5G通信中数据传输可靠性研究

徐基都

（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

0 引 言

随着我国社会经济和科学技术的不断发展，各类移动通信数据的流量快速地增长，移动通信设备的连接数也在飞速地增加。随之而来的是各类与移动通信相关的新业务不断拓展，移动通信的应用场景也不断的出现。第五代移动通信技术，也就是5G技术，可以满足大数据量吞吐，设备高密度连接，高速传输和数据传输低时延、高可靠的应用需求，因此其已经成为移动通信领域的研究热点[1]。

5G技术不再只是简单的网络通信技术，其更注重的是互联网与智能设备以及设备使用者的深度结合，将网络设备之间的连接向外延伸至万物互联。这就可以为5G网络使用者提供更具个性化与智能化的网络信息服务，从而将传统的网络通信扩展成一个多元的融合网络。由于5G移动通信网络所面对的新的应用场景，其对通信中数据传输的要求不仅需要容量大和速度快，更重要的是要在低延时的前提下确保数据传输的可靠性[2]。只有确保5G技术中对于数据传输的可靠性才能保证其在不同领域中的大规模应用。

1 通过全双工无线网络技术提高5G通信中数据传输可靠性

全双工无线网络通信技术与之前的半双工通信技术相比，其频谱效率更高，理论上可以将通信数据的传输速率提高一倍。由于这一特性，全双工无线网络技术在5G通信领域引起了广泛的关注。

全双工无线网络通信技术在实际应用中的一个难点就是如何解决同一节点的发射与接收天线之间的自干扰问题。随着新型消除自干扰技术的出现，全双工无线通信收发天线间的自干扰得到了显著降低，使得全双工无线网络通信技术的实际应用变成可能。在全双工无线网络技术中，媒体接入控制协议性能直接影响了无线通信网络的整体性能[3]。由于传统的半双工媒体接入控制协议无法适用于全双工无线网络，因此如何在全双工无线网络下设计和完善全相关媒体接入控制协议是确保5G通信中数据传输可靠性的一个重要问题。有效的全双工媒体接入控制协议对共享信道资源的众多节点的信道接入行为进行控制，在减少节点数据传输碰撞的同时，实现信道资源公平、高效地分配。

由于无线网络中在数据传输的过程中会发生碰撞问题，进而会引起网络接收与发送数据的效率显著下降，因此在无线网络传输中如何解决碰撞问题一直是研究的重点[4]。在全双工无线网络中，由于其允许具有全双工能力的节点同时同频进行数据的收发，因此在网络通信过程中会产生两个阶段数据传输的碰撞问题。为了实现节点间全双工传输链路建立的可靠性，设计一个考虑两阶段传输信道竞争的全双工媒体接入控制协议是十分必要的。由于媒体接入控制协议可以控制节点接入和共享无线信道的方式和顺序，故而其对网络系统内的频段使用率、数据存储容量、相关设备的复杂程度和使用成本等都有很大的影响。

按照信道资源的共享方式，媒体接入控制协议有以下形式。

1.1 固定分配类媒体接入控制协议

其特点是把一个共享信道按照一定的原则划分为若干相互独立的子信道[5]。固定分配类媒体接入控制协议在通信过程中将每个子信道分配给一个或多个节点专用。由于这类协议是面向信息通道的，它能够在保持较高频段使用率的同时为数据的传输提供可靠的保障。

1.2 按需分配类媒体接入控制协议

这种协议的特点是以某种特定顺序来访问每个节点，同时对节点是否有数据需要发送进行判定，若被判定的节点有数据需要发送则立即发送，若当前节点没有数据需要发送则按顺序访问下一个节点。采用这种方式可以按照节点的实际数据传输需求来动态地分配带宽，使各个节点能够公平地获取信道的访问控制权。因此其不仅可以降低带宽资源的浪费，减小数据传输时延，同时还可以提升系统的信息输送量，提高信息传输的可靠性。

根据询问方式的不同，还可以将按需分配类媒体接入控制协议细分为集中式媒体接入控制协议和分布式媒体接入控制协议。

1.3 随机竞争类媒体接入控制协议

对于这种协议来说，不同用户对于数据的接入权限是通过节点之间的竞争来获得。一旦节点出现竞争冲突，则通过复传机制来解决数据传输可靠性的问题。对于随机竞争类媒体接入控制协议，有信息需要发送的节点就会以一定方式来竞争共享信道的接入权，而节点只要取得信道的接入权限就会以某种规则完成通信数据的发送[6]。拥有信道数据接收权的所有的节点都可以接收到其他节点发送的信息，若检测到自己是此信息的目的节点则收下信息，否则就会选择丢弃。

由于随机竞争类媒体接入控制协议不仅相对比较简单，对无线网络动态拓扑结构的不断变化有极强的适应性，而且在业务负载较低的情况下表现良好。目前得到了较为广泛的应用。

2 通过非正交多址接入技术来提高5G通信中数据传输可靠性

随着实时高清视频传输等服务的出现，5G移动通信对数据传输的速率和可靠性提出了更高的要求。与传统的正交多址接入技术不同，非正交多址接入技术可以通过为不同用户分配不同的频率来实现域内的信息多路径接入。相较于传统的正交多址接入技术，非正交多址接入技术可以进一步提高移动网络的频段利用效率，并增加网络可接入用户的数量，已成为提高5G移动通信数据传输可靠性的关键技术[7]。

非正交多址接入通信的实现主要依赖于接收机所使用的串行干扰消除技术和发射机所使用的功率域多重调用技术。其中串行干扰消除技术的基本原理是采用逐级消除的策略，对用户所接收的数据逐个访问和判定。具体来说就是使用串行干扰消除技术的接收设备首先根据用户功率的大小来判断用户的解码顺序，根据所判定的顺序，在每一序列段只对一个用户的干扰信号进行检测和处理。在解构用户的干扰信号后，在接收信号中处理此信号的干扰，最后将已处理后接收信号输入到下一级。串行干扰消除接收机将重复以上过程，直至完成所有干扰信号的处理，最终实现对所有用户信号的检测和接收。

串行干扰消除接收机从结构上可以分为两种，码字级的串行干扰消除接收机和符号级的串行干扰消除接收机。其中码字级的串行干扰消除接收机首先对用户干扰信号解调，再进行翻译，最后使用译码获得的数据信息对干扰信息进行重新解构[8]。而符号级的串行干扰消除接收机首先对干扰信息的解调，再进行硬判决，最后使用判决后获得的信号进行用户干扰信号的解构。与符号级的串行干扰消除接收机相比，码字级的串行干扰消除接收机多进行了一步译码过程，其计算复杂程度要高于符号级串行干扰消除接收机。但是由于译码过程可以对干扰信号进行检错和纠错，因此码字级串行干扰消除接收机的检测结果更加准确，对于提高数据传输的可靠性也具有更好的性能。

功率域多重调用技术的特点是对不同数据接收节点分配不同的信号功率，从而形成对于信号功率域的多重调用。与简单的功率控制有所不同的是，功率域多重调用技术是通过基站运用相关算法来进行相应的功率分配。在采用功率域多重调用技术的通信系统中，基站根据不同用户的信道使用状况分配给用户不同的发射功率。然后基站发射多个用户信息的联合编码，这种联合编码在一般情况下均为叠加码。

信息接收设备采用串行干扰消除技术，依据其信息传输功率的不同对用户进行分类。串行干扰消除接收机需要理解基站功率分配的排序，依据这个排序得到解码的顺序。按照先后顺序，顺序靠后的移动用户要先对它之前的移动用户信息进行解码，并将这些信息中所包含的干扰信息从接收信号中去除掉，然后再解码自己所要传输的信息。功率域复用技术充分利用了用户使用信道之间的差异，从而使得频率域的使用获得了复用增益。对于传统的单天线系统来说，信道使用增益从小到大的顺序就是移动用户接收机的解码顺序。其中对于只有两个用户的系统中，两个用户可以共用同一频率的资源。

而采用功率域多重调用技术，就可以为信道增益较小的用户分配较大的发射功率，反之为信道增益较大的移动用户分配较小的发射功率。这样使得信道增益较大的移动用户只用相对较小功率损失就可以获得较多的带宽增益，而对于信道增益较小的用户只需一部分较小的干扰损失就可以获得较多的功率增益[9]。这类用户由于获得了较大的分配功率，必然会获得服务质量的提升。此功率分配方式可以更好地实现移动用户之间的公平性。

3 通过正交频分多址接入技术来提高5G通信中数据传输可靠性

正交频分复用技术不但能够提高系统的频谱利用率，而且在抵抗频率选择性衰落方面表现突出，是无线通信中实现高速率传输的关键技术。正交频分复用是一种多载波调制方式，基本原理是将高速数据流转换为多个并行的低速数据流，并调制在一系列正交的子载波上同时进行传输。由于低速并行子载波的符号宽度相对增加，使得由多径时延扩展引起的时域散射量相对减少。通过在每个符号内引入保护间隔，几乎可以完全消除符号间的干扰。在保护间隔内，正交频分复用符号循环扩展，避免了载波间的干扰。

由于正交频分复用技术把传输带宽划分为相互正交的若干子载波，可以将需要传输的信息加载在这些相互正交的子载波上进行调制，在多个子载波上实现没有干扰的并行信息传输，从而使频率资源得到有效的利用[10]。正交频分复用调制利用子载波之间的正交性，使得每一个子载波都可以采用特定的调制方式服务于特定的用户进行数据传输。通过将不同的子载波集分配给不同的用户，就得到了正交频分多址接入这种多址方式。正交频分多址接入是基于正交频分复用的多用户接入技术，其主要思想是从时域和频域两个维度将系统的无线资源划分为资源块，每个用户可以占用其中的一个或者多个资源块。从时域的角度，资源块包括多个正交频分复用符号周期。而从频域的角度，资源块包括多个子载波。正交频分复用技术可以在同一个时隙，实现在不同的子载波上支持多个用户的接入。与此同时，在不同的时隙里，正交频分多址接入技术可以满足在相同的子载波上服务不同的用户。

4 结 论

5G技术的发展可为使用者提供更加先进的数据传输和通信服务，从而实现为用户提供增强和虚拟现实、在线视频、通话和游戏等具有舒适体验感的服务。5G技术在物联网方面的应用，也将大大拓展5G技术的应用领域，与工业、交通以及医疗等行业的结合，为各行各业提供优质的信息与沟通服务，为其面临的实际问题提供了信息化的解决方案。

随着5G技术的应用越来越广泛，人们对于5G技术的要求也越来越高，这其中就包括对于5G通信中数据传输可靠性要求。为了确保5G技术能够更好地服务于社会经济的发展，相关研究者还需进一步加强对于该领域的研究，为5G技术的发展以及下一代移动通信技术的研发打下理论基础。