5G關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)綜述

譚嵋

【摘要】隨著當(dāng)今社會信息技術(shù)的快速發(fā)展，5G技術(shù)將滲透于未來社會的各個方面，極大地影響人們的生活方式。5G技術(shù)雖已進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)制定與技術(shù)驗證的關(guān)鍵階段，仍有諸多問題亟待解決?；诖耍恼孪冉榻B了移動通信系統(tǒng)的發(fā)展和5G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)部署。其次文章并從5G關(guān)鍵技術(shù)中探究5G技術(shù)存在的挑戰(zhàn)，即安全問題和頻率資源有限的問題。

【關(guān)鍵詞】5G;扁平IP網(wǎng)絡(luò);認(rèn)知無線電;安全;有限的頻率資源

5G作為下一代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，具有高帶寬、低延時、大連接特性的優(yōu)點，與人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合，促進(jìn)各行各業(yè)智能化的巨大轉(zhuǎn)型，成為全球關(guān)注的焦點和競爭對象。本文將從移動通信系統(tǒng)的發(fā)展、5G網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)部署、基于扁平IP網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無線電的5G關(guān)鍵技術(shù)及其存在的安全問題和頻率資源有限的問題四個方面進(jìn)行簡要的闡述。

1. 移動通信系統(tǒng)的發(fā)展

20世紀(jì)80年代，基于模擬信號傳輸?shù)牡谝淮苿油ㄐ畔到y(tǒng)（1G）的誕生讓人民不再受固定電話的限制。1G的出現(xiàn)徹底地改變了人們的生活方式，并為移動通信系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。數(shù)字信號處理技術(shù)推動了移動通信系統(tǒng)從1G到2G的變革，既解決了模擬信號處理技術(shù)中終端設(shè)備龐大、服務(wù)成本高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋不連續(xù)、頻譜使用效率低等問題，又滿足了人們對移動電話的需求?；跁r分多址技術(shù)（TDMA， Time Division Multiple Access），有效地解決了1G網(wǎng)絡(luò)的局限性;基于碼分多址的2G通信制式（CDMA， Code Division Multiple Access），大幅度增加了將可支持的語音呼叫數(shù)量，擴(kuò)充了2G網(wǎng)絡(luò)的容量。而CDMA因此受到了廣泛關(guān)注，成為3G CDMA2000和寬帶碼分多址（WCDMA， Wideband CDMA）的基礎(chǔ)。

3G不僅增加了語音容量，而且實現(xiàn)了優(yōu)化移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)服務(wù)的模式轉(zhuǎn)變，使得3G用戶獲得移動語音服務(wù)的同時，享受利用網(wǎng)絡(luò)查詢移動設(shè)備上的天氣和新聞等人性化服務(wù)，更是為移動寬帶奠定了基礎(chǔ)，促進(jìn)了智能手機時代的到來。

4G LTE（Long Term Evolution）通過全新的全I(xiàn)P、扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為用戶帶來了更優(yōu)質(zhì)的移動寬帶體驗。LTE底層采用了基于正交頻分復(fù)用波形（OFDM， Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和多址接入的新物理空口設(shè)計。此后的演進(jìn)過程中，LTE不斷引入多輸入多輸出（MIMO， Multiple-Input and Multiple-Output）、載波聚合、高階調(diào)制等多種新技術(shù)，達(dá)到了超高速率的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康模⒂行У卦黾泳W(wǎng)絡(luò)容量。

不難發(fā)現(xiàn)，目前一些應(yīng)用如增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、移動多媒體、遠(yuǎn)程教育服務(wù)等已經(jīng)受到了4G能力的限制，需要改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)性能，即增加網(wǎng)絡(luò)帶寬以及超低的端到端延遲，才能帶來更好的用戶體驗。為此，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。

從1G發(fā)展到4G，現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)旨在提供更快、更好的語音和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，實現(xiàn)人與人之間的聯(lián)系。而5G時代，移動通信系統(tǒng)將會產(chǎn)生數(shù)量龐大的多樣性無線連接，重新定義各行各業(yè)的創(chuàng)新平臺，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。

2. 5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)將會滿足高速移動和全面連接的社會要求，通過連接對象和設(shè)備的激增為各種新型服務(wù)和相關(guān)業(yè)務(wù)模式帶來便利，實現(xiàn)各行業(yè)和垂直市場的自動化（例如電子醫(yī)療、聯(lián)網(wǎng)汽車、智慧城市等）。5G不僅支持以人為中心的應(yīng)用如虛擬和增強現(xiàn)實，也將支持機器對機器（M2M，Machine-to-Machine）和機器對人類（M2H，Machine-to-Human）應(yīng)用的通信需求，使我們的生活更安全、更方便。為此，5G網(wǎng)絡(luò)必須具有多樣化的功能，滿足全面的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI，Key Performance Indicator）要求。

為了實現(xiàn)上述功能，3GPP在5G網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)設(shè)計中通過引入網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)滿足靈活性靈活性。首先，3GPP向運營商提供“面向客戶”的按需網(wǎng)絡(luò)切片，滿足垂直行業(yè)對專用電信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求。其次，將這種以客戶為中心的服務(wù)水平協(xié)議（SLA，Service Level Agreement）映射到面向資源的網(wǎng)絡(luò)切片描述的需求變得明顯。以往，運營商在有限數(shù)量的服務(wù)/片類型（移動寬帶、語音服務(wù)和短信服務(wù)）上以手動方式執(zhí)行這種映射。隨著此類客戶請求數(shù)量以及相應(yīng)切片的增加，移動網(wǎng)絡(luò)管理和控制框架必須對網(wǎng)絡(luò)切片實例的整個生命周期管理實現(xiàn)高度自動化。最后，利用多域數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)分析算法，結(jié)合安全機制，實現(xiàn)在公共基礎(chǔ)架構(gòu)上部署具有不同虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能的定制網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

過去，新一代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署完全是獨立進(jìn)行的，并不會對已建移動通信系統(tǒng)加以考慮。到了5G時代，由于5G將長期與4G共存甚至緊密合作，因而4G與5G的聯(lián)合部署成為網(wǎng)絡(luò)部署策略研究中的重點。2016年6月5G的3GPP Joint RAN/SA Meeting提案中涉及8類備選方案（option1～8），共12接種5G網(wǎng)絡(luò)部署模式。其中的option6（獨立部署，5GNR接入署4GEPC）和option8（非獨立部署，5GNR作為主節(jié)點接入4GEPC）只在理論上成立、不具有實際意義，因而在2016年12月的3GPPTSG-RAN第72次全體大會上確定標(biāo)準(zhǔn)將不對option6和option8進(jìn)行進(jìn)一步研究。其中，option3/option4/option7是在3GPP TR38.801中重點介紹的LTE與NR雙連接的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)選項。

未來，5G網(wǎng)絡(luò)部署備選方案可分為兩大類：獨立部署（SA）和非獨立部署（NSA）。NSA架構(gòu)構(gòu)建在LTE-NR雙連接技術(shù)的基礎(chǔ)之上，用戶終端須同時連接一個LTE節(jié)點和一個NR節(jié)點，其中一個節(jié)點作為主節(jié)點，負(fù)責(zé)控制面信令的傳遞;另一個節(jié)點作為輔節(jié)點，輔助用戶面數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。option3/option4/ option7是基于NSA架構(gòu)的備選方案，區(qū)別在于LTE節(jié)點和NR節(jié)點承擔(dān)不同的角色，以及部署的核心網(wǎng)不同。SA架構(gòu)中無線側(cè)只存在一類節(jié)點，不同部零模式（option1/option2/option5）的區(qū)別在于選取的無線接入網(wǎng)節(jié)點和核心網(wǎng)不同。

3. 5G關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于扁平IP的網(wǎng)絡(luò)

Toni提出了5G移動網(wǎng)絡(luò)的基本概念，規(guī)定5G移動網(wǎng)絡(luò)是以用戶為中心的，不同于3G中以運營商為中心，或4G中以服務(wù)為中心。

5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層被劃分為若干子層，以便隨時隨地提供全I(xiàn)P連接。由于IP系統(tǒng)是現(xiàn)今最好、最常用支持和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)層的系統(tǒng)，因此，在網(wǎng)絡(luò)層中使用IP是不可避免的。

自LTE作為3GPP系統(tǒng)的一種演進(jìn)發(fā)展以來，全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)（AIPN）系統(tǒng)已經(jīng)有了良好的開端。扁平IP網(wǎng)絡(luò)在5G關(guān)鍵技術(shù)中是一個重要概念。扁平IP體系結(jié)構(gòu)提供了一種使用符號名稱來標(biāo)識每個設(shè)備的方法，不同與通常IP地址中常用的分層體系結(jié)構(gòu)。隨著向扁平IP架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，移動運營商將能夠通過如下措施創(chuàng)建一個使移動寬帶運營商能夠在價格和性能方面與有線網(wǎng)絡(luò)競爭的平臺。

①減少數(shù)據(jù)路徑中的網(wǎng)絡(luò)元素數(shù)量，從而降低運營成本和資本支出;②將服務(wù)交付成本從發(fā)送的將基礎(chǔ)設(shè)施功能與新興應(yīng)用程序的需求等同起來的數(shù)據(jù)量中分離出來;③最小化系統(tǒng)延遲，使應(yīng)用程序具有較低的延遲容忍度;未來無線電路延遲增強也可以完全實現(xiàn);④開發(fā)彼此獨立的無線接入和分組核心網(wǎng)絡(luò)以謀求更大的發(fā)展，并在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和部署方面具有更好的靈活性;⑤開發(fā)一個靈活的核心網(wǎng)絡(luò)作為移動和通用IP接入網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新服務(wù)的基礎(chǔ);

IPv6是最有可能支持5G技術(shù)實現(xiàn)的扁平IP網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，并且是IP系統(tǒng)的最新修訂版，克服了IPv4的缺點。然而，每個設(shè)備都有一個固定的IPv6地址，以及多個地址管理地址（CoA）。設(shè)備CoA的數(shù)量取決于設(shè)備連接的接入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量。網(wǎng)絡(luò)層分為三個子層：底層網(wǎng)絡(luò)層、中間層和上層網(wǎng)絡(luò)。下層網(wǎng)絡(luò)層使用CoA，中間網(wǎng)絡(luò)層將CoA轉(zhuǎn)換為IPv6，上層網(wǎng)絡(luò)層使用IPv6地址。

設(shè)備將會提供多種選擇以便根據(jù)設(shè)備類型和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件獲得最佳的無線連接。QoS參數(shù)如延遲時間、抖動、帶寬、可靠性等都會存儲在一個數(shù)據(jù)庫中，用來在移動終端訓(xùn)練智能算法，因此5G技術(shù)可以在給定的時間和條件下為設(shè)備選擇最佳連接。

3.2 認(rèn)知無線電

對于移動和無線通信技術(shù)來說，自從4G時代以來，互操作性就成為一個重要的問題，5G時代也同樣如此?；ゲ僮餍韵到y(tǒng)意味著任何一個具有不同技術(shù)的系統(tǒng)都可以協(xié)同工作、相互通信。5G移動系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由一個用戶終端和若干個獨立自主的無線電接入技術(shù)組成。在每個終端中，每個無線接入技術(shù)被視為連接到外部互聯(lián)網(wǎng)世界的IP鏈路。隨著認(rèn)知無線電終端的使用，5G可以實現(xiàn)互操作性，并具有良好的服務(wù)質(zhì)量。在認(rèn)知系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過識別網(wǎng)絡(luò)的位置、條件來確定網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。通過該系統(tǒng)，用戶可以選擇合適的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，不同的無線網(wǎng)絡(luò)可以通過認(rèn)知無線電設(shè)備進(jìn)行集成和通信。

認(rèn)知無線電是一種感知周圍環(huán)境（即外部世界）的智能通信系統(tǒng)，并通過Understanding-by-building方法從環(huán)境中學(xué)習(xí)，并實時地通過工作參數(shù)如發(fā)射功率、載波頻率和調(diào)制策略的相應(yīng)變化使其內(nèi)部狀態(tài)能夠適應(yīng)輸入射頻刺激中的統(tǒng)計變化。認(rèn)識無線電的兩個主要目標(biāo)是任何時間任何需要地點的高可靠通信以及有效利用無線電頻譜。

根據(jù)這個定義，認(rèn)知終端是一個智能終端，能夠從所有現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)中基于一些信息，如時間、需求和資源選擇合適的網(wǎng)絡(luò)。5G技術(shù)提出了一種通用終端，該終端應(yīng)將所有無線前置功能包含在一個設(shè)備中。這種終端融合得到用戶的強烈支持，因此，認(rèn)知無線電是最理想的5G終端。

4. 5G技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

通過對5G的關(guān)鍵技術(shù)的了解，我們也認(rèn)識到5G技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，主要是安全問題和有限的頻率資源。

4.1 安全問題

新的、實時的認(rèn)知無線電技術(shù)將能夠適應(yīng)各種各樣的無線電干擾條件，并自適應(yīng)地選擇最有效的通信機制，如能夠掃描可用頻譜并從廣泛的工作頻率中選擇、調(diào)整調(diào)制波形并執(zhí)行自適應(yīng)資源分配等。然而，認(rèn)知無線電技術(shù)仍有許多與安全相關(guān)的挑戰(zhàn)，特別是在認(rèn)知無線電終端方面。認(rèn)知無線電系統(tǒng)的范式對安全性提出了新的威脅，如自私的錯誤行為、有害的干擾、授權(quán)用戶仿真、授權(quán)用戶之間的競爭和竊聽。

為此，有的研究學(xué)者提出開發(fā)一個能夠防止在提供給無線電接口的高度開放和細(xì)粒度控制中的誤用的系統(tǒng)。TRIESTE是用于增強頻譜禮儀的可信無線電基礎(chǔ)設(shè)施的短期框架，能夠確保無線電設(shè)備只能以符合其特權(quán)的方式訪問和使用頻譜。

4.2 有限的頻率資源

有限的頻譜資源給移動和無線技術(shù)帶來了重大挑戰(zhàn)。這些有限的頻率和時間被分為多個用戶使用。為了達(dá)到提高效率以提高系統(tǒng)的容量和質(zhì)量的目的，目前使用的多址技術(shù)有時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）、正交頻分多址（OFDMA）等。然而，在目前使用的所有多址系統(tǒng)中，移動通信系統(tǒng)的容量取決于時間和頻率。這就給多址接入系統(tǒng)的開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)，該系統(tǒng)能夠解決容量對有限頻譜的依賴性。韓國研發(fā)部門建議將BDMA作為5G的無線接口，它不依賴于頻率/時間資源。

BDMA技術(shù)根據(jù)移動站的定位分配天線波束，使移動站提供多個接入，從而顯著增加系統(tǒng)的容量。在這種概念中，移動站和基地站在一條視線狀態(tài)（LOS）中，因此它們準(zhǔn)確地知道其他的位置。在這種情況下，它們可以直接傳輸?shù)矫總€其他的“位置”，而不干擾在細(xì)胞邊緣的移動站。

為了使BDMA系統(tǒng)適應(yīng)5G，需要發(fā)展相控陣天線以及能夠切換波束的智能天線。交換波束天線支持通過從基站和移動臺收集的到達(dá)角（AOA）信息進(jìn)行無線電定位。自適應(yīng)天線陣列的使用是顯示出改進(jìn)能力的機會的一個領(lǐng)域。

5. 結(jié)語

本文從移動通信系統(tǒng)的發(fā)展、5G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)部署、5G中基于扁平IP網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)以及5G關(guān)鍵技術(shù)中存在的挑戰(zhàn)四個方面進(jìn)行闡述。

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