5G移動通信的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與關(guān)鍵技術(shù)探思

段鵬飛

（江西省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江西 南昌 330002）

0 引 言

隨著我國進入高質(zhì)量發(fā)展階段，我國開始部署5G技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。2019年6月，工信部向中國移動、中國聯(lián)通、中國電信和中國廣電發(fā)放5G商用牌照，標志著中國5G商用時代正式來臨。分析5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架及輔助支持技術(shù)，探討5G技術(shù)與各高新技術(shù)有機融合的可能性，有助于搭建真正萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而為人們提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[1-2]。

1 5G概述

5G是未來移動通信的發(fā)展方向，具有低消耗、低成本、高安全性以及高傳輸速率等優(yōu)良特質(zhì)。因此，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用可有效打破時間和空間限制，實現(xiàn)真正意義上的萬物互聯(lián)。5G移動通信技術(shù)的發(fā)展，進一步拓寬了其應(yīng)用場景，可支持遠程超高清視頻與虛擬AI技術(shù)的完美融合。此外，5G通信技術(shù)將進一步提升用戶體驗，智能家居和無人駕駛等將成為可能。未來，人們的衣食住行、娛樂休閑以及醫(yī)療服務(wù)等都離不開5G移動通信技術(shù)的支持。因此，深入挖掘5G移動通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架及其關(guān)鍵技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

2 5G移動通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的相關(guān)概述

5G網(wǎng)絡(luò)是在4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，經(jīng)優(yōu)化改良后形成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的研究上，學者對5G網(wǎng)絡(luò)進一步發(fā)展將有助于互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的有機融合的觀點初步達成共識。5G移動通信技術(shù)不僅能在移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域掀起一場變革，也將為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持，使其獲得更大的流量密度。當下，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)框架初步形成，未來將主要圍繞網(wǎng)絡(luò)部署場景、核心網(wǎng)和接入網(wǎng)3大模塊尋求發(fā)展方向[3]。

2.1 網(wǎng)絡(luò)部署場景

5G網(wǎng)絡(luò)在部署場景方面與4G網(wǎng)絡(luò)差別不大。在進行場景部署時，它可分為室內(nèi)和室外兩個部分。室外場景區(qū)域多集中在人口密度大的場所，如住宅區(qū)、商務(wù)樓宇、百貨商場等。這些地方相對人口密度小的區(qū)域，更容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)覆蓋面不全、數(shù)據(jù)傳輸中斷等情況，而5G技術(shù)的高傳播速率特點可以有效解決這些問題。因此，針對室外的5G網(wǎng)絡(luò)場景部署，主要通過分布式天線和大規(guī)模MIMO來配備5G基站和微基站，并在這些室外場景區(qū)域分散放置天線元件。元件通過光纖與基站連接，從而實現(xiàn)室外場景的5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。位于室內(nèi)的用戶，只需要與安裝在室外建筑的大型天線陣列的室內(nèi)AP進行通信，便可以通過適用于短距離通信的5G技術(shù)實現(xiàn)高速率傳輸。此外，蜂窩系統(tǒng)作為輔助技術(shù)，可提升5G網(wǎng)絡(luò)的室外覆蓋率，使得更多應(yīng)用場景能夠接收到5G網(wǎng)絡(luò)信號。

2.2 核心網(wǎng)

核心網(wǎng)的設(shè)計和應(yīng)用是整個5G移動通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。成熟的核心網(wǎng)設(shè)計將使5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)傳輸速度得到明顯提升。核心網(wǎng)由SDN和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)驅(qū)動，具有控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離、物理硬件與邏輯分離、支持動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)平面扁平化4大特點。以物理硬件與邏輯分離為例，利用IT虛擬化技術(shù)將核心網(wǎng)設(shè)備遷移到高性能服務(wù)器，同時將核心網(wǎng)的網(wǎng)元功能從專用硬件移植到通用虛擬機平臺，從而實現(xiàn)物理硬件與邏輯分離。不僅簡化了硬件平臺設(shè)計，更是通過組網(wǎng)的靈活性降低了組網(wǎng)成本[4-5]。

2.3 接入網(wǎng)

現(xiàn)階段，5G移動通信的接入網(wǎng)大致分為3大類：一是以現(xiàn)有的接入技術(shù)為基礎(chǔ)，做多網(wǎng)多制式融合；二是設(shè)置網(wǎng)絡(luò)基站，合理分配虛擬資源；三是對信息邊緣的緩存與傳遞。接入網(wǎng)技術(shù)有機融合時，可將單一的無線控制器接入5G網(wǎng)絡(luò)，在一定程度上拓寬邊緣信息緩存與傳遞的操作空間。5G移動通信的無線接入方式可應(yīng)用到第三方業(yè)務(wù)活動中，服務(wù)商根據(jù)用戶的需求為其配備最合適的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)項目，保障用戶得到最優(yōu)的服務(wù)體驗。通過接入網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸途徑，大幅度提升5G移動通信數(shù)據(jù)的傳輸速度。

3 5G移動的關(guān)鍵性技術(shù)

3.1 大規(guī)模MIMO

MIMO（Multiple Input Multiple Output）系統(tǒng)通過將多個天線同時置于接收端和發(fā)送端形成MIMO通信鏈，可容納更多信息數(shù)據(jù)，從而在不增加帶寬或不增加額外損耗的前提下，大幅提升系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸距離。與4G技術(shù)相比，大規(guī)模MIMO技術(shù)的優(yōu)勢在于基站的天線數(shù)量沒有限制，是一項可擴展技術(shù)。4G的定向天線空間有限，天線和設(shè)備數(shù)量必須匹配，一定程度上限制了網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，信號傳輸也容易發(fā)生不穩(wěn)定的情況。從這個角度看，5G技術(shù)必將大幅度提升信息傳輸效率，有效擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面。

3.2 超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

超密集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是應(yīng)對移動通信領(lǐng)域不斷發(fā)展而帶來的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求提升的有效解決方案。隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的進一步融合，未來5G的應(yīng)用場景必然朝著智能化和多元化方向發(fā)展。在各種各樣的場景中，移動終端和各類電子設(shè)備逐漸普及，數(shù)據(jù)流量的使用會呈現(xiàn)百倍、千倍級別的遞增。這種技術(shù)可以通過協(xié)調(diào)統(tǒng)一不同的網(wǎng)絡(luò)部署方式減少外部環(huán)境因素的干擾，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋的信號區(qū)域，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[6-7]。

3.3 D2D通信技術(shù)

D2D通信是一種短距離通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在終端間的直接傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。由于蜂窩系統(tǒng)在近距離本地通信業(yè)務(wù)中存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋面有限、信息數(shù)據(jù)容量小、功耗較大等問題，D2D通信技術(shù)可以對蜂窩系統(tǒng)通信起到較好的補充支持作用。從用戶角度來考慮，D2D通信技術(shù)的特性也有助于提升用戶使用的滿意度和舒適度。

3.4 毫米波

毫米波的主要作用是合理劃分波段，拓寬5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，對5G發(fā)展具有一定的推動作用。毫米波可以在不增加能耗的基礎(chǔ)上提供相同頻率的寬帶，減少各個基站之間的干擾，從而加快5G移動通信的速度。但需要注意，毫米波極易受到外界干擾，無法有效保障信息數(shù)據(jù)傳播過程中的準確度。

3.5 NOMA技術(shù)

隨著5G移動通信技術(shù)的發(fā)展，社會各界對智能化和場景多樣化的需求度越來越高，正交頻分多址技術(shù)已無法滿足實際需求。5G移動通信網(wǎng)絡(luò)中，將NOMA技術(shù)作為關(guān)鍵性技術(shù)，將使技術(shù)應(yīng)用與多樣化場景實現(xiàn)更好的融合。

3.6 同時同頻全雙工技術(shù)

同時同頻全雙工技術(shù)是一項可以同時發(fā)射與接收無線信號，從而提高頻譜效率的技術(shù)，能夠提升無線通信鏈路的頻譜效率。例如，無線通信鏈路的頻譜效率相較之前將會提升1倍。但是，目前仍有類似異頻干擾、數(shù)據(jù)干擾、數(shù)據(jù)系統(tǒng)吞吐量小等問題需要克服，將這種技術(shù)完全投入應(yīng)用尚有難度。

3.7 移動云計算

為有效拓寬5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景，將5G技術(shù)與日常生活緊緊聯(lián)系起來，5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)中引入了移動云計算技術(shù)，為終端客戶提供更為舒適的應(yīng)用體驗。移動云計算技術(shù)可以幫助用戶存儲數(shù)據(jù)，使廣大用戶處于更加安全的移動通信環(huán)境中，是5G技術(shù)的又一創(chuàng)新點。移動云還可以支持多個設(shè)備同時對其進行訪問，但需要更多其他技術(shù)對其進行輔助支持。

3.8 綠色通信

要實現(xiàn)綠色通信，需要優(yōu)化5G移動通信技術(shù)，提高傳輸效率，降低傳輸過程的能耗，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以此達到節(jié)能的效果。因此，高效傳輸網(wǎng)絡(luò)信息和靈活分配網(wǎng)絡(luò)資源是綠色通信所要解決的關(guān)鍵問題。

3.9 超寬帶頻譜

頻譜對于移動通信來說有著十分重要的地位，技術(shù)人員通常間隔一定年限就會對頻譜進行升級優(yōu)化。5G移動通信被應(yīng)用的場景十分多，通過帶寬可進一步拓寬5G移動通信的應(yīng)用場景，超寬帶頻譜技術(shù)應(yīng)用在5G移動通信中可有效提升寬帶容量，使5G移動通信網(wǎng)絡(luò)免受外界干擾，有效縮短數(shù)據(jù)傳播距離等。

3.10 認知無線電技術(shù)

在數(shù)據(jù)傳播過程中傳輸數(shù)據(jù)的準確度愈發(fā)被人們重視，技術(shù)層面的正確選擇將有效提升數(shù)據(jù)傳輸中的精準性，確保數(shù)據(jù)得以完整正確的被傳輸，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸失誤的情況。5G移動通信網(wǎng)絡(luò)為滿足用戶的該類需求，將認知無線電技術(shù)有效應(yīng)用其中，借助頻譜對所傳遞的信息數(shù)據(jù)進行檢測分析，極大提升了最終射頻判決的準確度，有效保障了信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

4 未來5G移動通信關(guān)鍵性技術(shù)的發(fā)展趨勢

在未來信息時代的發(fā)展中，應(yīng)該逐漸健全和改善5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的容量，使通信技術(shù)呈現(xiàn)一定的有效性，滿足人們對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高標準。正常情況下，在進行5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究時，要著重注意以下問題。

第一，提升網(wǎng)絡(luò)容量，有效構(gòu)建“異構(gòu)協(xié)同”的方式，將這種方法與現(xiàn)代化移動通信技術(shù)結(jié)合起來，整體拓展5G技術(shù)的功能應(yīng)用。

第二，在進行多頻譜信息資源開發(fā)的過程中，應(yīng)該有效利用其優(yōu)點，研發(fā)可見光資源技術(shù)，助力5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展。

第三，結(jié)合MIMO技術(shù)和3D MIMO技術(shù)，綜合發(fā)揮二者優(yōu)勢，進一步提升移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的意義和價值。

5 結(jié) 論

研究分析5G移動通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，探討5G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)，著重分析其優(yōu)勢特點、存在的問題和未來的發(fā)展方向。技術(shù)人員應(yīng)綜合分析5G移動通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵性技術(shù)，解決難點，推動我國5G移動通信技術(shù)的發(fā)展。5G移動通信技術(shù)研究取得的每一步進展，都將有助于提高我國在信息領(lǐng)域的國際地位，對帶動移動通信及相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。