5G移動(dòng)通信組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述*

王渤茹 ， 范 菁 ， 單 澤 ，朱澤賢

（1.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明 650504；2.云南省高校信息與通信安全災(zāi)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650504；3.云南省高校無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650504）

0 引 言

2008年4G通信系統(tǒng)進(jìn)入我們的生活，LTEAdvanced也進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營。隨著4G的普及，我們的生活越來越便利。與此同時(shí)4G時(shí)代依舊存在諸如無線頻譜資源的嚴(yán)重短缺、用戶數(shù)目的無限制增加、數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長等懸而未決的問題，促使著研究人員不得不思考“5G移動(dòng)通信系統(tǒng)”[1]。如今人們對(duì)于高質(zhì)量的通信系統(tǒng)需求促進(jìn)5G關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和日漸成熟。5G通信系統(tǒng)是為了滿足全球通信現(xiàn)狀的需求，是一個(gè)真正意義上的融合網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)使人與人、人與物、物與物之間連接的更高速，更安全，更自由[2]。

1 國內(nèi)外5G發(fā)展現(xiàn)狀

目前，韓國、美國、日本、歐洲等電信發(fā)達(dá)國家均積極加大在5G領(lǐng)域的戰(zhàn)略投資，并在頻譜規(guī)劃、專項(xiàng)資金扶持等方面實(shí)施重要舉措，并開展5G試驗(yàn)，以推進(jìn)5G產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展和成熟，以期按目標(biāo)時(shí)間實(shí)現(xiàn)5G商用部署[3]。同時(shí)各國都積極的參與5G的研發(fā)工作并積極的向相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)組織提交5G標(biāo)準(zhǔn)方案。各國表示會(huì)遵守統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制定5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在信息化的時(shí)代中，只有始終走在信息技術(shù)發(fā)展的前列，才會(huì)在通信行業(yè)中占領(lǐng)一席之地，從而提高本國的國際影響力。

工信部在2016年2月的國務(wù)院新聞辦舉行的發(fā)布會(huì)上表示，我國已于2016年初正式啟動(dòng)5G研發(fā)試驗(yàn)。2018年，我國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)開始進(jìn)入第三階段。第五代（5G）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將于2020年標(biāo)準(zhǔn)化，其主要目標(biāo)是提高容量、可靠性和能源效率，同時(shí)減少延遲和大幅度增加連接密度[4]。

2 基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)從基礎(chǔ)設(shè)施方面來對(duì)5G的組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。從基礎(chǔ)設(shè)施采用的關(guān)鍵技術(shù)來看，大規(guī)模MIMO（Massive MIMO)技術(shù)可以提高頻譜的利用率。波束賦形技術(shù)使信號(hào)傳輸可靠和穩(wěn)定。在人口密集，高容量的地方使用的超密集組網(wǎng)技術(shù)，使信息傳輸速率高?？梢詮募惺胶头植际絻蓚€(gè)方面對(duì)5G的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

2.1 集中式-波束賦形技術(shù)

當(dāng)今移動(dòng)通信的頻譜資源難以適應(yīng)快速增長的數(shù)據(jù)流量，毫米波的使用讓30 GHz以上的頻譜資源可以得到利用。由于毫米波在空間傳播過程中會(huì)有很大的路徑損耗，就需要采用波束賦形技術(shù)來彌補(bǔ)這一部分損耗[5]。

波束賦形技術(shù)是將能量集中到很小的區(qū)域，并獲得較高的增益，可以解決自由空間傳播損耗較大的問題。系統(tǒng)中波束賦形處理的模型框如圖1所示。

圖1 波束賦形處理模型

波束賦形技術(shù)是發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)天線（大規(guī)模MIMO）發(fā)送之前最后一個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)送端可以把它作是信道影響的一部分。雖然實(shí)際信道人為不可改變，但是波束賦形矩陣可以根據(jù)實(shí)際的信道狀態(tài)人為的進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以通過對(duì)波束賦形加權(quán)矢量的設(shè)計(jì)人為的改變等效信道矩陣，達(dá)到系統(tǒng)要求的性能，從而更有利于通信的實(shí)現(xiàn)。波束賦形將根據(jù)特定場景自適應(yīng)的調(diào)整天線陣列的輻射圖。

2.1.1 波束賦形技術(shù)優(yōu)勢

波束賦形技術(shù)對(duì)于大規(guī)模MIMO技術(shù)至關(guān)重要，它具有如下優(yōu)勢：

（1）波束賦形技術(shù)是使信號(hào)傳輸可靠和穩(wěn)定的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。隨著更多的無線應(yīng)用得到開發(fā)，波束賦形技術(shù)帶來的可靠性變得更為重要。

（2）波束賦形技術(shù)在擴(kuò)大覆蓋范圍、抑制干擾等方面都具有很大的優(yōu)勢。波束賦形技術(shù)通過對(duì)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行必要的處理，使得信噪比顯著增加，以此提升系統(tǒng)容量和抑制干擾。

2.1.2 波束賦形技術(shù)挑戰(zhàn)

波束賦形技術(shù)有效的提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，同時(shí)波束賦形技術(shù)也存在以下的挑戰(zhàn)：

（1）合適的波束賦形器至關(guān)重要。數(shù)字波束賦形器中，每個(gè)天線單元都有其相應(yīng)的基帶端口，這樣提供了最大的靈活性，但是數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是非常耗電的[6]。而模擬波束賦形器只支持簡單的波束形狀，不能支持靈活的波束形狀，如在發(fā)射、接收方向產(chǎn)生特定的零陷波，因此波束之間的干擾可能是巨大的[7]。

混合波束賦形是數(shù)字、模擬波束方案的折中，它可以降低復(fù)雜度，也有很大的靈活性，所以預(yù)期早期的通信系統(tǒng)使用模擬或混合波束賦形架構(gòu)。在5G混合波束形成系統(tǒng)中，采用大量天線陣，可以獲得極窄的波束來聚焦能量，減輕干擾[8]。

（2）發(fā)射器和接收器的發(fā)射和接收波束方向必須對(duì)齊。由于波束窄，若出現(xiàn)輕微的方向不對(duì)齊，信噪比會(huì)急劇下降。針對(duì)發(fā)射器和接收器的發(fā)射和接收波束方向正確對(duì)齊的問題，有效的波束發(fā)現(xiàn)機(jī)制在毫米波通信中很重要，如線性波束掃描，樹掃描，隨機(jī)激勵(lì)等[7]。

2.2 集中式-超密集組網(wǎng)

超密集組網(wǎng)在局部熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級(jí)的系統(tǒng)容量提升，是未來5G通信系統(tǒng)的主要技術(shù)之一。為了承擔(dān)2020年以及以后的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，除了增加頻譜帶寬和提高頻譜利用率外，網(wǎng)絡(luò)密集化是不可避免的過程。因?yàn)楹撩撞úㄩL短，原件可以做得很小，所以部署大量小基站成為可能。

超密集組網(wǎng)是通過減小小區(qū)半徑，增加低功率節(jié)點(diǎn)的數(shù)目的方式來進(jìn)行組網(wǎng)。超密集組網(wǎng)能夠滿足5G的爆炸性數(shù)據(jù)速率要求，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)基站的密集部署[9]。超密集組網(wǎng)中進(jìn)行控制承載分離和簇化集中控制，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求的靈活擴(kuò)展。

2.2.1 超密集組網(wǎng)的優(yōu)勢

超密集組網(wǎng)技術(shù)的使用使人口密集的區(qū)域也能高速上網(wǎng)，如購物中心，密集住宅區(qū)和交通樞紐等地方。超密集技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）與4G網(wǎng)絡(luò)中的大型基站相比，5G采用大量小基站方式部署網(wǎng)絡(luò)，可以縮小發(fā)送端到接收端之間的距離，更加密集的小基站使無線資源得到更有效的利用，系統(tǒng)容量顯著增加。

（2）采用大量的小型基站可以改變過去對(duì)大型基站的高度依賴，使組網(wǎng)更具彈性，從而提高網(wǎng)絡(luò)密度和覆蓋范圍。

（3）超密集組網(wǎng)采用頻譜資源的空間復(fù)用可以使頻譜效率大幅度提高。

2.2.2 超密集組網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)

提高用戶在人口密集區(qū)域的體驗(yàn)感和使萬物更好的上網(wǎng)是超密集組網(wǎng)技術(shù)的目標(biāo)。若用戶體驗(yàn)感不好，使用超密集組網(wǎng)也沒任何意義。目前超密集組網(wǎng)技術(shù)存在以下挑戰(zhàn)：

（1）在超密集組網(wǎng)中，隨著小區(qū)的密集部署，小區(qū)間的干擾問題逐漸突出[10]。只有控制信道的干擾問題，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸才具有可靠性。

對(duì)于干擾問題，可以采用小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)進(jìn)行處理。隨著小區(qū)密度增加，僅靠小區(qū)中的基站解決小區(qū)間的干擾變得越來越難。采用多小區(qū)協(xié)調(diào)技術(shù)來對(duì)多個(gè)小區(qū)的基站進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而有效降低小區(qū)間的干擾。

（2）使用大量的小基站，每個(gè)小基站的覆蓋范圍較小導(dǎo)致用戶移動(dòng)時(shí)切換頻繁，降低網(wǎng)絡(luò)容量和影響小區(qū)用戶體驗(yàn)。

針對(duì)5G用戶移動(dòng)性從而產(chǎn)生的頻繁切換問題，5G網(wǎng)絡(luò)可以采用以用戶為中心的虛擬化技術(shù)，實(shí)質(zhì)是按照用戶的需求分配資源。無論用戶在什么位置，都能根據(jù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量來獲得可靠的通信服務(wù)。同時(shí)無論用戶是否移動(dòng)，都能保證用戶有穩(wěn)定的服務(wù)體驗(yàn)。用戶移動(dòng)性是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題。幸運(yùn)的是，依靠機(jī)器學(xué)習(xí)的大數(shù)據(jù)正趨于成熟，它可以跟蹤用戶的移動(dòng)性，進(jìn)而預(yù)測用戶的未來 位置[11]。

2.3 分布式-集中式大規(guī)模MIMO技術(shù)

毫米波的小波長使得將大量天線放置在非常有限的空間內(nèi)成為可能，大天線陣可以提供足夠的陣列增益來補(bǔ)償由于路徑損耗、穿透損耗、降雨效應(yīng)和大氣吸收造成的嚴(yán)重信號(hào)衰減[12]。因此，大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)是未來毫米波無線通信系統(tǒng)中一種很有前途的技術(shù)。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是指在無線通信鏈路的一側(cè)使用大量可以單獨(dú)控制的天線元件的系統(tǒng)。大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)利用天線提供空間自由度，以相同的時(shí)間——頻率資源上為多個(gè)用戶復(fù)用消息。大規(guī)模MIMO技術(shù)跳出了以前單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的通信模式。將單一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道變成多個(gè)并行的信道來處理。

大規(guī)模MIMO技術(shù)可以分為集中式MIMO技術(shù)和分布式MIMO技術(shù)。集中式MIMO技術(shù)是多個(gè)基站天線集中排列形成天線陣列，分布式MIMO是基站的多個(gè)天線分散放置覆蓋小區(qū)。其中，集中式MIMO技術(shù)的優(yōu)勢在于不需要同分布式MIMO技術(shù)一樣，放置多個(gè)地理位置，并且避免光纖數(shù)據(jù)匯總時(shí)的同步問題。而分布式MIMO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它可以形成多個(gè)獨(dú)立的傳輸信道，避免天線配置過于緊密導(dǎo)致信道相關(guān)性過強(qiáng)。

2.3.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)的優(yōu)勢

大規(guī)模MIMO技術(shù)是MIMO技術(shù)的優(yōu)化和延伸。與傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)相比，大規(guī)模MIMO具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

（1）使用大規(guī)模MIMO技術(shù)可以提高系統(tǒng)容量。相對(duì)于通過減小小區(qū)尺寸的方式來提高系統(tǒng)容量，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以直接通過增加基站天線數(shù)目來提高系統(tǒng)容量，降低了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，較大幅度地提高了系統(tǒng)容量[13]。

（2）降低了發(fā)射功率消耗和產(chǎn)品代價(jià)。大量天線的使用，使得陣列增益大大增加，從而有效降低發(fā)射端的功耗。系統(tǒng)可以采用價(jià)格低廉、輸出功率在毫瓦級(jí)別的放大器元件來搭建，降低了發(fā)射功率消耗和產(chǎn)品代價(jià)[14]。

（3）系統(tǒng)具有很好的魯棒性。大規(guī)模MIMO可以在很窄的范圍內(nèi)集中波形，極大提高了空間分辨率。理論證實(shí)，當(dāng)天線數(shù)量足夠大時(shí)，噪聲和不相關(guān)干擾都可忽略不計(jì)，并且最簡單的線性預(yù)編碼和譯碼算法趨于最優(yōu)。此外，更多天線數(shù)目提供了更多的選擇性和靈活性，系統(tǒng)具有更高處理突發(fā)問題的能力。

（4）使用大規(guī)模MIMO技術(shù)能有效的提高頻譜效率[15]。大規(guī)模MIMO技術(shù)使空間維度深度挖掘，在不增加基站密度，寬帶的條件下，頻譜效率也可以提高。頻譜效率基本取決于并行信道的數(shù)目。

（5）使用大規(guī)模MIMO技術(shù)可以進(jìn)一步改善信號(hào)的覆蓋能力。毫米波作為5G擴(kuò)展頻段技術(shù)，工作區(qū)域在較高的頻段。一般而言，如果采用相同數(shù)量的天線，頻率越高，覆蓋范圍越小。要達(dá)到相同的覆蓋距離，可以增加天線數(shù)量。高頻毫米波技術(shù)與大規(guī)模MIMO天線技術(shù)相結(jié)合能進(jìn)一步改善信號(hào)覆蓋能力。

（6）MIMO系統(tǒng)可以在有限的功率和帶寬范圍內(nèi)增加數(shù)據(jù)速率[16]。

2.3.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)的挑戰(zhàn)

大規(guī)模MIMO極大增加頻譜效率，尤其是容量需求大和覆蓋范圍較廣時(shí)，可以更好的滿足網(wǎng)絡(luò)增長的需求，但是它也存在如下挑戰(zhàn)：

（1）發(fā)射機(jī)側(cè)需要準(zhǔn)確的信道狀態(tài)的信息。頻譜和能量的效率在很大程度上依賴于信道狀態(tài)信息，尤其是在正交頻分復(fù)用和大規(guī)模多天線系統(tǒng)中，信道估計(jì)因此尤為重要，所以在發(fā)射機(jī)側(cè)需要準(zhǔn)確的信道狀態(tài)的信息。

（2）使用導(dǎo)頻復(fù)用技術(shù)估計(jì)信道通常會(huì)造成導(dǎo)頻污染。當(dāng)BS天線的數(shù)目增加到無窮大時(shí)，導(dǎo)頻污染使信號(hào)與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）飽和，若不存在導(dǎo)頻污染，SINR隨著基站（Base Station，BS）天線的數(shù)量線性增加，所以導(dǎo)頻污染問題也是一項(xiàng)重要的技術(shù) 挑戰(zhàn)。

（3）移動(dòng)終端中的耦合。由于移動(dòng)終端設(shè)備體積有限，天線元件之間的強(qiáng)耦合不可避免，這就影響了天線的效率，也影響了天線的相關(guān)性[17]。因此，應(yīng)用解耦是非常重要的。

2.4 基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)間的對(duì)比

基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)都是從基礎(chǔ)設(shè)施方面對(duì)4G的基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)行改進(jìn)，都是以擴(kuò)大移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量、擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍、提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜利用率等為目標(biāo)的，并且這些技術(shù)的使用在一定程度上都與毫米波有一定關(guān)系。

超密集組網(wǎng)技術(shù)和大規(guī)模MIMO技術(shù)這兩種技術(shù)在一定程度上都提高了頻譜利用率且皆通過增大基礎(chǔ)設(shè)施（如基站、收發(fā)天線）的數(shù)量來擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍，其中超密集組網(wǎng)技術(shù)增加基站的數(shù)量，大規(guī)模MIMO技術(shù)是增加大收發(fā)天線的數(shù)量。兩種技術(shù)不同之處在于超密集組網(wǎng)技術(shù)是通過減小小區(qū)半徑提高系統(tǒng)容量，大規(guī)模MIMO技術(shù)是通過增加天線的數(shù)目提高系統(tǒng)容量。

波束賦形技術(shù)和大規(guī)模MIMO技術(shù)的使用在一定程度上都是因?yàn)楹撩撞ㄔ诳臻g使信號(hào)衰減，使用這兩種技術(shù)可以擴(kuò)大信號(hào)的覆蓋范圍并且降低干擾，提高信號(hào)傳輸可靠性和穩(wěn)定性。基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)間的對(duì)比如表1所示。

表1 基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)間的對(duì)比

3 基于功能組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

基于功能組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)虛擬化的角度探討5G采用的關(guān)鍵技術(shù)。日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)使得管理和控制越來越多連接設(shè)備的信息的任務(wù)變得越來越復(fù)雜和專業(yè)化[18]。基于功能組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)更加靈活，使各種不同用戶的需求得以實(shí)現(xiàn)，也使基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建更加標(biāo)準(zhǔn)化。

面對(duì)性能要求不同的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以很好的解決萬物上網(wǎng)所需要的各種硬件資源問題。在該模型中，物理資源能夠集中管理。虛擬化后采用的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)資源的隔離，動(dòng)態(tài)調(diào)配和遷移，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源按照相應(yīng)的資源分配算法向業(yè)務(wù)提供商分配。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以根據(jù)具體的應(yīng)用的場景切出相應(yīng)的虛擬子網(wǎng)絡(luò)，這大大有利于各種應(yīng)用的發(fā)展，接入網(wǎng)、核心網(wǎng)之間的配對(duì)通過基于SDN/NFV的編排器完成。

3.1 絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)高度依賴于物理拓?fù)浜吞囟ǖ墓?yīng)商硬件。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN)和 網(wǎng) 絡(luò) 功 能 虛 擬 化（Network Function Virtualization，NFV）越來越普遍采用設(shè)計(jì)新的平臺(tái)來創(chuàng)建，管理和按需擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并使資源優(yōu)化[19]。

NFV已被業(yè)界普遍認(rèn)定為下一代網(wǎng)絡(luò)的主要方向，也是通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展基礎(chǔ)性的關(guān)鍵技術(shù)，可滿足運(yùn)營商低成本、靈活性和開放性的訴求[20]。NFV的目標(biāo)將專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大量服務(wù)器上，也就是將網(wǎng)絡(luò)功能從專用設(shè)備遷移到通用服務(wù)器運(yùn)行的虛擬機(jī)或容器中。NFV的核心是虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，NFV利用虛擬化技術(shù)為未來網(wǎng)絡(luò)提供了一種新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化體系結(jié)構(gòu)如 圖2所示。NFV把邏輯上的網(wǎng)絡(luò)從實(shí)體硬件設(shè)備之中解耦出去，以期獲得較低的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本與運(yùn)營成本。NFV依賴于傳統(tǒng)的服務(wù)器虛擬化，但又不同于傳統(tǒng)的服務(wù)器虛擬化，不同之處在于虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Virtual network function，VNF）可能由一個(gè)或多個(gè)虛擬機(jī)構(gòu)成。通常情況下需要多個(gè)VNF依次使用，才能夠?yàn)橛脩籼峁┯杏玫姆?wù)。為取代專用的硬件設(shè)備，虛擬機(jī)需要運(yùn)行不同的軟件和進(jìn)程。

圖2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化體系結(jié)構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)是另一項(xiàng)解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)僵化問題的關(guān)鍵技術(shù)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)通過集中式的控制器提高了網(wǎng)絡(luò)的可編程性，成為近年來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域非常熱門的話題。軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。SDN本質(zhì)上是一種集中式網(wǎng)絡(luò)模式，其中控制平面集中在一個(gè)或一組控制實(shí)體上，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面被簡化并抽象為通過SDN控制器請求的應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[21]。SDN的主要目的是分離控制平面和數(shù)據(jù)中心。SDN分為三個(gè)部分，其中應(yīng)用層主要是業(yè)務(wù)和應(yīng)用的集合，控制層主要由具有邏輯中心化和可編程的控制器組成，可掌握全局網(wǎng)絡(luò)信息，方便配置網(wǎng)絡(luò)和部署新協(xié)議。SDN的基礎(chǔ)設(shè)施層主要由交換機(jī)組成，其僅提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可快速處理和匹配數(shù)據(jù)包。

圖3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

SDN/NFV具有相同的目標(biāo)，都致力于網(wǎng)絡(luò)更加靈活，SDN和NFV不相互依賴，但能實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)。兩者的互補(bǔ)性體現(xiàn)在SDN能增強(qiáng)NFV的兼容、易操作等性能，而NFV通過虛擬化及編排等技術(shù)能提高SDN的靈活性。SDN/NFV成為網(wǎng)絡(luò)虛擬化，云化的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1.1 SDN/NFV技術(shù)優(yōu)勢

SDN/NFV是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演進(jìn)的新方向，是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界值得不斷探索的新技術(shù)。SDN/NFV技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：

（1）將有效促進(jìn)未來網(wǎng)絡(luò)部署能力的提升、網(wǎng)絡(luò)部署成本的降低和運(yùn)營能力的增強(qiáng)。

（2）在網(wǎng)絡(luò)硬件方面，對(duì)硬件進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，把邏輯上的網(wǎng)絡(luò)從實(shí)體硬件設(shè)備之中解耦出去，從而降低了引入專用的硬件設(shè)施的費(fèi)用。

（3）網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)方面，利用可編程軟件平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能。對(duì)控制面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面進(jìn)行分離，可以實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)的靈活管理。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，也可以通過控制器快速的定位和修復(fù)節(jié)點(diǎn)。

3.1.2 SDN/NFV技術(shù)挑戰(zhàn)

雖然SDN/NFV技術(shù)提高了5G網(wǎng)絡(luò)的靈活性，但它依舊存在下列挑戰(zhàn)：

（1）雖然SDN/NFV技術(shù)可能性眾所周知，但是具體的控制和編排仍在設(shè)計(jì)之中，很少有原型驗(yàn)證可用。

（2）實(shí)現(xiàn)高效，快速，可擴(kuò)展的資源配置滿足網(wǎng)絡(luò)的要求，這個(gè)問題是NFV部署的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。NFV架構(gòu)中編排器進(jìn)行資源配置包括三個(gè)階段，即虛擬網(wǎng)絡(luò)功能鏈的構(gòu)建、虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)圖的映射和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的調(diào)度資源配置[22]。三個(gè)階段之間的協(xié)調(diào)，動(dòng)態(tài)資源之間的配置，虛擬網(wǎng)絡(luò)安全性，強(qiáng)容錯(cuò)能力，負(fù)載均衡等問題都應(yīng)該考慮相關(guān)的策略來實(shí)現(xiàn)。5G技術(shù)涉及的一系列的資源分配問題，包括：時(shí)頻資源分配，正交導(dǎo)頻資源分配，波束分配，大規(guī)模MIMO多用戶聚類，及無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化資源池調(diào)配等，AI（人工智能）技術(shù)為5G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了一個(gè)超越傳統(tǒng)性能的可能性[23]。以網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化為例，必須使其核心決策算法能夠自動(dòng)匹配當(dāng)前的無線、用戶以及流量條件，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的動(dòng)態(tài)分配。而在這方面，人工智能是最佳候選技術(shù)，可以為當(dāng)前的系統(tǒng)提供更敏捷和健壯的復(fù)雜決策能力。

（3）SDN網(wǎng)絡(luò)核心控制器作為網(wǎng)絡(luò)集中化控制的實(shí)現(xiàn)部分，存在網(wǎng)絡(luò)易受攻擊的安全性問題[24]。面對(duì)網(wǎng)絡(luò)集中化控制易受攻擊的問題，需要建立防護(hù)，備份，隔離等措施使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全的運(yùn)行。AI技術(shù)也為故障的自動(dòng)檢測與定位的問題提供可能。

（4）SDN/NFV中有關(guān)軟件，接口，控制架構(gòu)體系等方面沒有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，并且難以進(jìn)行相關(guān)部署。在現(xiàn)實(shí)中，從遺留網(wǎng)絡(luò)過渡到SDN網(wǎng)絡(luò)并不是一蹴而就的。過渡需要大量部署費(fèi)用且SDN有其自身的局限性，OpenFlow協(xié)議也不夠成熟，商用SDN交換機(jī)和控制器不完全可靠等這些因素減緩了SDN部署步驟[25]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

另一個(gè)與SDN/NFV并行而來的是網(wǎng)絡(luò)切片。面對(duì)復(fù)雜的5G應(yīng)用場景，網(wǎng)絡(luò)切片已經(jīng)成為5G的核心。網(wǎng)絡(luò)切片把網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)端到端的平行的虛擬子網(wǎng)絡(luò)來應(yīng)對(duì)各種不同的應(yīng)用場景，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片在設(shè)備、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及核心網(wǎng)方面實(shí)現(xiàn)邏輯隔離，適配各種類型服務(wù)并滿足用戶的不同需求。這意味著一個(gè)多用途、靈活和可編程的傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠以端到端的方式動(dòng)態(tài)地編排資源[26]。

SDN/NFV技術(shù)是切片技術(shù)的前提，可以使用SDN和NFV等技術(shù)靈活地構(gòu)造切片。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)要容納在虛擬化的管理體系中。與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)相比，使用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以為不同的場景切出相應(yīng)的虛擬子網(wǎng)絡(luò)[27]。4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)切片如 圖4所示。

圖4 4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)切片

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)勢

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)用于滿足5G中各種不同的應(yīng)用場景。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

（1）通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在一個(gè)獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)上切出多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，減少許多基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建。

（2）基于NFV/SDN的網(wǎng)絡(luò)切片的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片在控制面，轉(zhuǎn)發(fā)面，管理面實(shí)現(xiàn)了邏輯隔離。切片之間相互隔離，若其中一個(gè)切片網(wǎng)絡(luò)發(fā)生錯(cuò)誤，不會(huì)影響其他切片網(wǎng)絡(luò)[28]。

（3）對(duì)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片而言，網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)質(zhì)量、安全性等專屬資源都可以得到充分保證。

（4）針對(duì)不同的應(yīng)用場景提供專屬的網(wǎng)絡(luò)控制功能和性能保證，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行 重構(gòu)[29]。

（5）切片網(wǎng)具有與虛擬網(wǎng)絡(luò)相同的性質(zhì)，都是向上層業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)物理網(wǎng)進(jìn)行虛擬化，并屏蔽了切片與物理網(wǎng)絡(luò)的差異。同時(shí)使用的SDN技術(shù)可以簡化業(yè)務(wù)的部署，有利于網(wǎng)絡(luò)的管理。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)切片的挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)雖然使各種不同的應(yīng)用更好的連接在網(wǎng)絡(luò)上。但它的技術(shù)目前還沒成熟，具有如下挑戰(zhàn)：

（1）制定標(biāo)準(zhǔn)化的5G切片方案。目前網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)還在制定和完善，網(wǎng)絡(luò)切片的研究也處于測試階段，網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)準(zhǔn)要考慮網(wǎng)絡(luò)切片的劃分粒度合適，切片粒度過大和過小對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說都不適合。

（2）切片的后向兼容性問題，從4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代過渡到5G時(shí)代需要一個(gè)過程，4G網(wǎng)絡(luò)是否作為5G網(wǎng)絡(luò)一個(gè)的切面來管理。

（3）端到端切片的實(shí)現(xiàn)問題。目前的切片技術(shù)針對(duì)核心網(wǎng)的用戶面和控制面的切片，而無線側(cè)的切片并沒有很好的實(shí)現(xiàn)，只有對(duì)核心網(wǎng)的切片而沒有實(shí)現(xiàn)端到端的切片并不能滿足應(yīng)用場景差異化的需求，不能很好的體現(xiàn)切片的價(jià)值和優(yōu)勢。

（4）每個(gè)切片的資源配置問題。其中最大的挑戰(zhàn)是獲得一種切片隔離的機(jī)制[30]。

3.3 基于功能組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比

NFV/SDN和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)都解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的僵化問題，都是從邏輯方面來對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行提高和改善，使5G中萬物互聯(lián)成為可能。

SDN和NFV的設(shè)計(jì)思想其實(shí)都是通過解耦來提高系統(tǒng)的靈活性，讓系統(tǒng)變得更加智能，從設(shè)計(jì)思想上來說是非常接近的。SDN跟NFV最明顯的區(qū)別是，SDN解耦的是控制平面與數(shù)據(jù)平面;NFV主要是軟硬件解耦。在數(shù)據(jù)中心的實(shí)施中，SDN和NFV 技術(shù)可以共存，各自發(fā)揮作用。

NFV/SDN和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)都減少了資源。NFV/SDN減少網(wǎng)絡(luò)層數(shù)和池化資源數(shù)，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)把一個(gè)獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)切出多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，也減少許多基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建。若NFV/SDN從縱向出發(fā)減少網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)的，那么網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)就是從橫向出發(fā)來對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)進(jìn)行較少。

NFV/SDN是網(wǎng)絡(luò)切片的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)虛擬化后對(duì)5G復(fù)雜的應(yīng)用場景進(jìn)行的思考和研究?；诠δ芙M網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)間的對(duì)比如表2所示。5G組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的總框架如圖5所示。

表2 基于功能組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)間的對(duì)比

圖5 5G組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的總框架

4 結(jié) 語

本文從基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)和基于功能組網(wǎng)兩個(gè)方面對(duì)5G組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。本文中大規(guī)模MIMO技術(shù)，波束賦形技術(shù)，超密集組網(wǎng)技術(shù)，SDN/NFV，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等技術(shù)共同促進(jìn)5G移動(dòng)通信的發(fā)展。

在基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)中，大規(guī)模MIMO技術(shù)是近十幾年來無線通信領(lǐng)域重大的技術(shù)突破，準(zhǔn)確的信道狀態(tài)的信息和導(dǎo)頻污染的是大規(guī)模MIMO技術(shù)目前重點(diǎn)解決的問題。大規(guī)模MIMO技術(shù)的使用一定程度上需要波束賦形技術(shù)支撐，波束賦形技術(shù)中波束賦形器和有效的波束發(fā)現(xiàn)機(jī)制在毫米波通信中很重要。超密集組網(wǎng)技術(shù)使容量受限問題得到解決，讓人們在各種應(yīng)用場合的通信體驗(yàn)越來越好。超密集組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)中控制小區(qū)間的信道干擾問題和使用大量的小基站導(dǎo)致用戶切換頻繁問題等成為目前重點(diǎn)解決的問題。

在基于功能組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)中，NFV技術(shù)使通用性硬件虛擬化，降低了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)昂貴的設(shè)備成本，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能不再依賴于專用硬件，資源配置問題是NFV技術(shù)目前亟待解決的問題。SDN技術(shù)將控制層與數(shù)據(jù)層的分離，使網(wǎng)絡(luò)更加靈活，網(wǎng)絡(luò)核心控制器中網(wǎng)絡(luò)安全問題和SDN的部署問題是目前需要解決的關(guān)鍵性問題。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)為了滿足各種不同應(yīng)用場景而提出的，切片的標(biāo)準(zhǔn)化和相關(guān)的部署及技術(shù)后向兼容性問題是目前需要解決 的問題。