基于5G 技术的大数据网络架构与传送技术研究

焦 明

（河南省信息咨询设计研究有限公司，河南 郑州 450008）

0 引 言

大数据网络架构与传送技术的应用极大改变了人们的日常生活及生产方式，并提高了工作效率及工作质量。但是，随着应用环境越来越复杂，大数据网络架构与传送技术面临着诸多挑战及考验。而5G 技术的应用为大数据网络架构与传送技术发展提供了更多可能及机会，通过5G 优化及改善大数据网络架构与传送技术应用的效果备受业内关注。由此可见，基于5G 探索研究大数据网络架构与传送技术优化发展既是行业发展的内在要求，也是5G 时代的大势所趋。

1 5G 背景下的大数据网络架构所需内容

5G 技术具有很强的扩容性，打破了传统网络通信的限制，可适用于更多应用场景，甚至覆盖社会生活的各个方面，5G 应用场景如图1 所示。基于5G 技术构建大数据网络架构，可以有效改善传统通信网络架构模式下的组网模式、通信频谱、天线技术以及末端基站等工作，促使大数据网络架构不断完善。

图1 5G 技术应用场景

1.1 组网模式

目前，4G、5G 共存，5G 组网模式主要有2 种，即独立组网模式（Standalone，SA）、非独立组网模式（Non Standalone，NSA）。独立组网模式直接应用5G 设备及下一代核心网（Next Generation Core，NGC）进行组网，这种模式既可以实现5G 的全部功能及应用，也可以使5G网络与4G网络同时稳定并行，但独立组网模式建设初期成本较高。非独立组网模式是使用双连接+主基站控制+核心网组网，可基于现有4G 通信基础设施构建5G 同行网络，有助于提高5G 网络部署的效率，且前期成本小。但是，非独立组网模式中的设备性能无法完全满足5G 网络通信需求，在小范围内应用有良好效果，但因通信链路相互影响，不利于大面积应用。

1.2 通信频谱分配

对于5G 网络而言，其通信频段有高、低频段之分。高频段的频谱范围为24.75 ～27.5 GHz、37 ～42.5 GHz，该频段可使5G 网络在多热点区域和室内区域内实现数据无线接入。低频段的频谱范围为3.3 ～3.6 GHz、4.8 ～5 GHz，该频段可以使5G 网络在接入层进行无线数据的稳定传送。高低频的紧密耦合可保障5G 网络数据传输实现无缝连接[1]。5G 网络通信频谱分配示意图如图2 所示。

图2 5G 通信频谱分配示意图

1.3 Massive MIMO 技术

Massive 多进多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术应用区域主要包括宏覆盖、高层建筑、异构网络、室内外热点以及无线回传链路等。该技术的优势集中体现以下几个方面：一是在基站天线数量远超用户天线数的情况下，所有用户信道便会趋于正交；二是可有效改善小区内同频干扰和加性噪声，且系统性能只在邻区导频复用方面受限；三是可在空域时域、频域、极化域等多维度增强频谱利用及能量利用的效率；四是与空间复用技术、拟制干扰技术融合应用可进一步增大5G 网络系统容量。

1.4 开放平台小基站（5G 微站）

与4G 网络相比，5G 频带更高，信号传输衰落幅度较大，因此同位置下5G 信号覆盖范围要小于4G信号，特别是非独立组网模式下，5G 基站无法完整覆盖整个区域。而应用开放平台小基站则能有效弥补5G 末端信号传输的不足。该小基站的单射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）功耗为0.5 kW，供电方式灵活，220 V 交流电供电、远供直流电供电、锂电池供电均可。该小基站的设备体积及重量均比较小，方便安装于建筑外墙、监控立杆及一些市政道路设施上。小基站远端覆盖单元具有微功率射频收发功能，可以使5G 通信信号实现分布式覆盖。通过小基站的扩展单元既可以实现覆盖区内上下行信号的交互，也可进行通信数据的分发及汇聚，给远端覆盖单元进行电力供给。接入单元既能有效处理基带部分信号，又可以实现上下行信令交互[2]。

1.5 5G 网络架构

对于5G 网络而言，其架构主要有3 个层面。一层是应用MIMO 天线技术实现网络全覆盖；二层是应用小基站补充覆盖盲点，并提供热点流量服务；三层是应用室分技术实现室内深度覆盖，具体如图3 所示。这样构建的5G 网络架构既可实现宏微异构，也可实现高低频协同。

图3 5G 网络架构

2 5G 背景下的传送技术分析

2.1 覆盖增强技术

覆盖增强技术在5G 网络大数据传输通信中有着重要意义，既能保障低功率基站及宏站的稳定运行，又可优化网络密度。同时，相对于站点控制方法而言，覆盖增强技术能够有效缩短各站点之间的通信距离，在扩大系统容量及增强频谱效率的同时，保障5G 大数据通信网络信息进行稳定可靠的传输。基于覆盖增强技术构建5G 大数据通信网络云后台，可以实现对数据传输的统一化管理及控制。另外，将覆盖增强技术与量子密码技术融合应用，可增强5G 网络对信息传输的控制，进而提高大数据网络通信的安全性及效率[3]。

2.2 频效提升技术

频效提升技术是5G 大数据通信网络中的重要技术，既可以基于天线技术接入非正式多地址，又可与编码技术及传输波形技术融合应用，有效提高网络通信数据传输的效率。通过频效提升技术可以对数据网络中的各频谱资源和功率状态进行合理协调，并能扩大信道容量，延长数据可传输的距离。在5G 大数据通信网络中应用频效提升技术时，应配置正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）波形控制技术，在提高频率利用率的同时改善频率选择性衰落问题，防止通信失真。

2.3 毫米波技术

毫米波技术是5G 大数据网络中的关键传送技术之一。该毫米波频段中不仅集成了微波频段及红外波特性，可适用于各种数据传送场景，而且通过毫米波频段可以进行数据的全天候传送，即能有效满足用户的信息实时传送需求，又能确保数据传送质量及容量。目前，可用频段资源基本都是低于60 Hz，属于低频段资源，而针对高频段资源的开发还比较有限。因此，在5G 大数据通信网络中通过对毫米波进行分布排列，改变传统线性布置方式成为阵列式分布，如“十字形”阵列或“矩形”阵列，再通过光纤与控制器及天线相连接，即可增加网络密度，也可促进通信传送体系不断完善[4]。

2.4 多天线MIMO 技术

多天线MIMO 技术是5G 大数据通信网络中的关键传送技术之一。通过多天线MIMO 技术可实现对无线回传链路、室内外热点等区域的全方位覆盖，也能够提高5G 基站接发通信信号的稳定性。同时，大规模应用多天线MIMO 技术不仅可以从极化域、频域、时域、空域等多个维度全面增强频谱利用率，而且可以增强用户信号，改善用户小区自干扰问题，提升信号载干比。随着当前通信用户数据传送需求量的逐渐增大，构建微基站并应用多天线MIMO 技术，可有效弥补覆盖盲点，再通过与室内分布技术融合应用，可确保室内通信信号实现深度覆盖，既能优化5G 大数据网络架设质量，又能保障信息数据稳定传输[5]。

3 基于5G 技术优化大数据网络架构及传送技术应用的建议

5G 技术的应用虽然可以提高数据传送效率及质量，为大数据网络架构及传送技术创新发展提供了更多可能及机会，但是机会与挑战并存，基于5G 技术构建的大数据网络依然面临着数据泄漏、信息篡改等安全挑战。因此，为优化5G 技术与大数据网络技术的融合应用，必须做好安全防护，具体来说可从以下3 个方面入手。

3.1 应用防火墙技术

防火墙是防护5G 大数据通信网络安全的重要技术措施。随着科技的发展，防火墙技术也越来越成熟及完善。因此，在5G 大数据通信网络架构建设及数据传送中全方位应用防火墙技术，在内网、外网之间构建起虚拟的安全屏障，从而抵御外来干扰，并阻断外网非法攻击入侵的渠道，降低网络威胁，提高数据信息传送的安全性及稳定性。

3.2 落实防病毒技术

病毒是威胁5G大数据通信网络安全的重要因素，因此在5G 大数据网络架构建设及数据传送中，要从宏观角度建立完善的病毒防范体系，结合5G 大数据网络架构特点合理选择及应用专业的杀毒软件，加强对病毒的预防、检测及消除，防止病毒入侵和破坏5G 大数据通信网络。同时，因为病毒清除通常都是被动“解毒”的程序，即在5G 大数据通信网络遭受病毒入侵及破坏时，病毒清除程序才会启动，所以5G 大数据通信网络应用病毒防护技术的重点应是“预防”，要防止病毒入侵及传播[6]。

3.3 注重网络监控

在应用防火墙技术及防病毒技术的基础上，技术人员应该利用签名标记技术等加强对5G 大数据通信网络运行的监控，实时分析及排查5G 大数据通信网络中的安全隐患及安全风险。同时，工作人员发现安全隐患及风险时，应马上采取应对措施解决安全风险及隐患。

4 结 论

5G 技术背景下，大数据网络架构架设及传送技术发展面临着诸多机遇及挑战，因此为抓住机会并有效应对挑战，需要技术人员在构建5G 大数据通信网络中，根据现实情况选用合适的组网方式，合理分配通信频谱，完善开放式5G 微基站建设，灵活应用覆盖增强技术、频效提升技术、毫米波技术以及多天线MIMO 技术等数据传送技术，不断完善5G 大数据通信网络架构体系。同时，技术人员要根据5G 大数据通信网络应用防火墙技术、防病毒技术等完善网络安全防护体系，确保5G 大数据通信网络的安全，进而推动5G 大数据通信网络实现可持续发展。