余 莉，張治中，程 方，胡昊南

(重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)測試工程研究中心，重慶 400065)

0 引言

隨著人們對信息通信需求的不斷增加，信息通信在人們生活中所發(fā)揮的作用也越來越大，信息通信將成為維持整個社會生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的信息大動脈。移動通信憑借其應(yīng)用之廣和接入之便，其應(yīng)用將不再局限于人與人的溝通，可能是人與物的溝通，甚至是物與物的通信。人們對通信網(wǎng)絡(luò)各方面的需求呈現(xiàn)爆炸式增長，將對5G(the fifth generation mobile communication network)在頻率、技術(shù)和運(yùn)營等方面帶來新的挑戰(zhàn)，未來5G的發(fā)展成為業(yè)界研究的熱點。各種新的應(yīng)用場景，新的業(yè)務(wù)類型，新的終端設(shè)備，使5G市場的發(fā)展充滿了未知因素，因此需要我們開展研究，明確5G的業(yè)務(wù)和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，為5G技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)設(shè)計指引方向。

1 5G概述

5 G網(wǎng)絡(luò)有五大應(yīng)用場景:超高速場景;支持大規(guī)模人群;隨時隨地最佳體驗;超可靠的實時連接;無處不在的物物通信。

5G網(wǎng)絡(luò)需要達(dá)到五大性能目標(biāo):傳輸速率可達(dá)10 GB/s;頻譜效率提高10倍;業(yè)務(wù)時延小于5 ms;網(wǎng)絡(luò)容量提升1 000倍;能量效率提升10倍。5G不再僅僅是速率的提升，而是提供更多的應(yīng)用和更好的用戶體驗。

為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)合算的資源配置和應(yīng)用配置，并實現(xiàn)智能化增強(qiáng)，業(yè)界已經(jīng)確定了一些具體的技術(shù)走向。圖1簡要概述了5G網(wǎng)絡(luò)的主要走向［1］。

圖1 未來5G網(wǎng)絡(luò)的總體趨勢Fig.1 Overall trend in the future 5G network

1 )無線接入技術(shù)(radio access technology，RAT)的演進(jìn)(2G→3G→4G→5G)。3G和4G技術(shù)是第三代合作伙伴計劃(the 3rd generation partnership project，3GPP)［2］標(biāo)準(zhǔn)化組織研究的重點。同時，IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織［3］引入各種其他無線局/城/個域?qū)拵到y(tǒng)。這些RAT的演變，是從頻分/時分和寬帶碼分多址變化為正交頻分多址接入(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)，演進(jìn)到5G時，可能采用非正交多址接入(nonorthogonal multiple access，NOMA)技術(shù)。這個方向主要是改善資源的利用率。

2 )蜂窩覆蓋范圍逐漸減小。隨著 Femto，Pico和Micro等小蜂窩技術(shù)的演進(jìn)，蜂窩覆蓋范圍的縮小已經(jīng)是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個趨勢，特別是在高度商業(yè)化地區(qū)。然而小蜂窩的隨機(jī)部署特性，不可避免地會出現(xiàn)小蜂窩的密集分布甚至超密集分布，以提高接入傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)容量［4］。由此推斷，5G必然是一個超密集網(wǎng)絡(luò)。

3 )異構(gòu)性［5］(5G特性之一)?；旌蠀f(xié)同使用不同覆蓋范圍的蜂窩和不同技術(shù)特征的接入點(例如WiFi等)，能夠提高資源利用率，滿足用戶和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對無線數(shù)據(jù)速率日益增長的需求。

4 )智能化。智能化的引入，在保障用戶體驗的前提下，能夠為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署提供節(jié)省能源［6］和成本的解決方案。此方向還提出了自組織網(wǎng)絡(luò)(self－organized network，SON)、軟件定義化網(wǎng)絡(luò)(software defined networking，SDN)、軟件定義無線電(software defined radio，SDR)，云接入等新的概念。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

國內(nèi)外學(xué)者提出:5G的定義是現(xiàn)有RAT的演進(jìn)加上補(bǔ)充性的新技術(shù)。

雖然對5G的研究尚處于初級階段，但是成果不容小視。文獻(xiàn)［7］提出一種新型異構(gòu)的LTE－B網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為了提升LTE容量，部署了虛擬小區(qū)(phantom cells)，另外把用戶平面(U－plane)和控制平面(C－plane)分離;文獻(xiàn)［8］提出一種室內(nèi)室外場景區(qū)分對待的架構(gòu)，室內(nèi)用戶只需與室外蜂窩的室內(nèi)AP通信(如毫米波通信)，可以減少穿透損耗;文獻(xiàn)［9］指出，為了支持小蜂窩和毫米波結(jié)合，利用光纖回程提供高速無線接入。

根據(jù)上述研究，總結(jié)出一種5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(如圖2所示)。該架構(gòu)可分為三大模塊:網(wǎng)絡(luò)部署場景、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。

場景部署時，把室內(nèi)和室外場景區(qū)分對待。

1 )室外借助分布式天線(distributed antenna system，DAS)和大規(guī)模 MIMO(multiple inputmultiple output)配備基站，天線元件分散放置在小區(qū)，且通過光纖與基站連接。移動事物(如終端)部署Mobile Femtocell，可以動態(tài)地改變其到運(yùn)營商核心網(wǎng)絡(luò)的連接。同時，部署虛擬蜂窩作為宏蜂窩的補(bǔ)充，提升了室外覆蓋率。

2 )室內(nèi)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(jìn)行通信，這樣就可以利用多種適用于短距離通信的技術(shù)實現(xiàn)高速率傳輸，比如60 GHz毫米波通信，可以解決頻譜稀缺問題。

接入網(wǎng)設(shè)計時有4個特點。

1 )異構(gòu)多接入技術(shù)的融合:包括GSM，UMTS，LTE，WiFi等，用一個單一無線控制器(single radio controller，SRC)進(jìn)行操作。對SRC有3點要求:①增強(qiáng)現(xiàn)有接口;②SRC向后兼容;③SRC不會影響傳統(tǒng)的eNB，NB，BTS，WiFi AP的空中接口。這樣，可以達(dá)到提升無線資源利用率，保證統(tǒng)一的QoE(quality of experience)接入網(wǎng)絡(luò)，簡化 Inter－RAT 程序和網(wǎng)絡(luò)管理等效果。

2 )基站資源的虛擬化，資源分配集中控制:在集中式基站部署上，基帶處理單元(base band unit，BBU)的基帶處理逐漸由 SDR實現(xiàn)，在原有 CRAN［11］上演進(jìn)到基于實時云架構(gòu)的虛擬化基站，實現(xiàn)頻譜資源的動態(tài)調(diào)度。通過基帶池中BBU與配置的遠(yuǎn)端射頻單元(remote radio head，RRH)協(xié)作工作，可以實現(xiàn)統(tǒng)一平臺上的多種無線網(wǎng)絡(luò)功能。

3)內(nèi)容邊緣緩存和投遞:將內(nèi)容存儲和分發(fā)能力下沉到接入網(wǎng)，基于對用戶的感知［12］，按需推送內(nèi)容，提升用戶業(yè)務(wù)體驗。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 5G network architecture

4 )傳輸路徑優(yōu)化，數(shù)據(jù)平面扁平化。

核心網(wǎng)主要是由SDN、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization，NFV)技術(shù)驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)變革，同樣具有四大特點:

1 )控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離:SDN［13］是一個新興的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，在控制平面中，集中式網(wǎng)絡(luò)控制器負(fù)責(zé)把網(wǎng)絡(luò)分離后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面上的流量分配給網(wǎng)絡(luò)元件，實現(xiàn)拓?fù)涓兄?、路由決策和協(xié)議等功能。

2 )物理硬件與邏輯分離:NFV［14］作為SDN的補(bǔ)充性技術(shù)，是一種新的建立端到端網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的方式。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，將核心網(wǎng)網(wǎng)元功能從專用硬件移植到通用虛擬機(jī)平臺。簡化了硬件平臺的設(shè)計，使組網(wǎng)靈活并降低了組網(wǎng)成本。

3 )對業(yè)務(wù)的感知，支持動態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸策略。

4 )數(shù)據(jù)平面扁平化。

3 5G關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署

為應(yīng)對未來持續(xù)增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署將會成為當(dāng)前無線通信發(fā)展所面臨挑戰(zhàn)的一種解決方案［15］。例如，能夠解決5G中提出的無線數(shù)據(jù)速率提高1 000倍的問題［16］，提高空間譜利用率及增強(qiáng)室內(nèi)覆蓋等問題［17］。

未來5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)將從傳統(tǒng)的移動蜂窩方式轉(zhuǎn)向分布式的、異構(gòu)的新型通信方式，網(wǎng)絡(luò)種類繁多。密集組網(wǎng)下的LTE－B異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署場景如圖3所示，小區(qū)的部署更加密集，單個小區(qū)的覆蓋范圍大大縮小。如圖3中，將Macro作為網(wǎng)絡(luò)的基石，Picocell，F(xiàn)emtocell和Relay等低功率基站則用來消除只有Macrocell時的覆蓋盲區(qū)，能有效分擔(dān)宏蜂窩的負(fù)擔(dān)，提供低時延、高可靠的用戶體驗。然而，此種架構(gòu)會引發(fā)嚴(yán)重的干擾問題。產(chǎn)生干擾的原因有用戶自定義部署，封閉的接入方式，不同設(shè)備發(fā)送功率的差異等。

層內(nèi)層間干擾越來越復(fù)雜，因此需要進(jìn)行有效的干擾管理和干擾協(xié)調(diào)抑制。3GPP提出了ICIC(intercell inference coordination)標(biāo)準(zhǔn)，從功率控制、時域和頻域3個層面來減輕密集網(wǎng)絡(luò)帶來的干擾。文獻(xiàn)［18－20］提出基于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽的功率控制技術(shù)，雖簡單容易實現(xiàn)，但是有很多參數(shù)難以確定，無法保證優(yōu)良的性能指標(biāo);為了有效控制小蜂窩之間的下行干擾，東南大學(xué)特別針對密集部署的小蜂窩覆蓋網(wǎng)絡(luò)，提出一種基于兩級分組結(jié)合功率控制和協(xié)作聯(lián)合傳輸?shù)母蓴_控制方法來提升網(wǎng)絡(luò)整體性能;文獻(xiàn)［21］提出了基于ABS(almost blank subframe)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行增強(qiáng)型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)方案，在吞吐量方面比功率控制技術(shù)有明顯提高，但是小區(qū)的頻繁切換和跟蹤區(qū)域不斷更新，對MUE(macro user equipment)，HUE(home user equipment)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性提出了挑戰(zhàn);為了使網(wǎng)絡(luò)速率達(dá)到最大化，文獻(xiàn)［22］利用電波傳播中的路徑損耗特性，提出了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多用戶共享幅度空間及主動式干擾消除方法;基于智能天線的干擾消除有文獻(xiàn)［23］提出的基于3D波束形成天線的聯(lián)合處理協(xié)同多點傳輸(coordinated multiple points transmission/reception，CoMP)方法，解決了Intercell干擾問題，提高了邊緣小區(qū)UE(user equipment)的性能，同時不需要任何的信令開銷，但是必須在基站中配置這種新型天線;文獻(xiàn)［24］研究了節(jié)能的預(yù)編碼器，構(gòu)建原始約束集的凸子集和一個準(zhǔn)凹下界的能量效率來解決非凸優(yōu)化問題，提出能量高效的小區(qū)間協(xié)作波束成形迭代算法;基于干擾對齊(interference alignment，IA)的干擾消除，文獻(xiàn)［25］提出分層IA干擾消除方法，設(shè)計發(fā)送波束形成矩陣來解決Macrocell與smallcell之間的干擾，但是這種方法涉及到復(fù)雜的計算，提高了HeNB的硬件成本，而且嚴(yán)格要求MeNB和HeNB時間同步。

圖3 密集組網(wǎng)下的LTE－B異構(gòu)部署場景Fig.3 LTE－B heterogeneous network scenarios under the dense network

上述方法都是利用兩小區(qū)協(xié)作來解決干擾問題。但是未來5G網(wǎng)絡(luò)，多網(wǎng)并存，可能存在多小區(qū)協(xié)作。而且，頻譜資源越來越稀缺，可能沒有足夠多的頻段可以進(jìn)行分配，所以未來提出的干擾消除方法應(yīng)該盡可能的提高資源效率。5G網(wǎng)絡(luò)中擬研究的內(nèi)容有:

1 )密集多小區(qū)場景時基于干擾協(xié)調(diào)的干擾消除方法。

2 )密集多小區(qū)場景時能量與頻譜高效協(xié)作的波束成形方法。

通過超密集異構(gòu)部署提升容量，是目前最直觀的方法，也是國內(nèi)外各研究組織重點研究對象。

3.2 D2D通信

目前，社交網(wǎng)絡(luò)、本地廣告等應(yīng)用的流行使得人們對近距離數(shù)據(jù)通信的需求逐漸增加。然而，目前的蜂窩系統(tǒng)存在覆蓋、容量和功耗等方面的問題(特別是在近距離本地通信業(yè)務(wù)中)，并且缺乏足夠的靈活性，難以完全滿足不同業(yè)務(wù)在實時性和可靠性方面的獨特需求。因此，在5G中研究 D2D［26］(device to device)通信很有必要。D2D通信作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一，對蜂窩通信起到必不可少的支撐和補(bǔ)充作用，能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度的無線數(shù)據(jù)流量增長、降低功耗、增強(qiáng)實時性和可靠性。

D2D通信是一種短距離通信，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在終端間的直接傳輸。蜂窩網(wǎng)中的D2D通信示意如圖4所示。

圖4 蜂窩網(wǎng)中的D2D通信Fig.4 D2D communication in the cellular network

D2D的通信特點在節(jié)省資源、減小干擾、提升傳輸效率、降低傳輸成本等方面有巨大優(yōu)勢。D2D通信已經(jīng)在LTE－A的R12版本中獲得正式立項，3GPP計劃在 R13版本(2015年結(jié)束)之前完成D2D在一些典型場景下的標(biāo)準(zhǔn)化工作。國內(nèi)企業(yè)也比較關(guān)注D2D。早在2004年左右，Philips公司基于TD－SCDMA系統(tǒng)，討論了蜂窩控制下的 P2P技術(shù)，這是最接近于D2D的通信方式，但只適用于TD－SCDMA系統(tǒng)。2008年8月召開的3GPP會議上，Motorola公司提出并討論了D2D通信技術(shù)。華為、NOKIA等公司近年來也一直致力于此項技術(shù)的研究，發(fā)表了許多技術(shù)文獻(xiàn)和專利。

3 GPP擬定的D2D技術(shù)白皮書對D2D的通信控制、干擾協(xié)調(diào)、資源分配、功率控制等一些關(guān)鍵技術(shù)有比較深入地研究。當(dāng)前業(yè)界對于D2D通信技術(shù)的研究，主要集中在D2D發(fā)送功率控制以及資源分配等方面。文獻(xiàn)［27－31］對D2D技術(shù)的研究，重點集中在移動網(wǎng)絡(luò)和D2D混合通信系統(tǒng)中資源分配和干擾協(xié)調(diào)問題上。一些學(xué)者提出了一個“D2D對”和一個網(wǎng)絡(luò)用戶之間的資源共享方式，另一些提出了有效的干擾抑制算法，這些方法可以有效地解決資源分配和干擾協(xié)調(diào)問題，但是現(xiàn)有基站協(xié)作方法所存在的開銷大、實現(xiàn)困難等問題尚有待解決;文獻(xiàn)［32］提出了2種有效的干擾協(xié)調(diào)機(jī)制:一種是通過干擾跟蹤方式控制網(wǎng)絡(luò)用戶對D2D的干擾，另一種是通過可容忍的干擾廣播方式控制D2D對網(wǎng)絡(luò)用戶的干擾;文獻(xiàn)［33］中利用多天線技術(shù)來有效控制干擾，提出在基站側(cè)采用迫零算法，這樣可以完全消除基站對D2D的干擾;同濟(jì)大學(xué)針對LTE系統(tǒng)引入D2D通信技術(shù)后對所面臨的資源分配問題進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，利用粒子群優(yōu)化理論對該系統(tǒng)下的模式選擇與資源分配進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，達(dá)到了預(yù)期的效果，具體算法和理論分析可參考文獻(xiàn)［34－35］。上述方法雖然能夠解決現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)中D2D通信問題，但5G中仍有一些待解決的問題:

1 )D2D通信的無線資源管理問題:何時啟用D2D通信模式，D2D通信如何與蜂窩通信共享資源，是采用正交的方式，還是復(fù)用的方式，是復(fù)用系統(tǒng)的上行還是下行資源，這些問題都增加了D2D輔助通信系統(tǒng)資源調(diào)度的復(fù)雜性和對用戶的干擾，直接影響到用戶體驗。所以研究基于D2D通信的資源分配優(yōu)化調(diào)度算法具有非常重要的意義。

2 )實時性和可靠性問題:在未來5G網(wǎng)絡(luò)中，通信時延和可靠性將是評價通信性能好壞的指標(biāo)之一。在D2D通信過程中，如何根據(jù)用戶需求和服務(wù)類型滿足設(shè)備之間通信的實時性和可靠性，是D2D技術(shù)中的研究內(nèi)容之一。

3 )干擾抑制問題:為了解決多小區(qū)D2D通信的干擾抑制問題，在合理分配資源前需要對全局信道狀態(tài)信息(channel state information，CSI)有準(zhǔn)確的了解。目前的基站協(xié)作技術(shù)雖然可以實現(xiàn)這個功能，但是還存在著精確度與能耗等方面的問題，需要找到一個既能適用于支持D2D多小區(qū)通信資源分配，又可以達(dá)到節(jié)省能耗的基站協(xié)作技術(shù)方案。因此如何解決這些問題，更好地支持D2D通信技術(shù)，達(dá)到綠色通信的目的將會是未來研究的技術(shù)難點。

3.3 大規(guī)模M IMO

MIMO(multiple inputmultiple output)系統(tǒng)，即發(fā)送端和接收端均放置多個天線，形成MIMO通信鏈路。通過添加多個天線，可以為無線信道帶來更大的自由度，以容納更多的信息數(shù)據(jù)。MIMO可以在不增加帶寬或總發(fā)送功率耗損的情況下大幅增加系統(tǒng)的吞吐量及傳送距離，使得此技術(shù)近幾年頗受矚目。

目前的IMT－Advanced標(biāo)準(zhǔn)采用了基于多天線的MIMO傳輸技術(shù)，利用無線信道的空間信息大幅提高了頻譜效率?，F(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的8端口多用戶MIMO不能滿足頻譜效率和能量效率的數(shù)量級提升需求，而大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以顯著提高頻譜效率和能量效率［36］。大規(guī)模MIMO技術(shù)是MIMO技術(shù)的擴(kuò)展和延伸，其基本特征是在基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列(從幾十至幾千)，其中基站天線的數(shù)量比每個信令資源的設(shè)備數(shù)量大得多［37］，利用空分多址(space division multiple address，SDMA)原理，同時服務(wù)多個用戶。此外，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，使用簡單的線性預(yù)編碼和檢測方法，噪聲和快速衰落對系統(tǒng)的影響將逐漸消失，因此小區(qū)內(nèi)干擾也得到了降低。通過在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)厥褂枚嘤脩鬗IMO，避免了復(fù)雜的調(diào)度算法［38］，也簡化了MAC層設(shè)計。如果適當(dāng)增加反饋比特，系統(tǒng)容量會顯著提升［39］。這些優(yōu)勢使得大規(guī)模MIMO系統(tǒng)成為5G的一大潛在關(guān)鍵技術(shù)。

在Henderson－Clark框架背景下，大規(guī)模MIMO在未來5G中具有顛覆性的潛力［40］，它有以下特點。

1 )在節(jié)點方面，它是一項可擴(kuò)展技術(shù)。4G在許多方面不可擴(kuò)展，因為方位定向天線的空間有限，并且傳播時角度擴(kuò)散是不可避免的，也就是說天線數(shù)量與設(shè)備數(shù)量必須相匹配。然而，通過上行導(dǎo)頻采用時分雙工進(jìn)行信道估計，大規(guī)模MIMO中基站天線數(shù)量沒有限制。

2 )能促使新的部署和架構(gòu)產(chǎn)生。盡管人們可以設(shè)想直接用低增益諧振天線陣列替代宏基站，但是其他部署也是有可能的，如在農(nóng)村地區(qū)的水箱表面或摩天大樓的外墻部署共形天線陣列。

大規(guī)模MIMO雖然潛力巨大，但是仍然面臨一些挑戰(zhàn)。信道估計是關(guān)鍵，是局限性的主要來源。用戶運(yùn)動使相干間隔有限，在此期間必須獲得利用信道的條件，因此分配給設(shè)備的正交導(dǎo)頻序列的數(shù)量有限。而且，導(dǎo)頻序列的復(fù)用會造成導(dǎo)頻污染和相干干擾，并隨著天線數(shù)目的增加而加重。從實現(xiàn)的角度來看，大規(guī)模MIMO可以通過每個低成本、低功耗天線模塊的半自治功能實現(xiàn)，但仍需相當(dāng)大的努力，以證明該解決方案的成本效益。

根據(jù)上面的分析，可以認(rèn)為，5G采用大規(guī)模MIMO對目前系統(tǒng)的設(shè)計是一個重大的飛躍。此方向的支持者會努力解決存在的問題，并通過理論、模擬及測試等研究方法來展示實際的性能改進(jìn)，證實未來5G中大規(guī)模MIMO應(yīng)用的必要性。

3.4 綠色通信

智能化的引入，能夠在保障用戶體驗的前提下為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署提供節(jié)能的解決方案。統(tǒng)計結(jié)果表明，信息和通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)占全球能源消耗的10%，而在無線網(wǎng)絡(luò)中，基站的能源消耗占網(wǎng)絡(luò)全部能耗的50%以上，因此綠色通信必定是5G的研究方向［41］，也是重中之重。

要實現(xiàn)綠色通信，首先要降低單個基站的能耗;其次，要從網(wǎng)絡(luò)調(diào)度入手，使網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)服務(wù)區(qū)內(nèi)用戶業(yè)務(wù)量的變化，動態(tài)地進(jìn)行資源調(diào)度及功率控制;再者，就是要優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

目前國內(nèi)外針對綠色通信有一些解決辦法。文獻(xiàn)［42］研究了MIMO－OFDMA系統(tǒng)中高能效的空時資源配置;文獻(xiàn)［43］針對時延敏感和不敏感混合業(yè)務(wù)提出了基于CoMP的高能效－譜效基站協(xié)作休眠和空時資源分配，并利用層次迭代算法解決了優(yōu)化問題;文獻(xiàn)［44］針對波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能需求，研究綠色網(wǎng)絡(luò)解決方案，提出綠色共享通路保護(hù)算法;文獻(xiàn)［45］提出回程的概念。隨著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署，回程的功耗可能成為未來5G綠色無線接入網(wǎng)的一大瓶頸。

上述簡要地敘述了一些節(jié)能方案。但是，要實現(xiàn)綠色通信，高能效傳輸機(jī)制的實現(xiàn)是關(guān)鍵，需要更新各類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及其組成部件、外圍設(shè)備，這是一大應(yīng)用難點。高能效傳輸機(jī)制雖然已經(jīng)得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，但尚處于初級研究階段。因此，在5G中需要繼續(xù)深入研究以下2個問題。

1 )網(wǎng)絡(luò)能量高效的傳輸機(jī)制。

2 )以業(yè)務(wù)為中心的網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)分配。

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)研究了5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并基于此架構(gòu)探討了四大研究方向，此研究方向被國內(nèi)外大多數(shù)權(quán)威性組織認(rèn)為是未來5G的關(guān)鍵技術(shù)。接著，簡要描述了四大關(guān)鍵技術(shù)的已有研究成果和未來存在的挑戰(zhàn)，具體研究有待后續(xù)加強(qiáng)。5G的研究和發(fā)展對提高我國在信息領(lǐng)域的國際地位，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展具有重要的意義。

［1］DEMESTICHASP，GEORGAKOPOULOSA，KARVOUNASD，etal.5G on the Horizon:Key Challenges for the Radio－Access Network［J］.IEEE vehicular technology Magazine，2013，8(3):47－53.

［2］Third(3rd)Generation Partnership Project(3GPP)［EB/OL］.(2013－05－20)［2014－02－21］.http://www.3gpp.org.

［3］Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE).802 standards［EB/OL］.(2013－05－21) ［2014－02－23］.http://www.ieee802.org.

［4］NAKAMURA T，NAGATA S，TANG Hai，et al.Trends in Small Cell Enhancements in LTE Advanced［J］.IEEE Communications Magazine，2013，51(2):98－105.

［5］3GPP Release 12.Tech.Rep.32.835，Study of heterogeneous networksmanagement［S］.［s.l.］:3GPP，2013.

［6］OLSSONM，CAVDAR C，F(xiàn)RENGER P，et al.5GrEEn:Towards Green 5G mobile networks［C］//Wireless and Mobile Computing，Networking and Communications(WiMob)，2013 IEEE 9th International Conference on.Lyon:IEEE Press，2013:212－216.

［7］ISHIIH，KISHIYAMA Y，TAKAHASHIH.A novel architecture for LTE－B:C－plane/U－plane splitand Phantom Cell concept［C］//IEEE Globecom'12 Workshop.Anaheim，CA:IEEE，2012:624－630

［8］WANG Cheng－xiang，HAIDER F，GAO Xiqi，etal.Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks［J］.IEEE Communications Magazine，2014，52(2):122－130.

［9］CHANG Gee－Kung，LIU Cheng.1 –100GHzmicrowave photonics link technologies for next－generation WiFi and 5G wireless communications［C］//International Topical Meeting on Microwave Photonics.Alexandria，VA:IEEE Press，2013:5－8.

［10］HAIDER F，WANG Haiming，HAASH，et al.Spectral Efficiency Analysis of Mobile Femtocell Based Cellular Systems［C］//IEEE 13th International Conference on Communication Technology.Jinan:IEEE Press，2011:347－351.

［11］C－RAN:The Road Towards Green RAN，white paper，v.2.5 ［S］.Beijing，China:China Mobile Research Inst，2011.

［12］林濤，唐暉，侯自強(qiáng).內(nèi)容感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［J］.中興通訊技術(shù)，2011，17(2):7－9.LIN Tao，TANG Hui，HOU Ziqiang.Content Aware Network Architecture［J］.ZET Technology Journal，2011，17(2):7－9.

［13］Open Networking Foundation.Software－defined networking:The new norm for networks［EB/OL］.(2012－04－20) ［2014－02－12］.https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn－resources/white－papers/wp－sdn－newnorm.pdf.

［14］ETSINFV ISG.(2012 Oct).Network functions virtualization，white paper［EB/OL］.(2012－10－20)［2014－02－14］.http://www.etsi.org/technologies－clusters/technologies/nfv.

［15］HOYDIS J，KOBAYASHIM，DEBBAH M.Green smallcell networks［J］.IEEE Vehicular Technology Magazine，2011，6(1):37－43.

［16］HWANG I，SONG B，SOLIMAN S.A holistic view on hyper－dense heterogeneous and small cell networks［J］.IEEE Communications Magazine，2013，51(6):20－27.

［17］LOPEZ－PEREZD，GUVENC I，De La ROCHEG，etal.Enhanced intercell interference coordination challenges in heterogeneous networks［J］.IEEEWireless Communications，2011，18(3):22－30.

［18］3GPP，TS 36.922，Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E－UTRA).TDD Home eNodeB(HeNB)Radio Frequency(RF)requirements analysis v9.1.0.2010－06［S］.［s.l.］:3GPP，2010.

［19］3GPP，R4－093644，HeNB Interference Management for LTE Rel－9 via Power Control.Nokia Siemens Networks［S］.Finland:Nokia，2009.

［20］3GPP，R1－104537，HeNB Power Setting Scheme with Penetration Loss Consideration.NEC Group［S］.［s.l.］:3GPP ，2010.

［21］欽培.LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下行小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2013.

QIN Pei.Research on the Technology of LTEHeterogeneous Network Downlink Inter－Cell Interference Coordination［D］.Chengtu:University of Electronic Science and Technology of China，2013.

［22］TIAN Yafei，LU Songtao，YANG Chenyang.Macro－Pico Amplitude－Space Sharing with Optimized Han－Kobayashi Coding［J］.IEEE Transactions on Communications，2013，61(10):4404－4415.

［23］GRESSET N，HALBAUER H，KOPPENBORG J，et al.Interference－Avoidance Techniques:Improving Ubiquitous User Experience［J］.IEEE Vehicular Technology Magazine，2012，7(4):37－45.

［24］LIYang，TIAN Yafei，YANG Chenyang.Energy－efficient coordinated beam forming with individual data rate constraints［C］//IEEE 24th International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications.London，United Kingdom:IEEE，2013:1040－1044.

［25］SHINW，NOHW，JANG K，et al.Hierarchical Interference Alignment for Downlink Heterogeneous Networks［J］.IEEE Transaction on Wireless Communications，2012，11(12):4549－4559.

［26］FP7/ICT iCore project［EB/OL］.(2013－05－22)［2014－02－10］.http://www.ioticore.eu/.

［27］YUC，TIRKKONEN O，DOPPLER K，etal.Power optimization of device－to－device communication underlaying cellular communication［C］//IEEE International Conference on Communications.Dresden:IEEE，2009:1－5.

［28］YU ChiaHao，DOPPLER Klaus，RIBEIRO C B，et al.Resource Sharing Optimization for Device－to－Device Communication Underlaying Cellular Networks［J］.IEEE TransWireless commun，2011，10(8):2752－2763.

［29］WANG Bin，CHEN Li，CHEN Xiaohang，et al.Resource Allocation Optimization for Device－to－Device Communication Underlaying Cellular Networks［C］//IEEE 73rd Vehicular Technology Conference.Budapest:IEEE，2011:1－6.

［30］JANIS P，KOIVUNEN V，RIBEIRO C，et al.Interference－aware resource Allocation for Device－to－Device Radio Underlaying Cellular Networks［C］.IEEE 69th Vehicular Technology Conference.Barcelona:IEEE，2009:1－5.

［31］XU S，WANG H，CHEN T，et al.Effective interference cancellation scheme for device－to－device communication underlaying cellular networks［C］//IEEE Vehicular Technology Conference Fall.Ottawa:IEEE，2010:1－5.

［32］PENG Tao，LU Qianxi，WANG Haiming，etal.Interference Avoidance Mechanisms in the Hybrid Cellular and Device－to－Device Systems［C］//IEEE 20th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications.Tokyo:IEEE，2009:617－621.

［33］JANISP，KOIVUNEN V，RIBEIRO CB，et al.Interference－avoiding MIMO schemes for device－to－device radio underlaying cellular networks［C］//IEEE 20th International Symposium on personal，Indoor and Mobile Radio Communications.，2009:2385－2389.

［34］XU Wei，LIANG Le，ZHANG Hua，et al.Performance Enhanced Transmission in Device－to－Device Communications:Beamforming or Interference Cancellation? ［C］//IEEE GLOBECOM.Anaheim，CA:IEEE，2012:4296－4301.

［35］WANG Jiaheng，ZHU Daohua，ZHAO Chunming，et al.Resource Sharing of Underlaying Device－to－Device and Uplink Cellular Communications［J］.IEEE Communications Letters，2013，17(6):1089－7798.

［36］RUSEK F，PERSSON D，LAU B K，et al.Scaling Up MIMO:Opportunities and Challengeswith Very Large Arrays［J］.IEEE Sig Proc Mag，2013，30(1):40－60.

［37］MARZETTA T L.Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Numbers of Base Station Antennas［J］.IEEE Trans.on Wireless Communication，2010，9(11):3590－3600.

［38］WANG C－X，WU S.Massive MIMO Channel Measurements and Modeling:Advances and Challenges［J］.IEEE Wireless Communication，2013，36(3):271－276.

［39］徐國珍，蔣偉，劉安，等.有限反饋下大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能仿真［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，24(5):589－594.XU Guozhen，JIANGWei，LIU An，et al.Simulation of finite feedback massive MIMO system［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition，2012，24(5):589－594.

［40］BOCCARDIF，HEATH RW，LOZANO A，et al.Five Disruptive Technology Directions for 5G［J］.IEEE Communications Magazine，2014，52(2):74－80.

［41］EIT－ICT Labs project5GrEEn(Towards green 5Gmobile networks) ［EB/OL］. ［2014－01－20］.http://www.eitictlabs.eu/innovation－areas/future－networking－solutions/5green－towards－green－5g－mobile－networks.

［42］XU Zhikun，YANG Chenyang，LI Geoffrey Ye，et al.Energy－Efficient Configuration of Spatial and Frequency Resources in MIMO－OFDMA Systems［J］.IEEE Trans On Communications，2013，61(2):564－575.

［43］HAN Shengqian，YANG Chenyang，MOLISCH Andreas F.Spectrum and Energy Efficient Cooperative Base Station Doze［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2014，32(2):285－296.

［44］鮑寧海，劉翔，張治中，等.WDM節(jié)能光網(wǎng)絡(luò)中的抗毀保護(hù)算法研究［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，24(3):278－282.

BAO Ninghai，LIU Xiang，ZHANG Zhizhong，et al.Survivable protection algorithm in WDM Energy－Efficient optical networks［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition，2012，24(3):278－282.

［45］TOMBAZ S，MOTI P，WANG Kun，et al.Impact of Backhauling Power Consumption on the Deployment of Heterogeneous Mobile Networks［C］//Proceedings of the Global Communications Conference，GLOBECOM 2011.Houston，Texas，USA:IEEE，2011:1－5.

(編輯:魏琴芳)