5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究

劉明天

安徽大學安徽合肥230601

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究

劉明天

安徽大學安徽合肥230601

隨著在過去的十年當中，我國的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，尤其是在移動通訊技術(shù)方面取得了較大的進展，從現(xiàn)階段已經(jīng)被淘汰的1G移動通訊技術(shù)到現(xiàn)在較為普及的4G移動通訊技術(shù)，我國的移動通訊技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了翻天覆地的變化。相比于3G網(wǎng)絡(luò)，4G移動通訊在上網(wǎng)速度以及質(zhì)量方面取得了較大的進展，從而滿足了當前人們對網(wǎng)絡(luò)的基本需求。但是隨著大數(shù)據(jù)時代的帶來，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)規(guī)模不斷增加，同時網(wǎng)絡(luò)速度也受到了一定的限制，現(xiàn)階段人們對于移動通訊的需求不斷增加，在這樣的背景下4G移動通訊技術(shù)已經(jīng)逐漸無法滿足人們的使用需求，在這樣的背景下5G移動通訊網(wǎng)絡(luò)逐漸開始走上歷史舞臺。在本文當中筆者論述了5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)以及其中的關(guān)鍵技術(shù)。

5G網(wǎng)絡(luò)；移動通信；架構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)

一、引言

在現(xiàn)代社會當中網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們生活當中最重要的組成部分，同時隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，人們對信息的需求量不斷增大，同時在人們的日常生活當中所發(fā)揮的作用也逐漸變大，信息在現(xiàn)代社會當中已經(jīng)成為維持社會正常運轉(zhuǎn)的重要工具。移動通訊技術(shù)由于使用的廣泛性以及接入的便利性，在未來的應用當中必然將不會在限制于人們之間的溝通與交流，甚至還有可能被用于物聯(lián)網(wǎng)當中，從而實現(xiàn)物與物之間的信息交流，由此可見，現(xiàn)階段的人們對于信息的不同需求都在不斷增長當中，4G移動通信技術(shù)已經(jīng)逐漸無法滿足人們的日常需求，基于此種情況，開發(fā)5G移動通信技術(shù)已經(jīng)具有了非常大的必要性。當前階段5G移動通信網(wǎng)絡(luò)在頻率、技術(shù)以及運營方面都面臨著較大的挑戰(zhàn)，因此，5G技術(shù)必然會成為接下來一段時間內(nèi)學術(shù)界研究的重點內(nèi)容。各種新的應用場景，新的業(yè)務(wù)類型，新的終端設(shè)備，使5G市場的發(fā)展充滿了未知因素，因此需要我們開展研究，明確5G的業(yè)務(wù)和關(guān)鍵技術(shù)指標，為5G技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計指引方向[1]。

二、5G簡介

在未來5G在以下五個方面當中必將有非常大的應用：物聯(lián)網(wǎng)、實時連接、提高用戶體驗、超高速通信以及大規(guī)模人群同時使用。同時根據(jù)現(xiàn)階段的研究，5G網(wǎng)絡(luò)必須要滿足以下五個基本需求：信息的傳輸速度需要達到10GB/s，頻譜效率必須要提高到10倍左右、能量效率也需要提高10倍、網(wǎng)絡(luò)容量需要提高1000倍、延遲需要小于5毫秒。由此可見相對于4G移動通訊來說，5G并不是僅僅意味著上網(wǎng)速度的提升，同時還意味著更好的用戶體驗以及更多的網(wǎng)絡(luò)應用[2]。為了使得5G網(wǎng)絡(luò)的資源與應用配置成本有效降低，同時使得其智能化的不斷提高，目前研究人員已經(jīng)明確了一些具體的走向，主要如下圖1中所示。

圖一 5G網(wǎng)絡(luò)在未來的發(fā)展趨勢圖

從上圖當中我們可以發(fā)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)在未來的發(fā)展趨勢。主要包含以下幾個方面的內(nèi)容：第一，無線接入技術(shù)的不斷發(fā)展，在5G網(wǎng)絡(luò)當中有可能會采用非正交多址接入技術(shù)，這對資源利用效率的改善具有非常重要的意義。第二，蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍必將不斷縮小，由于小蜂窩技術(shù)的不斷前進，在未來的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)當中蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍縮小已經(jīng)是大勢所趨，尤其實在一些商業(yè)化程度相對較高的地區(qū)，小蜂窩網(wǎng)往往呈現(xiàn)出密集或者超密集分布的特點，因此5G移動通訊必然也會采取這樣的模式。第三，為了提高資源的利用效率與用戶對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求，5G移動通信當中必然會混合使用蜂窩與不同技術(shù)特征的接入方式，即所謂的異構(gòu)性。第四，智能化發(fā)展，5G通信網(wǎng)絡(luò)為了保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)當中的能源節(jié)約，同時保證用戶體驗，會將智能化引入到架構(gòu)當中[3]。

三、5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前國內(nèi)外的學者對于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有一致的認識，即通過現(xiàn)有的RAT演進添加新的技術(shù)而得到的。雖然從世界范圍內(nèi)來看，關(guān)于5G的相關(guān)研究還處于起步階段，但是已經(jīng)取得了一定的成果，例如當前階段的研究人員提出了一種新型異構(gòu)的LTE-B網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。筆者在對現(xiàn)階段關(guān)于5G的相關(guān)研究所得出的結(jié)論之上研究了5G網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)。筆者認為，在未來的5G網(wǎng)絡(luò)當中會被分為三個不同的模塊：網(wǎng)絡(luò)部署場景、接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)。

（一）網(wǎng)絡(luò)部署場景

在進行網(wǎng)絡(luò)場景的部署過程當中，我們需要將室內(nèi)場景與室外場景區(qū)分開來。在進行室內(nèi)場景的部署過程當中，用戶可以通過室外天線當中所安裝的AP實現(xiàn)通信，通過這種方式就可以充分利用短距離通信的優(yōu)勢實現(xiàn)信息的高速傳輸。在進行十萬網(wǎng)絡(luò)場景的部署當中，可以通過MIMO基站與分布式天線實現(xiàn)，大部分的分布式天線都是通過光釬與基站連接在一起，同時分布式天線在小區(qū)當中也是廣泛分散的。而通過在終端部署Mobile-Femtocell，則可以實現(xiàn)與核心網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)連接。在這個過程當中還需要部署一定數(shù)量的虛擬蜂窩作為補充，從而使得室外的覆蓋率得以有效的提升[4]。

（二）接入網(wǎng)的設(shè)計

在進行接入網(wǎng)的設(shè)計過程當中需要注意以下幾個特點：第一，多種接入技術(shù)的融合：主要包括2G、3G、4G以及wify等多種接入方式，再接入的過程當中可以使用單一的無線控制器進行接入。第二，通過基站實現(xiàn)虛擬資源的分配：在部署集中式基站的基礎(chǔ)之上，SDR會逐漸實現(xiàn)對基帶的處理，并逐漸向?qū)崟r云架構(gòu)的虛擬化基站轉(zhuǎn)變。第三，內(nèi)容邊緣緩存和投遞，傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)當中的內(nèi)容存儲與分發(fā)功能會被轉(zhuǎn)移到接入網(wǎng)當中去，并根據(jù)用戶的實際需求進行信息的推送，從而不斷提高用戶體驗。第四，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)平面的扁平化發(fā)展[5]。

（三）核心網(wǎng)的設(shè)計

在5G移動網(wǎng)絡(luò)當中，核心網(wǎng)的變革主要是由NFV與SDN所驅(qū)動的，主要包含以下幾個不同的特點：第二，控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離發(fā)展，SDN與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系之間存在著較大的差異，在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系當中控制與轉(zhuǎn)發(fā)是一體的，但是在SDN當中，集中式網(wǎng)絡(luò)控制器可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分離之后的數(shù)據(jù)流量的分配，從而實現(xiàn)各種不同的功能。第二，物理硬件與邏輯之間的分離,NFV作為SDN的補充性技術(shù)，是一種新的建立端到端網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的方式。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

三、5G當中的關(guān)鍵技術(shù)

（一）D2D通信技術(shù)

當前階段，隨著我國技術(shù)的不斷發(fā)展，社交媒體等不同形式的媒體在社會當中廣泛的流行起來，并進一步激發(fā)了人們對于近距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H需求。但是當前階段所使用的蜂窩網(wǎng)在覆蓋范圍、數(shù)據(jù)容量以及能耗方面都存在著較大的問題，同時通信過程較為呆板，缺乏足夠的靈活性，實際的業(yè)務(wù)發(fā)展所需要的可靠性與實時性得不到充分的保障，因此，在5G網(wǎng)絡(luò)當中使用D2D通信技術(shù)就顯得尤為必要，這也是5G網(wǎng)絡(luò)當中的核心技術(shù)之一[6]。

D2D通信技術(shù)是一種短距離的通信技術(shù)，通過D2D通信技術(shù)，數(shù)據(jù)之間的實時傳輸?shù)靡杂行У膶崿F(xiàn)，不同終端之間也可以實現(xiàn)直接傳輸。相比于其他的通信技術(shù)，D2D通信技術(shù)的最大優(yōu)點在于資源的節(jié)約性同時還可以在最大程度上降低信息傳輸過程當中所受到的干擾，在降低信息傳輸成本降低傳輸能耗方面具有非常大的優(yōu)勢。當前階段我國已經(jīng)加大了對D2D通信技術(shù)的研究，并取得了一定的進展，D2D通信已經(jīng)在LTE-A的R12版本中獲得正式立項，3GPP計劃在R13版本(2015年結(jié)束)之前完成D2D在一些典型場景下的標準化工作。但是D2D技術(shù)目前還存在一些問題需要研究人員進行進一步的探索。例如D2D網(wǎng)絡(luò)還需要進一步提升信息傳輸?shù)膶崟r性與可靠性，此外，D2D通信技術(shù)對于無線資源的管理問題也存在著較大的問題。

（二）綠色通信技術(shù)

在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)當中，最為鮮明的一個亮點就在于綠色通信技術(shù)。將智能化引入到5G網(wǎng)絡(luò)當中，可以在充分保障用戶體驗的前提之下有效的解決網(wǎng)絡(luò)部署當中的能源節(jié)約問題。根據(jù)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當前階段移動通信產(chǎn)業(yè)所消耗的能源占全球能源消耗總量的10%左右[7]。而在移動通信產(chǎn)業(yè)當中，能耗最大的地方就在于各種基站，基站的能源消耗能夠占到整個網(wǎng)絡(luò)的50%左右，因此，5G網(wǎng)絡(luò)對綠色通信技術(shù)進行了一定的研究。若想實現(xiàn)真正的綠色通信，首先必須要解決的一個問題在于單個基站能耗的降低，基于此種情況，我們首先需要以網(wǎng)絡(luò)調(diào)度為基本出發(fā)點，通過對覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)使用情況動態(tài)的對資源進行調(diào)度并進行功率的控制。當前階段國內(nèi)外關(guān)于綠色通信技術(shù)已經(jīng)有了一定的解決方案，例如MIMO-DFDMA系統(tǒng)中高能效的空時資源配置等。但是這些方案還都處于起步階段，在實際的使用過程當中還無法徹底的實現(xiàn)綠色通信，若想實現(xiàn)真正的綠色通信，必須要建立高能效信息傳輸機制。需要更新各類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及其組成部件、外圍設(shè)備，這是一大應用難點。高能效傳輸機制雖然已經(jīng)得到工業(yè)界和學術(shù)界的廣泛關(guān)注，但尚處于初級研究階段[8]。

（三）大規(guī)模MIMO系統(tǒng)

MIMO系統(tǒng)是指在系統(tǒng)的發(fā)射端與接收端設(shè)置多個天線，從而形成完整的MIMO信息傳輸通道。發(fā)射端與接收端的多個天線可以使得無線信息通道具有高度的自由性，同時也可以有效提高信息數(shù)據(jù)的容量，在寬度與發(fā)送能耗不大幅度增加的前提之下，MIMO可以使得系統(tǒng)的信息傳輸量以及傳輸距離得以有效的增加，因此，MIMO技術(shù)在最近幾年當中受到了人們的廣泛關(guān)注。

當前階段所使用的IMT-Advanced技術(shù)就已經(jīng)采用了MIMO的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過無線信道有效的提升了頻譜效率。但是在4G移動通信網(wǎng)絡(luò)當中的MIMO還不能充分滿足能量效率與頻譜效率的有效提升要求，但是通過部署大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)則可以有效的解決這一問題。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是以傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)為支撐，通過在基站附近配置大量的天線從而使得可以同時服務(wù)于多個不同的用戶。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的一個較為鮮明的特征就在于使用簡單的線性預編碼和檢測方法，噪聲和快速衰落對系統(tǒng)的影響將逐漸消失，因此小區(qū)內(nèi)干擾也得到了降低。通過在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中適當?shù)厥褂枚嘤脩鬗IMO，避免了復雜的調(diào)度算法，也簡化了MAC層設(shè)計[9]。如果適當增加反饋比特，系統(tǒng)容量會

顯著提升。這些優(yōu)勢使得大規(guī)模MIMO系統(tǒng)成為5G的一大潛在關(guān)鍵技術(shù)。

四、結(jié)語

當前階段隨著社會的不斷發(fā)展，人們對于信息的需求量不斷增加，移動通信作為人們獲取信息的一個重要途徑，在信息搜集方面具有非常重要的作用，因此，人們迫切的希望提高移動通信的速度與質(zhì)量，現(xiàn)階段的4G通信技術(shù)已經(jīng)逐漸無法滿足人們的實際需求，在這樣的背景下5G通信技術(shù)即將走向歷史舞臺。本文對5G移動通信平臺進行了研究，并研究了其中的關(guān)鍵技術(shù)，希望可以對我國的5G移動通訊的發(fā)展有所幫助。

[1]尤肖虎,潘志文,高西奇,曹淑敏,鄔賀銓.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學:信息科學,2014,05: 551-563.

[2]王東明,張余,魏浩,尤肖虎,高西奇,王江舟.面向5G的大規(guī)模天線無線傳輸理論與技術(shù)[J].中國科學:信息科學, 2016,01:3-21.

[3]趙國鋒,陳婧,韓遠兵,徐川.5G移動通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].重慶郵電大學學報(自然科學版),2015,04:441-452.

[4]周江.面向5G的分層次分布式云服務(wù)系統(tǒng)資源優(yōu)化調(diào)度與分配[D].電子科技大學,2015.

[5]CHEN Shanzhi,SUN Shaohui,WANG Yingmin,XIAO Guojun,Rakesh Tamrakar.A Comprehensive Survey of TDDBased Mobile Communications Systems from TD-SCDMA 3G to TDLTE-Advanced 4G and 5G directions[J].中國通信, 2015,02:40-60.

[6]Peltier W R.GLOBAL GLACIAL ISOSTASY AND THE SURFACE OF THE ICE-AGE EARTH:The ICE-5G (VM2)Model and GRACE[J].Earth and Planetary Sciences, 2004,32(32):111-49.

[7]Osseiran A,Boccardi F,Braun V,et al.Scenarios for 5G mobile and wireless communications:the vision of the METIS project[J].Communications Magazine IEEE,2014,52(5): 26-35.

[8]Roh W,SeolJ Y,Park J,etal.Millimeter-wavebeamforming as an enabling technology for 5G cellular communications:theoreticalfeasibility andprototype results[J].IEEECommunications Magazine,2014,52(2):106-113.

[9]Ye S,Green F R,Scarabin P Y,et al.The 4G/5G genetic polymorphism in the promoter of the plasminogen activator inhibitor-1(PAI-1)gene is associated with differences in plasma PAI-1 activity but not with risk of myocardial infarction in the ECTIM study.Etude CasTemoins de I'nfarctus du My[J]. Thrombosis&Haemostasis,1995,74(3):837-41.