從4G通信技術(shù)發(fā)展看5G

肖亞楠，滕穎蕾，宋 梅

（北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院 北京100876）

1 4G 通信系統(tǒng)的興起

追溯通信系統(tǒng)的發(fā)展，從最初的模擬蜂窩通信（1G）到以GSM（全球移動通信系統(tǒng)）和IS95 為代表的第二代通信（2G），隨后又到TD-SCDMA、WCDMA 和cdma2000 三足鼎立的第三代移動通信系統(tǒng)（3G），人們已經(jīng)不滿足3G 所帶來的信息沖擊，只有發(fā)展新技術(shù)才能滿足用戶更加多樣化的需求，因此，第四代移動通信系統(tǒng)（4G）應(yīng)運(yùn)而生。隨著2013年4G 牌照的下發(fā)和各大運(yùn)營商對4G 業(yè)務(wù)的逐漸推進(jìn)，一個更快的4G 時代已經(jīng)逐漸滲透進(jìn)人們的生活中。從1G 到目前商用的4G，接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率提升了一萬倍，其演進(jìn)過程是有跡可循的，接入網(wǎng)在不同通信系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)傳輸速率如圖1 所示。

4G 通信目前正處在發(fā)展高峰期，其主流標(biāo)準(zhǔn)LTE-Advanced（long term evolution-advanced）包括LTE TDD（time division duplexing）和FDD（frequency division duplexing）LTE 這2 種制式。目前，中國三大運(yùn)營商拿到的都是LTE TDD 制式的4G 牌照。

4G的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基于IP，可以支持不同的接入技術(shù)，其憑借高速率、高智能性以及高覆蓋性的特點(diǎn)正在逐漸取代3G 時期的傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。其核心支撐技術(shù)，如OFDM、MIMO、軟件無線電、智能天線等，保證了4G 用戶在各種網(wǎng)絡(luò)場景下的數(shù)據(jù)速率、可靠性和節(jié)能等要求。更快的速度和更高的安全性給用戶帶來了更好的通信體驗。我國正處于4G 技術(shù)商業(yè)應(yīng)用的高速發(fā)展階段，4G 網(wǎng)絡(luò)的巨大投資給網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化行業(yè)帶來了廣闊的市場空間。

2 5G 候選通信技術(shù)

移動通信技術(shù)隨著用戶需求的飛速膨脹，也在不斷地更新?lián)Q代。全球4G 建設(shè)部署方興未艾，5G 也隨著新型技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究開發(fā)在全球開啟大幕。

圖1 接入網(wǎng)在不同通信系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)傳輸速率

IMT-Advanced（international mobile telecommunications-advanced）提出，5G 在提高接入速率和連接能力、降低時延等方面會提升不止一個臺階，其網(wǎng)絡(luò)承載力將是4G的1 000 倍。1 000 倍的數(shù)字振奮行業(yè)上下，三星提出未來5G 系統(tǒng)的上下行峰值速率能夠達(dá)到50 Gbit/s 和25 Gbit/s，小區(qū)頻譜效率提升到10 bit/s/Hz，端到端時延降低到1 ms，而且用戶速率、移動性、能量效率和業(yè)務(wù)流量等性能指標(biāo)也會比4G 時期更加優(yōu)化。華為也指出：在速率方面，5G 依賴超容量的帶寬，短距離傳輸速率將達(dá)到10 Gbit/s，是4G的100 倍；在應(yīng)用方面，要構(gòu)建1 000 億海量連接世界。5G 技術(shù)使用可以拓展到90 GHz的頻譜，大大釋放頻譜資源。另外，中興提出：5G 能實(shí)現(xiàn)“人與人”、“人與物”及“物與物”之間的無縫高速連接。5G 網(wǎng)絡(luò)不僅要提升速度，更應(yīng)該著重建設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)社會，這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠以低成本、多樣化的服務(wù)來支持龐大的數(shù)據(jù)流量。

不斷發(fā)展的通信技術(shù)是擁有更高速率和更高用戶體驗的5G 系統(tǒng)的核心支撐力，為其奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。下面對5G 候選技術(shù)進(jìn)行分析和討論。

2.1 Massive MIMO

Massive MIMO 基于傳統(tǒng)的MIMO 技術(shù)，基站配置的天線數(shù)目達(dá)到傳統(tǒng)天線數(shù)目的100 倍。其多天線的特點(diǎn)不僅降低了發(fā)送功率，還減緩了干擾，讓網(wǎng)絡(luò)的容量增加了10 倍，同時，百倍地提高了網(wǎng)絡(luò)的能量效率。除此之外，該技術(shù)還有低成本、低時延、簡化MAC層、高健壯性等特點(diǎn)。

Massive MIMO 技術(shù)的提出可以很好地提高網(wǎng)絡(luò)的有效性和可靠性。但是，如果要在實(shí)際應(yīng)用上開發(fā)出更多潛能，還有很多問題需要考慮，如計算的復(fù)雜性、分布式處理算法的實(shí)現(xiàn)、天線單元的同步問題等。所以，無論是在科研理論方面，還是在商用方面，Massive MIMO 都還有很長一段路要走，但其潛能很大，前景需拭目以待。

2.2 認(rèn)知無線電技術(shù)

認(rèn)知無線電（cognitive radio，CR）的核心思想是系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)能力，能夠感知授權(quán)用戶的存在，機(jī)會式地接入可用資源，并限制和降低沖突的發(fā)生。如果將認(rèn)知無線電應(yīng)用在蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，低功率節(jié)點(diǎn)就可以伺機(jī)占用宏基站的可用資源，無需授權(quán)，靈活高效。

認(rèn)知無線電技術(shù)被認(rèn)為是繼軟件無線電之后，無線通信技術(shù)的“下一件大事”，因此受到了極大關(guān)注。目前，認(rèn)知無線電技術(shù)雖然仍處于研究階段，技術(shù)和應(yīng)用方面都有很多難題需要解決，但隨著研究的深入，認(rèn)知無線電技術(shù)憑借其在動態(tài)頻譜使用方面的優(yōu)勢以及與蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景結(jié)合所帶來的巨大潛能，一定能在5G 無線通信領(lǐng)域里大展拳腳。

2.3 SON 技術(shù)

自組織網(wǎng)絡(luò)（self-organized network，SON）技術(shù)是一種智能的自動化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維技術(shù)。SON的主要功能是自配置、自優(yōu)化、自治愈。

SON 技術(shù)可以緩解由于多制式網(wǎng)絡(luò)共存所帶來的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維效率低、網(wǎng)絡(luò)成本加大的難題，并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積、容量和通信質(zhì)量。未來，SON 技術(shù)將繼續(xù)成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，應(yīng)對多樣化新需求和新應(yīng)用的出現(xiàn)。但同時也帶來了難題，如SON 能否滿足5G 系統(tǒng)中異常復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的運(yùn)營、管理和優(yōu)化需求，這將會對SON的發(fā)展和部署構(gòu)成很大的挑戰(zhàn)。

2.4 MTC 技術(shù)

機(jī)械通信（machine to machine，M2M）屬于物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用。在3GPP的定義中，M2M 也稱為機(jī)器類型通信（machine-type communications，MTC）。MTC 技術(shù)憑借其低成本、低功耗和窄帶寬的優(yōu)勢，在智能家居、智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、災(zāi)難場景等業(yè)務(wù)場景中如魚得水。雖然目前還有一些技術(shù)問題有待解決，例如，如何降低機(jī)器類終端的成本，如何解決低成本MTC 終端的覆蓋問題，但MTC的特點(diǎn)和優(yōu)勢決定了其必然是未來5G 通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要驅(qū)動力之一。

在未來5G 網(wǎng)絡(luò)中，MTC 應(yīng)用的研究目標(biāo)應(yīng)該著重在繼續(xù)降低終端低成本以及實(shí)現(xiàn)20 dB 覆蓋增強(qiáng)方面。

2.5 同頻同時全雙工技術(shù)

同頻同時全雙工技術(shù)由北京大學(xué)在2006年正式提出[1]，其原理是將發(fā)射信號和接收信號設(shè)置在同一頻率和時隙上，使得資源開銷相比傳統(tǒng)雙工模式減半，從而提高頻譜效率，但在此過程中引入了由本基站發(fā)射信號帶來的干擾。目前的干擾消除方法分為天線抑制法、射頻干擾消除法和基帶干擾消除法3 類。為了更好地抑制干擾，Rice 大學(xué)嘗試將這幾種方法聯(lián)合使用。研究結(jié)果表明，當(dāng)射頻干擾技術(shù)能足夠好地消除干擾時，再加入基帶干擾消除，不僅不會讓聯(lián)合消除干擾能力隨之增強(qiáng)，反而可能導(dǎo)致殘余干擾加大。所以，關(guān)于如何結(jié)合射頻與數(shù)字技術(shù)，使得聯(lián)合干擾消除能力最大的問題，尚需進(jìn)一步研究。雖然干擾消除技術(shù)還未成熟，但同頻同時全雙工技術(shù)的應(yīng)用無疑為5G 網(wǎng)絡(luò)中貧乏的頻譜資源松了松筋。

除此之外，非正交多址接入、頻譜共享、綠色通信、新波束賦形、D2D（device-to-device）等技術(shù)也是5G 技術(shù)的核心組成部分，它們的發(fā)展都勢必為未來通信網(wǎng)絡(luò)做出巨大的貢獻(xiàn)。總之，5G 通信將引領(lǐng)下一代移動通信技術(shù)，把用戶帶進(jìn)更方便、快捷的全球化信息平臺。

3 5G 候選網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，用戶對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提出了越來越高的要求，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無法應(yīng)付這種多樣化的需求，這成為了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成長的瓶頸。自適應(yīng)是未來5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，可控、可管、可信和可擴(kuò)展是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)特性應(yīng)滿足的基本指標(biāo)，新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究對于未來5G 網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。

下面從原理、功能和前景方面對當(dāng)前比較熱點(diǎn)的2 種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行討論分析。

3.1 CRAN 架構(gòu)

CRAN 是由中國移動在2010年提出的一種基于集中式基帶處理、協(xié)作式無線網(wǎng)絡(luò)、云計算技術(shù)的綠色接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中，集中化處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，協(xié)作化無線電模式可以減少干擾，提高頻譜效率，實(shí)時云架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了基帶處理。這種綠色化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)勢必會減少無線網(wǎng)絡(luò)的資源開銷，提高系統(tǒng)能量效率。

CRAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以和5G的頻譜共享技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)話務(wù)量為小區(qū)動態(tài)分配資源，實(shí)現(xiàn)無線容量與用戶移動特性之間緊密相關(guān)，從而解決話務(wù)潮汐問題。由此可見，CRAN 在5G 網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展空間很大。

鑒于CRAN的種種優(yōu)勢，國際和國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)把CRAN 列為重要研究課題，如NGMN、Green Touch、歐盟FP7 項目、國家重大專項等。除此之外，CRAN 也吸引了眾多運(yùn)營商的眼球，如KT、SKT、DoCoMo 等。CRAN 得到了通信業(yè)界的積極響應(yīng)，但目前CRAN 框架內(nèi)還有一些技術(shù)問題有待解決，如要求高效的前端傳輸技術(shù)、虛擬化的應(yīng)用等。由于其為5G 技術(shù)提供了更加寬闊的通信平臺，所以，CRAN 很可能為將來移動通信市場開辟新的發(fā)展空間。

3.2 CCN 架構(gòu)

內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)（content center network，CCN）體系結(jié)構(gòu)的外形是沙漏模型[2]，用Content Chunk 代替了IP，數(shù)據(jù)成為網(wǎng)絡(luò)中新的命名對象。另外，網(wǎng)絡(luò)中的存儲功能可以緩存數(shù)據(jù)分組，加快用戶訪問緩存資源的響應(yīng)時間，減緩網(wǎng)絡(luò)中流量擁塞問題。CCN的主要優(yōu)點(diǎn)是安全、高性能、綠色環(huán)保，應(yīng)用部署和流量調(diào)節(jié)簡單。

CCN 網(wǎng)絡(luò)是信息中心網(wǎng)絡(luò)（information centre network，ICN）的主要架構(gòu)之一，已有研究證明：ICN 能夠更好地解決當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)中存在的問題[3]，能夠克服現(xiàn)有的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中存在的種種弊端，在未來網(wǎng)絡(luò)的演化中將發(fā)揮更大的作用。

3.3 SDN 架構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network，SDN）技術(shù)是由斯坦福大學(xué)提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其核心思想是利用OpenFlow（轉(zhuǎn)發(fā)面開放協(xié)議）技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的可編程，從而使得網(wǎng)絡(luò)在虛擬化方面更進(jìn)一步。SDN 代表網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，業(yè)界逐漸把關(guān)注焦點(diǎn)放在其核心技術(shù)OpenFlow上。目前，包括IBM、HP、Cisco 以及華為和中興等在內(nèi)的制造商都對OpenFlow 技術(shù)表示大力支持。

IETF（Internet engineering task force）也開始研究SDN，不僅成立了SDN BOF，還提出了自定義SDN 架構(gòu)。2012年初，開放網(wǎng)絡(luò)基金會（open networking foundation，ONF） 發(fā)布了OpenFlow 管理和配置協(xié)議的第一個版本（OF-CONFIG 1.0 & 1.1）。在國內(nèi)，中國通信協(xié)會（CCSA）已經(jīng)開始將SDN 納入未來網(wǎng)絡(luò)的研究目標(biāo)中，并開始啟動SDN 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)項目的預(yù)研工作[4]。

雖然SDN 還處于起步階段，但其潛能巨大，必然會促進(jìn)未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，值得各方加以重視。

這些新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)憑借各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢，會和未來的5G 網(wǎng)絡(luò)接軌，給用戶提供一個更快、更好的新5G 通信時代。

4 5G的發(fā)展前景

5G 作為未來通信發(fā)展的趨勢，要應(yīng)對不斷增長的需求，不僅要創(chuàng)新，還要有極強(qiáng)的兼容性。根據(jù)5G 技術(shù)的發(fā)展走向，未來的5G 技術(shù)應(yīng)該可以兼容2G、3G、4G 中所有的通信協(xié)議，并且在現(xiàn)有接入技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成多種新型接入技術(shù)，形成真正的無縫融合網(wǎng)絡(luò)。因此，在5G 時代，全球?qū)⒂型灿靡粋€標(biāo)準(zhǔn)。針對未來復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的運(yùn)營維護(hù)，這種統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)無疑是錦上添花。

5G 系統(tǒng)的演進(jìn)和技術(shù)的創(chuàng)新，將會促使它逐漸走向智能化和虛擬化，從而帶給公眾一個更加人性化和方便的高速通信時代。

5 結(jié)束語

本文首先分析了4G 通信系統(tǒng)的興起和發(fā)展現(xiàn)狀，然后根據(jù)5G 通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，對5G 候選技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了總結(jié)，最后預(yù)估了5G的發(fā)展前景。通信技術(shù)只有不斷地突破瓶頸，才能向更好的方向發(fā)展。4G 在發(fā)展過程中面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)都會為5G的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)，總體來看，5G的未來機(jī)遇大于挑戰(zhàn)，具有巨大的發(fā)展前景。

1 Lee W C Y.CS-OFDMA:a new wireless CDD physical layer scheme.IEEE Commun，2005

2 閔二龍，陳震，許宏峰等.內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)CCN 研究進(jìn)展探析.信息網(wǎng)絡(luò)安全，2012(2)：6～10，22

3 Dirk T，Mikko S，Karen S.Arguments for an information-centric internetworking architecture.ACM Computer Communications Review，2010，40(4)：26～33

4 劉露，陳清金，張云勇.對SDN 技術(shù)的研究與思考.互聯(lián)網(wǎng)天地，2013(3)：1～3