù)包傳輸、信道監(jiān)測與重連，從而大幅增加了無線電發(fā)射時間，也是功耗增加的重要因素。 最后，與4G 時代相比，5G 手機的整機功耗預(yù)計將增加50%以上，對電池續(xù)航造成不利影響。 若要實現(xiàn)與4G 類似的續(xù)航時間，5G 手機需要采用更大容量的電池，也將增加成本和重量。

2.3 新的安全威脅和隱私問題

5G 網(wǎng)絡(luò)，由于其開放性、復(fù)雜性和多樣性，帶來了一系列安全和隱私上的考驗。 首先，5G 網(wǎng)絡(luò)高度集成和智能化的特性在未加以適當(dāng)保護(hù)的情況下，可能會成為潛在的攻擊目標(biāo)。 尤其是在網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)中，不同的服務(wù)和應(yīng)用共享相同的物理基礎(chǔ)設(shè)施，可能導(dǎo)致跨切片的攻擊。 其次，5G 網(wǎng)絡(luò)將支持更多的物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）設(shè)備接入，意味著網(wǎng)絡(luò)的攻擊面將顯著擴大，且多數(shù)IoT 設(shè)備在設(shè)計時并未充分考慮安全因素，從而成為網(wǎng)絡(luò)的弱點。 最后，隨著5G 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)的傳輸和處理量也將大幅增加，其中不乏涉及個人隱私的敏感信息。 若數(shù)據(jù)管理和傳輸環(huán)節(jié)沒有得到嚴(yán)格的保護(hù)，可能導(dǎo)致隱私泄露或被惡意利用。

3 應(yīng)對5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)問題的策略

3.1 基站密集部署與合理規(guī)劃

為確保5G 網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性和高速傳輸特性，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時，考慮到高頻波段的短傳播距離，采用基站的密集部署是至關(guān)重要的。 通過增加基站數(shù)量，特別是在城市和高密度地區(qū)增加基站數(shù)量，可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和質(zhì)量。 但僅增加基站數(shù)量是不夠的，還需要對其進(jìn)行合理的規(guī)劃和布局。 例如，考慮到城市中的建筑物、交通干道和居民聚集區(qū)，可以優(yōu)先在這些區(qū)域部署更多的基站，確保關(guān)鍵地點得到優(yōu)質(zhì)的信號。 同時，通過技術(shù)手段實現(xiàn)基站之間的智能協(xié)同和負(fù)載均衡，確保網(wǎng)絡(luò)資源的最大化利用，從而為用戶提供持續(xù)、穩(wěn)定且高速的5G 服務(wù)。

3.2 優(yōu)化5G 網(wǎng)絡(luò)算法與協(xié)議

5G 網(wǎng)絡(luò)為實現(xiàn)高速、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，必須依賴于高效的網(wǎng)絡(luò)算法與協(xié)議。 隨著移動設(shè)備的功耗問題逐漸顯現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)算法與協(xié)議的優(yōu)化成為確保網(wǎng)絡(luò)效率和移動設(shè)備續(xù)航之間平衡的關(guān)鍵。 在5G 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和實施過程中，不斷地對核心算法進(jìn)行優(yōu)化，能夠減少不必要的數(shù)據(jù)重傳，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率，從而降低功耗。 同時，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行細(xì)致的調(diào)整和優(yōu)化，可以確保數(shù)據(jù)包的快速、準(zhǔn)確傳輸，減少網(wǎng)絡(luò)中的擁堵和沖突。 例如，在媒體接入控制（medium access control，MAC）層協(xié)議中，可以采用更為靈活的調(diào)度機制、混合自動重傳請求機制，以及先進(jìn)的自適應(yīng)流控算法等來優(yōu)化資源分配，提升資源利用效率。 還可以通過改進(jìn)無線鏈路控制（radio link control，RLC）層段與確認(rèn)段的處理，降低確認(rèn)開銷、改善重傳處理，從而減少數(shù)據(jù)傳輸延遲。

3.3 加強端到端加密與身份驗證

在當(dāng)今數(shù)字化時代，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性是至關(guān)重要的。 5G 網(wǎng)絡(luò)，由于廣泛的應(yīng)用和多元的接入設(shè)備，必須對數(shù)據(jù)和用戶進(jìn)行嚴(yán)格的保護(hù)。 端到端加密不僅確保了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的隱私性，而且保障了數(shù)據(jù)不被篡改或被未經(jīng)授權(quán)的第三方訪問。 身份驗證則是確保只有合法用戶和設(shè)備可以接入和使用網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)。 例如，為實現(xiàn)更高級別的加密，可以采用量子密鑰分發(fā)技術(shù)，使得任何試圖竊取或篡改數(shù)據(jù)的行為都能被立即檢測到。同時，引入多因素身份驗證機制，如結(jié)合密碼、生物識別和硬件令牌等，進(jìn)一步加強對用戶身份的核實，確保每一次網(wǎng)絡(luò)訪問都是安全、合法的。

4 5G 網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)架構(gòu)分析

4.1 控制面和用戶面的分離

在5G 網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)架構(gòu)中，一項關(guān)鍵的設(shè)計理念是控制面（control plane，CP）和用戶面（user plane，UP）的分離。 該設(shè)計理念是為了提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴展性，同時優(yōu)化資源的使用。 控制面主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的信令處理，包括建立和管理網(wǎng)絡(luò)連接、移動性管理，以及網(wǎng)絡(luò)的安全性和質(zhì)量服務(wù)（quality of service，QoS）的控制等。 用戶面主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實際傳輸，包括音頻、視頻和其他類型的數(shù)據(jù)。 在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，這兩個面是緊密結(jié)合的，但在5G 網(wǎng)絡(luò)中，控制面和用戶面被明確地分離［3］。

控制面和用戶面的分離核心優(yōu)勢在于靈活性和可擴展性。 控制面和用戶面的分離使得網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)實際需求獨立地擴展和優(yōu)化控制面和用戶面。 例如，為了滿足高流量的數(shù)據(jù)服務(wù)，可以在網(wǎng)絡(luò)的特定區(qū)域內(nèi)部署更多的用戶面資源，而不必同時增加控制面的資源。 此分離也使得網(wǎng)絡(luò)更具靈活性，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求動態(tài)地調(diào)整資源［4］。

在5G 網(wǎng)絡(luò)中，控制面和用戶面的分離通?？梢员硎緸楣剑?）：

式（1）中，N｛CU｝代表整個網(wǎng)絡(luò)的資源，N｛C｝代表控制面的資源，N｛U｝代表用戶面的資源。

通過調(diào)整N｛C｝和N｛U｝的值，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活分配和優(yōu)化。

4.2 虛擬化與云化

5G 網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)架構(gòu)深受虛擬化和云化技術(shù)的影響，兩種技術(shù)對于提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可擴展性和資源利用率具有決定性意義。 虛擬化允許物理資源被劃分為多個獨立的、隔離的虛擬資源，每個虛擬資源可以獨立運行和管理。 而云化通?；跀?shù)據(jù)中心的架構(gòu)將虛擬化的資源集中管理，提供計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

虛擬化的核心概念，可用公式（2）表示：

式（2）中，Rv代表每個虛擬資源的大小，Rp是物理資源的總量，而Nv是創(chuàng)建的虛擬資源的數(shù)量。 式（1）簡單地揭示了一個物理資源如何被劃分為多個虛擬資源。

分析式（1）可以得知，隨著Nv的增加，每個虛擬資源Rv的大小會相應(yīng)減少，意味著物理資源被更細(xì)致地劃分。這種細(xì)致的資源劃分允許更靈活地分配和管理資源。 而云化進(jìn)一步優(yōu)化了虛擬化提供的資源。 由于集中管理和大規(guī)模部署的特點，云化為動態(tài)的、按需的資源分配和擴展提供了平臺。

4.3 5G 核心網(wǎng)絡(luò)功能實體

4.3.1 訪問和移動性管理功能

訪問和移動性管理功能（ access and mobility management function， AMF）是5G 核心網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分之一，主要用于終端接入認(rèn)證、注冊、會話管理以及用戶移動性管理。 與4G 系統(tǒng)的移動性管理實體（mobility management entity，MME）不同，5G 中的AMF 實現(xiàn)了接入認(rèn)證與移動性管理的分離，使系統(tǒng)更加靈活。

在接入認(rèn)證方面，AMF 支持不同類型終端的身份識別和驗證，實現(xiàn)終端的正負(fù)面列表檢查，保障接入安全。另外，AMF 與調(diào)度器會話管理功能（session management function， SMF）密切配合，負(fù)責(zé)終端注冊、會話建立、切換以及billing 系統(tǒng)對接等工作，實現(xiàn)對終端移動性的跟蹤和管理。

AMF 通過與基站控制器集中單元／分布單元（centralized unit／distributed unit，CU／DU）交互，獲取用戶移動狀態(tài)信息，并根據(jù)策略決策用戶的路由切換。 此外，AMF 還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片需求，靈活調(diào)整終端接入網(wǎng)絡(luò)片的映射關(guān)系。 AMF 的引入使得5G 核心網(wǎng)在支持大量不同類型終端接入方面更加靈活高效。

4.3.2 會話管理功能

5G 核心網(wǎng)絡(luò)中的SMF 負(fù)責(zé)建立、維護(hù)和釋放用戶的數(shù)據(jù)會話。 為滿足各種業(yè)務(wù)和應(yīng)用的需求，會話管理功能提供了多種QoS 級別，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，如低延遲或高吞吐量。 主要任務(wù)包括處理會話的建立、修改和釋放請求，以及為每個會話分配合適的資源和參數(shù)。 此外，SMF 與策略控制實體交互，提供會話信息，負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶面流量處理策略。 SMF 還可以收集網(wǎng)絡(luò)資源使用情況，用于策略制定和優(yōu)化決策。 通過SMF 的加入，5G 核心網(wǎng)實現(xiàn)了更加靈活的會話管理，可以支持按需分配網(wǎng)絡(luò)資源，以滿足不同垂直行業(yè)對于會話的定制化需求。

4.3.3 用戶面功能

用戶面功能（user plane function， UPF）是5G 核心網(wǎng)實現(xiàn)用戶面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)鍵網(wǎng)元之一。 部署于用戶面數(shù)據(jù)路徑上，承擔(dān)用戶面流量的轉(zhuǎn)發(fā)、檢測、標(biāo)記、過濾、速率限制等功能。 UPF 通過TUNNEL 協(xié)議與基站之間建立鏈路，進(jìn)行用戶面數(shù)據(jù)的收發(fā)。

UPF 的引入實現(xiàn)了控制面和用戶面的分離。 控制面負(fù)責(zé)建立和維護(hù)流會話，用戶面負(fù)責(zé)流量轉(zhuǎn)發(fā)，UPF 使得5G 核心網(wǎng)更加靈活高效。 與4G 相比，5G UPF 支持更豐富的用戶面處理功能，可以為不同需求的流量提供差異化的QoS 保證。

UPF 轉(zhuǎn)發(fā)用戶面的IP 數(shù)據(jù)包時，需要遵循一定的性能指標(biāo)，包括用戶面數(shù)據(jù)處理能力和用戶面時延。 其中，用戶面數(shù)據(jù)處理能力可以表示為式（3）所示：

式（3）中，D為總的數(shù)據(jù)處理能力，Ni為第i類流量的并發(fā)會話數(shù)量，Ri為單個第i類會話的平均數(shù)據(jù)速率。

UPF 通過擴展服務(wù)器規(guī)模來提高總數(shù)據(jù)處理能力D，滿足用戶面通信需求。

4.4 服務(wù)基于流量的劃分

5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計致力于滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求，其核心體現(xiàn)為多種流量類型的特定服務(wù)承諾。 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計通常只考慮了一般性的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，而5G 則對流量進(jìn)行了更為細(xì)致和深入的劃分，以確保每種業(yè)務(wù)類型都能獲得所需的性能指標(biāo)。 為此，5G 引入了服務(wù)基于流量的劃分方法，將流量按內(nèi)在特性和需求分類為以下三種主要類型：

（1） 增強移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）。 流量主要針對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，如高清視頻流、大數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?它的主要目標(biāo)是提供高吞吐量，使得數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到前所未有的水平。 eMBB 的關(guān)鍵指標(biāo)包括數(shù)據(jù)速率、網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍。

（2） 大規(guī)模機器類型通信（massive machine type communication，mMTC）。 mMTC 為海量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供連接能力，設(shè)備往往只發(fā)送少量數(shù)據(jù)，如智能計量、智慧農(nóng)業(yè)等應(yīng)用場景。 對于mMTC，網(wǎng)絡(luò)需要處理大量的低數(shù)據(jù)速率連接，因此，其關(guān)鍵指標(biāo)是連接密度、設(shè)備功耗和傳輸延遲。

（3）超可靠低延遲通信（ultra-reliable and low latency communications， URLLC）。 URLLC 滿足嚴(yán)格的低延遲和高可靠性要求，適用于關(guān)鍵性的應(yīng)用場景，如自動駕駛、遙控手術(shù)和智能電網(wǎng)。 此流量對實時性和可靠性有嚴(yán)格的要求，因此，其核心指標(biāo)是端到端的延遲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省?/p>

通過對流量進(jìn)行劃分，5G 網(wǎng)絡(luò)可以為各種應(yīng)用和服務(wù)提供定制化的解決方案，從而實現(xiàn)真正的多業(yè)務(wù)融合和性能保證［5］。

5 結(jié)語

綜上所述，5G 作為新一代移動通信技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)上都進(jìn)行了深刻的革新。 大規(guī)模多輸入多輸出、毫米波等新型空口技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等新概念的引入，使5G 網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率、連接密度、延遲控制等方面實現(xiàn)了突破。 核心網(wǎng)方面，控制面與用戶面分離提高了靈活性，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化促進(jìn)了資源利用效率。 服務(wù)基于流量劃分實現(xiàn)了對多種新應(yīng)用場景的定制化支持。5G 技術(shù)的部署與商用，將推動傳統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化升級，并催生各種創(chuàng)新應(yīng)用。 與此同時，5G 作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其規(guī)劃、設(shè)計、組網(wǎng)和運維也提出了新挑戰(zhàn)，需要運營商、設(shè)備廠商和整個產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力，以確保5G 網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)高效地演進(jìn)。