5G 通信系统中的传输技术与网络架构设计

董国权

（日海通信服务有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

随着技术进步，移动互联网、物联网等新型网络应用迅速发展，现行4G 网络已经难以承载这些应用对高速率、低延迟及大连接密度的需求。而5G 通信系统具有更先进的传输技术和革新的网络架构，能够满足未来网络应用对性能的高标准要求，为实现万物互联提供强大动力。

1 5G 通信系统的概念与特征

5G 通信系统作为构建在国际移动通信标准IMT-2020 上的核心技术体系，被视为驱动未来万物智能互联的关键基础。与4G 通信系统相比，5G 通信系统的多个核心性能指标显著提升。第一，5G 通信系统的峰值速率提升至20 Gb/s 级别，确保用户的体验速率至少达到100 Mb/s[1]；第二，5G 通信系统的网络能效和区域流量承载能力大幅提升，实现每平方千米百万级别的连接密度；第三，5G 通信系统能够实现高速移动环境下的稳定连接，并将无线接入的端到端时延降低至毫秒级。

此外，5G 通信系统在空中接口技术和网络架构层面均实现重大革新。在无线接口方面，5G 通信系统采用更宽的频谱带宽资源（最高可达1 GHz）、更先进的调制编码方案以及大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术等，在基站侧配置数百个天线元件，以提高信号处理能力和传输效率。在网络架构方面，5G 通信系统采用一种包含小型基站密集部署和高度自治子系统的新型布局策略。同时，引入网络切片和移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）等先进理念，根据各垂直行业的特定需求定制不同的服务质量与性能指标，从而确保5G 网络能够灵活、高效地服务于多样化且高要求的应用场景。

2 5G 通信系统中的传输技术

2.1 调制解调技术

5G 通信系统采用的新型调制解调技术包括滤波器组多载波（Filter-Bank Multi Carrier，FBMC）、广义频分复用（Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM）等，同时采用Polar 码、低密度奇偶校验（Low Density Parity Check，LDPC）码等新型前向纠错技术[2]。这些技术能够实现更高阶的调制方式，在相同带宽下提升峰值数据速率，同时具有更高的频谱效率和更低的传输延迟等。例如，GFDM 调制技术通过引入子符号的循环前缀结构，可以更加灵活、高效地利用频谱资源，提高频谱利用率。Polar 码作为一种全新的编码技术，可以实现更低的编码与译码延迟。此外，5G 通信系统采用交织波分复用技术，能够在子载波间实现高效的资源复用，显著降低互调失真。

2.2 大规模MIMO 技术

根据香农定理，系统容量与信道带宽和信噪比成正比。采用大规模MIMO 技术，可以在不增加系统带宽的前提下，通过空间复用显著提升等效信噪比，从而扩大理论容量。此外，大规模MIMO 技术可以高度聚集信号能量，大幅提高发送端的发射效率。

3 5G 通信系统中的网络架构设计

3.1 网络切片

5G 核心网采用全分布式网络架构，其中网络切片技术是实现差异化需求定制的关键。基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV），构建包括接入网、传输网及核心网的端到端物理基础网络。结合通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS），设计并实现一个适用于关键任务服务且具备高可靠性和低时延特性的网络切片实例，包含专用的控制面和用户面功能实体。控制面包括接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、会话管理功能（Session Management Function，SMF）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）等，负责接入鉴权、会话控制及策略制定等。用户面包括用户端口功能（User Port Function，UPF）实体，提供用户流量的转发与管理功能。此外，引入MEC 构建边缘云，部署高可靠和低延迟通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）应用，以降低时延。控制面和用户面通过N15 接口相连，面向专业用户和指令操作的行业应用可直接通过5G 核心网接口接入服务专网[3]。该切片在接入侧共享的下一代基站信道资源下，获得专用物理资源块（Physical Resource Block，PRB），在传输侧的端到端传输带宽≥50 Mb/s，时延≤5 ms。基于网络虚拟化技术与功能级联的方法，进一步构建符合工业互联网时延敏感型业务需求的隔离切片网络，为关键服务提供差异化的服务等级协议（Service-Level Agreement，SLA）保障。

3.2 边缘计算

5G 网络架构中引入MEC 技术，用于将云计算、缓存及网络功能推至基站边缘，构建面向接入的开放应用环境。具体而言，本设计采用NFV 方法，在小区核心宏基站和关键小微基站处部署MEC 服务器集群，形成遍布接入网边缘的互联网技术（Internet Technology，IT）服务能力支撑平台。MEC 平台通过开放式接口，使得第三方应用开发商可以接入并部署各类高带宽、低时延应用和服务。

MEC 作为基站的本地数据中心，可以高效管理和分析海量的本地数据。例如：部署实时导航服务，根据车载定位信息和高清地图渲染实景视图；部署多人协同游戏服务器，基于地理位置匹配实现周边用户直接互动[4]。

3.3 动态频谱共享

在5G 网络架构中巧妙运用动态频谱共享技术，实现频谱资源在时间、频率及空间3 个维度上的高效协调与共享，从而大幅提升频谱资源利用率。动态频谱共享方案包含3 个层面，分别是频谱感知层、频谱决策层以及频谱管理层。在频谱感知层，借助分布式频谱检测装置进行实时且精细的频谱状况分析，全面捕捉目标频段的频谱使用情况，具体包括识别频谱空闲时段、获取占用信号的各项参数以及精确评估干扰强度等级信息。在频谱决策层，依托深度自适应学习与强化学习算法的强大功能，精准预测频谱需求与供应趋势，并根据业务的优先级智能制定科学合理的频谱分配策略。在频谱管理层，利用蜂窝网络的灵活帧结构机制，有效协调长期演进（Long Term Evolution，LTE）和5G 新空口（New Radio，NR）系统在时域与频域上的动态频谱调度过程。此外，采用波束成形（Beamforming）等先进技术手段，确保频谱资源的高效利用和优化配置。LTE 和公共5G 系统按照7 ∶3的比例动态共享3.5 GHz 频谱，若检测到私有5G 小基站请求接入该频段信道，可临时调整时间片划分，以保证专网业务质量[5]。

4 实验验证与性能评估

4.1 仿真模型构建与实验设计

为验证所提5G 网络架构中传输技术和体系结构的有效性与性能优势，构建仿真测试平台进行探讨。基于行业标准的商业系统级仿真软件，通过导入实际的城市地理信息，构建能够反映真实城区环境特征的小区模型，配置一系列不同的传输技术参数。同时，严格按照先前的设计理念搭建5G 特有的网络切片、MEC 平台以及动态频谱共享机制，力求全方位展现这些关键技术在复杂应用场景中的表现。例如，针对高速铁路沿线区域和人口密集城市的多样化环境，模拟各种可能的用户分布模式、业务流量特点以及无线信道条件。在测试过程中，关注的性能指标主要包括峰值数据传输速率、用户平均体验速率、单位面积所承载的连接数量以及端到端通信延迟等。通过对比采用网络切片化架构和MEC 技术前后服务质量的改善情况，衡量其对整体网络性能的提升作用。测试方法采用蒙特卡洛数值仿真法，依据预设场景生成数万个独立的业务连接轨迹，以此收集各项性能指标的大量数据样本，并推导出相应的数值分布和统计特性。此外，使用一套包含时延、丢包率以及数据传输速率等多个评价维度在内的综合性评分模型，从定量的角度全面且精准地评估所设计的5G 核心网络架构性能。

4.2 测试结果与分析

根据构建的仿真平台和测试方案，评估所设计的5G 核心网架构性能，重点考察网络切片技术和MEC 部署对服务质量的提升效果。高铁场景下的时延测试结果如表1 所示。

表1 高铁场景下时延测试对比结果

由表1 可知，在高铁场景下，与没有应用切片技术的网络相比，采用端到端网络切片承载高速铁路专用业务，能够在保证速率需求的情况下将平均时延由22 ms 降低至18 ms，满足工业互联网对于超可靠通信的严格需求。

在不同用户数量下，采用MEC 部署增强现实（Augmented Reality，AR）导航的平均服务响应时延的测试结果如表2 所示。

表2 平均服务响应时延的测试结果

由表2 可知，随着用户请求业务数量的增加，采用MEC部署的AR导航应用时延保持在23 ms以下，实现了毫秒级响应。

5 结 论

文章通过设计5G 核心网架构，重点研究切片技术、MEC 以及动态频谱共享在5G 网络构建中的应用。通过仿真测试，验证了所设计方案可以有效降低网络时延，提升5G 网络的差异化服务质量保障能力。随着相关标准规范的进一步完善和商用化进程的推进，5G 网络将在万物互联和数字经济发展中发挥关键基础设施作用，并拓展应用场景，推动产业数字化转型。