5G通信關(guān)鍵技術(shù)分析及標(biāo)準(zhǔn)化展望

劉成平

本文在概述5G通信系統(tǒng)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對MIMO、SDN、ICN、D2D通信等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析探討，最后總結(jié)了5G通信技術(shù)發(fā)展趨勢及未來研究動向。結(jié)果表明，5G通信系統(tǒng)是長期演進(jìn)的第四代移動通信系統(tǒng)全面商用基礎(chǔ)上的必然發(fā)展趨勢，也是順應(yīng)移動數(shù)據(jù)需求爆炸式增長的必然要求。

5G體系架構(gòu)由核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)布設(shè)場景等模塊構(gòu)成，5G技術(shù)在3G和4G技術(shù)聚焦于移動寬帶應(yīng)用場景并提供更高數(shù)據(jù)處理速率和強(qiáng)化的系統(tǒng)容量的基礎(chǔ)上，還能夠提供視頻形式等非常規(guī)數(shù)據(jù)處理速率和業(yè)務(wù)驅(qū)動容量。對于RAN等核心網(wǎng)絡(luò)而言，端到端系統(tǒng)的調(diào)整將構(gòu)成5G演化的一個階段，5G無線接入既涉及無線電接口技術(shù)，又能為人與設(shè)備提供無線接入的解決路徑。

（一）MIMO技術(shù)

該技術(shù)通過在發(fā)射機(jī)、接收機(jī)端同時設(shè)置多個天線，增加比基站同時服務(wù)于相同時頻塊所對應(yīng)用戶天線數(shù)量更多的基站天線數(shù)量，以提升無線鏈路頻譜傳輸效率。與此同時，各個用戶信號所對應(yīng)的預(yù)編碼處理將同時減少至共軛波束簡單賦形。通過時分雙工的方式解決發(fā)射機(jī)獲取信道信號的問題，上下行頻段保持相同。用戶通過在上行發(fā)送正交導(dǎo)頻的方式以估計上行信道，用于下行共軛波束賦形。考慮到受導(dǎo)頻傳輸資源的限制，上行導(dǎo)頻傳輸并非始終處于正交狀態(tài)，必然增大信道估計誤差，引發(fā)導(dǎo)頻污染?；緜?cè)天線有效布設(shè)對無線天線技術(shù)提出了較高要求，信道具有十分顯著的互易性特征，但是發(fā)送和接收路徑卻不具備這種特征，必須加強(qiáng)天線校準(zhǔn)。而MIMO技術(shù)需要同時服務(wù)于多用戶以達(dá)到高頻譜效率，故其不會引起單個用戶峰值速率的顯著增大。

（二）SDN和ICN技術(shù)

SDN屬于分離數(shù)據(jù)平面和控制平面后直接進(jìn)行控制平面編程的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)能有效解決數(shù)據(jù)中心彈性計算和高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)存儲方面的高要求。SDN架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中具有明顯優(yōu)勢，而對于數(shù)據(jù)中心以外的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，要求提升光鏈路動態(tài)配置性能。5G通信系統(tǒng)中的SDN能完全超出無線網(wǎng)絡(luò)政策框架傳輸資源方面的制約，借助服務(wù)連接轉(zhuǎn)發(fā)平面功能應(yīng)用于SDN分組核心網(wǎng)，并同時具備無線控制功能。

在SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上所出現(xiàn)的NFV技術(shù)進(jìn)一步使其網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，并能運行于共享使用現(xiàn)成數(shù)據(jù)中心計算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬機(jī)管理程序中，NFV技術(shù)目前已經(jīng)在4G通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，在5G通信系統(tǒng)中必將具有廣闊的應(yīng)用前景，5G通信系統(tǒng)借助NFV技術(shù)基礎(chǔ)以及核心網(wǎng)中虛擬化的無線網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計，保證應(yīng)用數(shù)據(jù)處理質(zhì)量和效率。

ICN技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò)行為模式應(yīng)當(dāng)是請求信息和獲取信息的假設(shè)，使當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)從位置中心體系架構(gòu)演進(jìn)至信息中心架構(gòu)。ICN技術(shù)依托未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)優(yōu)勢，尤其是對全新通信模式的接納，使得系統(tǒng)控制的重點轉(zhuǎn)向信息發(fā)布，而非端點間數(shù)據(jù)包傳輸。這就要求互聯(lián)網(wǎng)必須重新審視應(yīng)用模型的要求，突出可擴(kuò)展的內(nèi)容分發(fā)、安全性和移動性。為促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)、存儲和計算過程的有機(jī)融合，必須將SDN和ICN技術(shù)架構(gòu)的優(yōu)勢綜合起來，達(dá)到對網(wǎng)絡(luò)資源的快速計算和存儲，增強(qiáng)整個信息處理過程的可控制性。

（三）上下文感知

結(jié)合理論和實踐，信息的上下文感知對網(wǎng)絡(luò)約束的適應(yīng)及運營商測量框架等方面有較高要求，而網(wǎng)絡(luò)無法提供對于眾多設(shè)備均適用的資源，也無法高效感知上下文信息。與此同時，向網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備賦予上下文感知功能后能大大提升用戶體驗，并能拋開互聯(lián)網(wǎng)檢索信息后通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供及時、高度相關(guān)的信息。網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備主要通過歷史使用模式、位置、用戶偏好等上下文感知能力提升用戶體驗，這種能力能保證通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供及時性和相關(guān)性均最優(yōu)的信息，并能有效省去互聯(lián)網(wǎng)檢索的環(huán)節(jié)，盡可能過濾掉無關(guān)信息。上下文感知過程中所需要的信息主要通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器、分析平臺、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)元件等實施收集，在這一過程中體現(xiàn)出安全可靠、成本、功耗等優(yōu)良的服務(wù)屬性，進(jìn)而將訪問服務(wù)屬性映射至5G通信系統(tǒng)。

上下文感知服務(wù)由主動上下文感知、被動上下文感知及個性化等方面構(gòu)成。其中的主動上下文感知具備上下文自動適應(yīng)功能，并能自動觸發(fā)向用于提供具體服務(wù)的功能；被動上下文感知則能自動捕捉到用戶所提出、賦予或觸發(fā)的上下文信息；個性化主要為用戶提供符合個人偏好的上下文數(shù)據(jù)。目前，所存在的上下文感知分層架構(gòu)雖然具有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，但是結(jié)構(gòu)框架大同小異，均主要負(fù)責(zé)上下文信息的解釋，特定環(huán)境及對象上下文信息的收集，向應(yīng)用程序提供接口。

（四）D2D通信

4G通信系統(tǒng)中D2D功能較為有限，主要用于通信安全及臨近檢測方面，而作為5G通信技術(shù)方面的應(yīng)用，必須充分考慮多跳通信技術(shù)或組成技術(shù)高度集成回程/接入技術(shù)等方面的D2D通信。通過更加通用的D2D通信技術(shù)實現(xiàn)整個無線接入，當(dāng)周圍的設(shè)備之間進(jìn)行終端用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，通過使用D2D通信能實現(xiàn)整體系統(tǒng)間更加高效的傳輸。通過該通信架構(gòu)的應(yīng)用能使超出設(shè)備中繼等常規(guī)設(shè)施的覆蓋范圍顯著擴(kuò)大，并借助高速化的通信合作設(shè)備向多設(shè)備同時提供聯(lián)合傳輸/接收手段，開辟更為有效的通信溝通渠道。應(yīng)用實踐證明，D2D通信架構(gòu)屬于新型短距離蜂窩控制通信技術(shù)，其可為蜂窩控制下復(fù)用系統(tǒng)頻譜資源端至端通信提供終端保障，并比傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)終端通信必須通過基站進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)發(fā)等過程具有更高的信息吞吐量，同時還能使瞬時數(shù)據(jù)傳輸速率、系統(tǒng)頻譜效率等顯著提升，終端發(fā)射功率明顯下降?？紤]到端對端的直接通信系統(tǒng)必須基于蜂窩系統(tǒng)頻譜資源復(fù)用，故D2D架構(gòu)和蜂窩通信鏈路之間必將出現(xiàn)沖突和同頻率干擾，應(yīng)當(dāng)從D2D用戶功率及無線資源管理等角度進(jìn)行防蜂窩網(wǎng)絡(luò)干擾技術(shù)的探索。

D2D通信分為帶內(nèi)和帶外兩種形式。其中帶內(nèi)D2D通信主要出現(xiàn)在同時被蜂窩鏈路和D2D使用的授權(quán)頻譜中，根據(jù)相關(guān)研究，未經(jīng)授權(quán)的頻譜干擾具備較大的管理難度，并對服務(wù)質(zhì)量配置有較大制約。帶內(nèi)D2D又分為重疊和襯底兩種通信形式，襯底形式下無線資源同時被蜂窩鏈路與D2D通信共享，而在重疊形式下蜂窩鏈路專用資源通過D2D形式得出。帶外D2D通信形式屬于未被授權(quán)的頻譜，其應(yīng)用的動機(jī)主要在于通過額外接口將蜂窩鏈路和D2D之間干擾徹底消除。

國際電信聯(lián)盟于2012年便開始啟動5G標(biāo)準(zhǔn)化，按照3G和4G的命名規(guī)則，該組織將5G命名為IMT-2020，通過對市場潛在需求及頻譜技術(shù)未來發(fā)展動向的分析，進(jìn)行5G通信系統(tǒng)整體架構(gòu)規(guī)劃及預(yù)期通信能力的預(yù)估。明確5G技術(shù)發(fā)展趨勢及帶寬、用戶體驗、終端、頻譜效率等方面的網(wǎng)絡(luò)關(guān)注重點，以明確5G技術(shù)所應(yīng)具備的能力，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行5G技術(shù)的驗證及標(biāo)準(zhǔn)化處理。當(dāng)前國際電信聯(lián)盟已經(jīng)通過發(fā)布相關(guān)報告明確定義出5G通信愿景及關(guān)鍵能力，將該通信技術(shù)的應(yīng)用場景定位在移動寬帶性能增強(qiáng)、機(jī)器間大規(guī)模通信、低時延高可靠通信等方面。國際電信聯(lián)盟所定義的5G通信技術(shù)核心能力指標(biāo)包括流量密度、連接數(shù)、延時、能效、移動性、頻譜效率及用戶體驗速率、峰值速率等方面。在此基礎(chǔ)上，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織也提出5G演進(jìn)計劃，眾多國家相關(guān)組織紛紛參與5G通信標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，對5G通信技術(shù)性能指標(biāo)、場景、應(yīng)用目標(biāo)及挑戰(zhàn)等展開系統(tǒng)性研究。全球運營商N(yùn)GMN、WWRF等均已完成5G關(guān)鍵技術(shù)及市場需求白皮書，通過闡述5G通信技術(shù)要點以在運營商中形成標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)應(yīng)用模式。

綜上所述，5G通信技術(shù)初步標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)在2020年完成，針對低時延高可靠通信、機(jī)器間大規(guī)模通信、移動寬帶增強(qiáng)等應(yīng)用場景，5G通信系統(tǒng)可實現(xiàn)10Tbps/km2的流量密度、1ms的超低時延、1Mbps/km2的海量數(shù)據(jù)連接、100倍的能耗降低幅度。為支撐以上5G通信系統(tǒng)核心能力的實現(xiàn)，必須進(jìn)行相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)及無線接入技術(shù)的進(jìn)一步深入研究與探索，真正實現(xiàn)5G通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)容量提升，能耗降低，通信和計算技術(shù)的有效融合。

作者單位：山西信息規(guī)劃設(shè)計院有限公司