B5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)淺析

韓 瀟，李 培（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

0 前言

2019年是5G網(wǎng)絡(luò)的元年，全球各國視5G為帶動社會發(fā)展的新動能之一，競相開展5G網(wǎng)絡(luò)部署，大力發(fā)展5G創(chuàng)新業(yè)務(wù)，我國三大運(yùn)營商也宣布了2019年5G試商用的計劃。以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，向下一代通信系統(tǒng)的演進(jìn)稱為B5G（Beyond 5 Generation），近2年，業(yè)界開始關(guān)注B5G技術(shù)，思考通信技術(shù)變革的需求、5G網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)演進(jìn)和未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

目前業(yè)界對B5G發(fā)展并沒有一個明確的方向，然而目前的技術(shù)研究方向表明，B5G對高數(shù)據(jù)速率、高容量、無縫覆蓋、低時延高可靠、低功耗低成本以及萬物互聯(lián)的要求越來越高。在未來，超高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠膊粌H限于在陸地，隨著技術(shù)發(fā)展，人類的生存和活動空間越來越廣，海域和空域也有通信需求。此外，伴隨著計算機(jī)技術(shù)、ICT融合的發(fā)展，智能化、云化、虛擬化也成為B5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢之一。

圖1示出的是B5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢。

1 B5G新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 無邊界網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

B5G可能打破傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)邊界，把網(wǎng)絡(luò)視作一個整體和終端連接，而不是單個小區(qū)和終端連接。無邊界網(wǎng)絡(luò)將保證無縫的移動支持，在未來高頻網(wǎng)絡(luò)下，覆蓋半徑變小，切換會變得更加頻繁，無邊界網(wǎng)絡(luò)不會因切換而產(chǎn)生中斷，即使在具有挑戰(zhàn)性的高速移動場景中，也可為用戶提供高質(zhì)量服務(wù)的保證。無邊界的小區(qū)概念也將使不同的B5G通信技術(shù)緊密結(jié)合成為可能。用戶能夠在不同的異構(gòu)網(wǎng)鏈路（如Sub-6 GHz、毫米波、太赫茲及可見光）之間無縫過渡，基站自動選擇最佳的可用通信技術(shù)。

圖1 B5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢示意圖

1.2 3D網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在目前的通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為二維空間架構(gòu)，即部署網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)以提供網(wǎng)絡(luò)與地面上的設(shè)備間的連接。未來的B5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步擴(kuò)展到空域，可以提供三維（3D）覆蓋，以實(shí)現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡(luò)，可以用非地面平臺，如無人機(jī)、熱氣球及衛(wèi)星設(shè)備來補(bǔ)充地面基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋。另外，可以利用非地面平臺部署的靈活性進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋的快速部署，以確保服務(wù)連續(xù)性和可靠性。例如在農(nóng)村地區(qū)或某些突發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)域，可以利用非地面平臺設(shè)備的快速部署，節(jié)約固定基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營和管理成本。

1.3 分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在5G時代，移動邊緣計算使得傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)具備了業(yè)務(wù)本地化和靠近用戶部署的能力，進(jìn)一步降低業(yè)務(wù)時延，同時，業(yè)務(wù)面下沉形成本地化部署，可以有效降低對網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬的要求和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。按照這一趨勢，B5G網(wǎng)絡(luò)可采用更具創(chuàng)新性的架構(gòu)，基站設(shè)備將僅包含物理天線和盡可能少的處理單元，例如可以根據(jù)業(yè)務(wù)的不同特征判定需要在本地處理或在云端處理的協(xié)議棧，從而降低對終端設(shè)備的要求。此外，由于通用處理器功能的進(jìn)步，虛擬化技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展，B5G將虛擬化其他組件，例如與MAC和PHY層相關(guān)的組件，這些組件目前需要用專用硬件實(shí)現(xiàn)。虛擬化技術(shù)將降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本，使得大規(guī)模密集部署變得更加可行。

1.4 接入和回傳一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

新的B5G接入技術(shù)提供的海量數(shù)據(jù)速率將意味著回傳容量的大幅增長。此外，太赫茲和可見光技術(shù)由于覆蓋距離受限，接入點(diǎn)密度將大幅增加，這將對回傳網(wǎng)絡(luò)提出更高的要求。然而，B5G技術(shù)的高速率大容量也可用于回傳鏈路的解決方案，基站的無線傳輸可以為用戶提供接入服務(wù)并回傳用戶數(shù)據(jù)。雖然5G已經(jīng)考慮了類似的方案，但B5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模將會給回傳網(wǎng)絡(luò)的容量帶來新的挑戰(zhàn)，B5G網(wǎng)絡(luò)將需要更高的自主配置能力來優(yōu)化無線接入和回傳一體化方案的性能，以實(shí)現(xiàn)接入容量增加而不需要相應(yīng)增加光纖數(shù)量的目標(biāo)。

2 網(wǎng)絡(luò)智能化

B5G通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)部署的復(fù)雜性可能會使得手動優(yōu)化變得更加復(fù)雜，甚至不可行。雖然智能技術(shù)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用已經(jīng)在5G領(lǐng)域進(jìn)行了討論，但由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶來的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性對網(wǎng)絡(luò)智能化帶來了新的挑戰(zhàn)，在B5G網(wǎng)絡(luò)中智能化技術(shù)的應(yīng)用將更為普遍。相對于5G來說，B5G對網(wǎng)絡(luò)性能的要求更高，網(wǎng)絡(luò)智能化將在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中發(fā)揮更突出的作用。

2.1 人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用

傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)主要體現(xiàn)在對系統(tǒng)傳輸速率和移動性能力的支持方面。而在5G網(wǎng)絡(luò)中對于關(guān)鍵性能的支持進(jìn)一步擴(kuò)展至?xí)r延、網(wǎng)絡(luò)可靠性、連接密度以及用戶體驗速率等多個關(guān)鍵性能指標(biāo)。為了達(dá)到這些關(guān)鍵性能指標(biāo)，需要引入諸如大規(guī)模天線陣列、網(wǎng)絡(luò)切片等新的技術(shù)，這極大地增加了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，并為未來無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維和優(yōu)化帶來了巨大挑戰(zhàn)。例如有相當(dāng)多類型的應(yīng)用會影響用戶流量的特征和交互關(guān)系，而為了實(shí)現(xiàn)對特定應(yīng)用的特殊處理，需要對策略控制系統(tǒng)進(jìn)行異常復(fù)雜的處理，以網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）為例，必須對計算資源進(jìn)行動態(tài)分配，從而使核心決策算法能夠自動適配當(dāng)前的無線、用戶以及流量條件。而人工智能技術(shù)近年來借助于現(xiàn)代計算和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的迅猛發(fā)展而再次復(fù)興，其本身是一種普適性的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。凡是給定場景涉及到了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、推斷、擬合、優(yōu)化及聚類相關(guān)問題，人工智能均能找到其典型應(yīng)用。

在B5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，由于萬物互聯(lián)，各種制式的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并存，大數(shù)據(jù)和人工智能將會在新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下發(fā)揮重大的作用。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)可以用于頻譜資源的管理與控制，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面，以滿足B5G多應(yīng)用場景和性能需求。

2.2 基于信息共享和協(xié)作的萬物互聯(lián)

在B5G網(wǎng)絡(luò)中，頻譜和基礎(chǔ)設(shè)施共享將發(fā)揮更大的作用，由于萬物互聯(lián)的需求，網(wǎng)絡(luò)協(xié)同合作成為非常重要的方面，如何實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)元間的信息共享，從而實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)作將成為提高網(wǎng)絡(luò)復(fù)用能力的關(guān)鍵之一，也成為萬物互聯(lián)的重要基礎(chǔ)。特別是結(jié)合自主學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，信息共享和網(wǎng)元間的協(xié)作將會發(fā)揮更大的作用。

3 B5G潛在關(guān)鍵技術(shù)

3.1 可見光通信

經(jīng)過多年對可見光通信技術(shù)的深入研究，全球發(fā)達(dá)國家和地區(qū)紛紛開展可見光通信技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。目前，可見光通信產(chǎn)業(yè)化正處于研究向商業(yè)化試點(diǎn)和推廣的關(guān)鍵時期。國外已有多家公司推出可見光通信應(yīng)用系統(tǒng)，并且在不同的應(yīng)用場合開展了可見光通信的商業(yè)應(yīng)用試點(diǎn)。

英國的PureLiFi是世界可見光通信領(lǐng)域最具影響力的公司。該公司的LiFi-X設(shè)備只有信用卡大小，其上包含著用于接收Li-Fi燈信號的感光器和用于發(fā)回數(shù)據(jù)的紅外發(fā)射器。法國的Oledcomm公司主要生產(chǎn)Li-Fi套件，包括Li-Fi臺燈、Li-Fi燈泡、支持Li-Fi的Android平板電腦以及針對智能手機(jī)的Li-Fi適配器；其可見光通信系統(tǒng)已投入商業(yè)運(yùn)行階段，能夠為家庭、商業(yè)場所提供可見光通信技術(shù)。德國的海因里希.赫茲研究所（HHI）在光通信領(lǐng)域有著雄厚的研發(fā)實(shí)力。該研究所研發(fā)的LED回傳系統(tǒng)使用紅外LED對準(zhǔn)，可以在100 m距離下實(shí)現(xiàn)500 Mbit/s、200 m距離下實(shí)現(xiàn)250 Mbit/s的雙向傳輸。其典型應(yīng)用為工業(yè)環(huán)境下點(diǎn)對點(diǎn)無線光通信、Wi-Fi和LTE回傳等。美國Bytelight公司研發(fā)的基于LED燈光的室內(nèi)定位服務(wù)，使得程序能在1 s時間內(nèi)計算出當(dāng)前位置，精確度可以達(dá)到1 m之內(nèi)。

近年來，國家有關(guān)部門和各地政府都已經(jīng)對可見光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展加大投入力度。在國家有關(guān)部門和各地政府的大力扶持下，國內(nèi)多家企業(yè)在可見光通信技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化方面也取得了較多成果。目前研究可見光的多是光通信的廠家，無線通信界研究相對較少，但隨著業(yè)界開始討論B5G網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)，可見光通信也得到通信領(lǐng)域的較多關(guān)注，具體的潛在應(yīng)用領(lǐng)域和場景還需可見光和通信領(lǐng)域的深入討論和跨界交流。

3.2 太赫茲通信

從2G、3G到5G網(wǎng)絡(luò)，無線通信的頻段已經(jīng)從1 GHz以下擴(kuò)展至52.6 GHz，高頻段的可用頻率多、可支持帶寬大的特性，使業(yè)界對于B5G的潛在技術(shù)展望繼續(xù)關(guān)注更高頻段。太赫茲波段的通信技術(shù)被認(rèn)為是有望解決頻譜稀缺問題的有效手段，引起世界各國的高度關(guān)注。

太赫茲波段（簡稱THz）是指頻率在0.1~10 THz范圍內(nèi)的電磁波，頻率介于技術(shù)相對成熟的微波頻段和紅外頻段2個區(qū)域之間。太赫茲科學(xué)技術(shù)作為非常重要的交叉前沿技術(shù)領(lǐng)域，是當(dāng)今國際學(xué)術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。美國認(rèn)為太赫茲科學(xué)是改變未來世界的十大科學(xué)技術(shù)之一，歐盟第5-7框架計劃中啟動了一系列跨國太赫茲研究項目，日本政府將太赫茲技術(shù)列為未來10年科技戰(zhàn)略規(guī)劃10項重大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)之首。

由于太赫茲波具有高寬帶、高穿透性等特性，太赫茲通信技術(shù)為需要超高數(shù)據(jù)速率的各種應(yīng)用打開了大門，并在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)場景以及新的納米通信范例中開發(fā)大量新穎應(yīng)用。太赫茲可用于和地面高速通信與組網(wǎng)、空間通信、軍事保密通信、無線納米網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域。

3.3 大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和人工智能

大數(shù)據(jù)技術(shù)最大優(yōu)勢在于可以從海量數(shù)據(jù)中挖掘人們難以發(fā)現(xiàn)的一些價值。對于運(yùn)營商而言，大數(shù)據(jù)技術(shù)在節(jié)省成本、提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維效率方面具有突出優(yōu)勢，還可以通過用戶每天的行為和數(shù)據(jù)分析為用戶提供更加個性化的服務(wù)，提高運(yùn)營商對用戶的服務(wù)水平，增加用戶黏性。而無線通信網(wǎng)絡(luò)每天都在不斷產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，因此為了提升無線網(wǎng)絡(luò)的感知能力和自適應(yīng)柔性調(diào)整能力，需要充分利用無線網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸以及無線應(yīng)用的大數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。大數(shù)據(jù)技術(shù)是對大型的數(shù)據(jù)集進(jìn)行收集、組織以及分析，從而識別出模式并得出結(jié)論的一門科學(xué)。大數(shù)據(jù)分析結(jié)合人工智能算法可以在B5G多個領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，不僅可以用在資源管理和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面，還可以用在無線信道建模、無線信號檢測、無線信道估計等物理層通信技術(shù)的優(yōu)化方面。

3.4 智能交互

隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)的快速發(fā)展，預(yù)計具有機(jī)器學(xué)習(xí)能力的智能體（Intelligent Agent）的數(shù)量將出現(xiàn)快速增長，智能體之間的智能交互需求也將成為下一代寬帶移動通信系統(tǒng)的重要設(shè)計目標(biāo)之一。

為了實(shí)現(xiàn)智能體之間的協(xié)同操作和合作學(xué)習(xí)，需要在智能體之間交互機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的智能數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的智能交互場景，所需交互的智能數(shù)據(jù)可能包括機(jī)器學(xué)習(xí)的模型、機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練集、機(jī)器感知的數(shù)據(jù)等。將交互數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器進(jìn)行處理，不同的智能體之間可以通過感知信息交互進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)從而達(dá)到智能體的智能化，更好地為人類服務(wù)。

3.5 動態(tài)頻譜共享

無線頻譜是信息經(jīng)濟(jì)時代的重要戰(zhàn)略性資源，是信息化和工業(yè)化深度融合的重要載體，目前主要由國家統(tǒng)一管理和授權(quán)使用。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，這給原本就稀缺的無線頻譜資源帶來了更大的壓力。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存、密集覆蓋的場景下，如何管理傳統(tǒng)的IMS系統(tǒng)頻譜，未來用于B5G網(wǎng)絡(luò)的無線頻譜以及新開放的重耕頻譜，達(dá)到提高頻譜資源利用率、降低干擾、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的目的，是未來B5G無線網(wǎng)絡(luò)中需要重點(diǎn)考慮的問題。

在現(xiàn)有靜態(tài)的頻譜管理方式下，頻譜資源的使用主要存在2個矛盾：一是可用頻譜資源稀缺，而已用頻譜資源利用率低；二是頻譜劃分固定，而頻譜需求動態(tài)變化。這種問題的根源在于頻譜管理方式確定的頻譜劃分無法及時地根據(jù)需求做出調(diào)整。采用動態(tài)的頻譜管理方式進(jìn)行動態(tài)頻譜共享，是解決上述矛盾的方法之一。

4 結(jié)束語

展望B5G時代，隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革，網(wǎng)絡(luò)智能化的發(fā)展，各種新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，整個無線通信網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生巨大變化，B5G的發(fā)展將會在人類生活、工業(yè)化發(fā)展、各行各業(yè)的發(fā)展中起到重要的作用。隨著業(yè)界研究和探討的進(jìn)一步深入，相信在未來一到兩年，B5G網(wǎng)絡(luò)的愿景和技術(shù)方向?qū)还蠢盏酶忧逦?/p>