劉明天

安徽大學(xué)安徽合肥230601

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究

劉明天

安徽大學(xué)安徽合肥230601

隨著在過(guò)去的十年當(dāng)中，我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，尤其是在移動(dòng)通訊技術(shù)方面取得了較大的進(jìn)展，從現(xiàn)階段已經(jīng)被淘汰的1G移動(dòng)通訊技術(shù)到現(xiàn)在較為普及的4G移動(dòng)通訊技術(shù)，我國(guó)的移動(dòng)通訊技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了翻天覆地的變化。相比于3G網(wǎng)絡(luò)，4G移動(dòng)通訊在上網(wǎng)速度以及質(zhì)量方面取得了較大的進(jìn)展，從而滿(mǎn)足了當(dāng)前人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的基本需求。但是隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的帶來(lái)，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)規(guī)模不斷增加，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)速度也受到了一定的限制，現(xiàn)階段人們對(duì)于移動(dòng)通訊的需求不斷增加，在這樣的背景下4G移動(dòng)通訊技術(shù)已經(jīng)逐漸無(wú)法滿(mǎn)足人們的使用需求，在這樣的背景下5G移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)逐漸開(kāi)始走上歷史舞臺(tái)。在本文當(dāng)中筆者論述了5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)以及其中的關(guān)鍵技術(shù)。

5G網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)通信；架構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)

一、引言

在現(xiàn)代社會(huì)當(dāng)中網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們生活當(dāng)中最重要的組成部分，同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，人們對(duì)信息的需求量不斷增大，同時(shí)在人們的日常生活當(dāng)中所發(fā)揮的作用也逐漸變大，信息在現(xiàn)代社會(huì)當(dāng)中已經(jīng)成為維持社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要工具。移動(dòng)通訊技術(shù)由于使用的廣泛性以及接入的便利性，在未來(lái)的應(yīng)用當(dāng)中必然將不會(huì)在限制于人們之間的溝通與交流，甚至還有可能被用于物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息交流，由此可見(jiàn)，現(xiàn)階段的人們對(duì)于信息的不同需求都在不斷增長(zhǎng)當(dāng)中，4G移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)逐漸無(wú)法滿(mǎn)足人們的日常需求，基于此種情況，開(kāi)發(fā)5G移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)具有了非常大的必要性。當(dāng)前階段5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在頻率、技術(shù)以及運(yùn)營(yíng)方面都面臨著較大的挑戰(zhàn)，因此，5G技術(shù)必然會(huì)成為接下來(lái)一段時(shí)間內(nèi)學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)內(nèi)容。各種新的應(yīng)用場(chǎng)景，新的業(yè)務(wù)類(lèi)型，新的終端設(shè)備，使5G市場(chǎng)的發(fā)展充滿(mǎn)了未知因素，因此需要我們開(kāi)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(jì)指引方向[1]。

二、5G簡(jiǎn)介

在未來(lái)5G在以下五個(gè)方面當(dāng)中必將有非常大的應(yīng)用：物聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)連接、提高用戶(hù)體驗(yàn)、超高速通信以及大規(guī)模人群同時(shí)使用。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)階段的研究，5G網(wǎng)絡(luò)必須要滿(mǎn)足以下五個(gè)基本需求：信息的傳輸速度需要達(dá)到10GB/s，頻譜效率必須要提高到10倍左右、能量效率也需要提高10倍、網(wǎng)絡(luò)容量需要提高1000倍、延遲需要小于5毫秒。由此可見(jiàn)相對(duì)于4G移動(dòng)通訊來(lái)說(shuō)，5G并不是僅僅意味著上網(wǎng)速度的提升，同時(shí)還意味著更好的用戶(hù)體驗(yàn)以及更多的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[2]。為了使得5G網(wǎng)絡(luò)的資源與應(yīng)用配置成本有效降低，同時(shí)使得其智能化的不斷提高，目前研究人員已經(jīng)明確了一些具體的走向，主要如下圖1中所示。

圖一 5G網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)圖

從上圖當(dāng)中我們可以發(fā)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：第一，無(wú)線接入技術(shù)的不斷發(fā)展，在5G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中有可能會(huì)采用非正交多址接入技術(shù)，這對(duì)資源利用效率的改善具有非常重要的意義。第二，蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍必將不斷縮小，由于小蜂窩技術(shù)的不斷前進(jìn)，在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)當(dāng)中蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍縮小已經(jīng)是大勢(shì)所趨，尤其實(shí)在一些商業(yè)化程度相對(duì)較高的地區(qū)，小蜂窩網(wǎng)往往呈現(xiàn)出密集或者超密集分布的特點(diǎn)，因此5G移動(dòng)通訊必然也會(huì)采取這樣的模式。第三，為了提高資源的利用效率與用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的要求，5G移動(dòng)通信當(dāng)中必然會(huì)混合使用蜂窩與不同技術(shù)特征的接入方式，即所謂的異構(gòu)性。第四，智能化發(fā)展，5G通信網(wǎng)絡(luò)為了保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的能源節(jié)約，同時(shí)保證用戶(hù)體驗(yàn)，會(huì)將智能化引入到架構(gòu)當(dāng)中[3]。

三、5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有一致的認(rèn)識(shí)，即通過(guò)現(xiàn)有的RAT演進(jìn)添加新的技術(shù)而得到的。雖然從世界范圍內(nèi)來(lái)看，關(guān)于5G的相關(guān)研究還處于起步階段，但是已經(jīng)取得了一定的成果，例如當(dāng)前階段的研究人員提出了一種新型異構(gòu)的LTE-B網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。筆者在對(duì)現(xiàn)階段關(guān)于5G的相關(guān)研究所得出的結(jié)論之上研究了5G網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)。筆者認(rèn)為，在未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中會(huì)被分為三個(gè)不同的模塊：網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景、接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)。

（一）網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景

在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的部署過(guò)程當(dāng)中，我們需要將室內(nèi)場(chǎng)景與室外場(chǎng)景區(qū)分開(kāi)來(lái)。在進(jìn)行室內(nèi)場(chǎng)景的部署過(guò)程當(dāng)中，用戶(hù)可以通過(guò)室外天線當(dāng)中所安裝的AP實(shí)現(xiàn)通信，通過(guò)這種方式就可以充分利用短距離通信的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸。在進(jìn)行十萬(wàn)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的部署當(dāng)中，可以通過(guò)MIMO基站與分布式天線實(shí)現(xiàn)，大部分的分布式天線都是通過(guò)光釬與基站連接在一起，同時(shí)分布式天線在小區(qū)當(dāng)中也是廣泛分散的。而通過(guò)在終端部署Mobile-Femtocell，則可以實(shí)現(xiàn)與核心網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)連接。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中還需要部署一定數(shù)量的虛擬蜂窩作為補(bǔ)充，從而使得室外的覆蓋率得以有效的提升[4]。

（二）接入網(wǎng)的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行接入網(wǎng)的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中需要注意以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，多種接入技術(shù)的融合：主要包括2G、3G、4G以及wify等多種接入方式，再接入的過(guò)程當(dāng)中可以使用單一的無(wú)線控制器進(jìn)行接入。第二，通過(guò)基站實(shí)現(xiàn)虛擬資源的分配：在部署集中式基站的基礎(chǔ)之上，SDR會(huì)逐漸實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶的處理，并逐漸向?qū)崟r(shí)云架構(gòu)的虛擬化基站轉(zhuǎn)變。第三，內(nèi)容邊緣緩存和投遞，傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的內(nèi)容存儲(chǔ)與分發(fā)功能會(huì)被轉(zhuǎn)移到接入網(wǎng)當(dāng)中去，并根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際需求進(jìn)行信息的推送，從而不斷提高用戶(hù)體驗(yàn)。第四，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面的扁平化發(fā)展[5]。

（三）核心網(wǎng)的設(shè)計(jì)

在5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，核心網(wǎng)的變革主要是由NFV與SDN所驅(qū)動(dòng)的，主要包含以下幾個(gè)不同的特點(diǎn)：第二，控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離發(fā)展，SDN與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系之間存在著較大的差異，在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系當(dāng)中控制與轉(zhuǎn)發(fā)是一體的，但是在SDN當(dāng)中，集中式網(wǎng)絡(luò)控制器可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分離之后的數(shù)據(jù)流量的分配，從而實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。第二，物理硬件與邏輯之間的分離,NFV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。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

三、5G當(dāng)中的關(guān)鍵技術(shù)

（一）D2D通信技術(shù)

當(dāng)前階段，隨著我國(guó)技術(shù)的不斷發(fā)展，社交媒體等不同形式的媒體在社會(huì)當(dāng)中廣泛的流行起來(lái)，并進(jìn)一步激發(fā)了人們對(duì)于近距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際需求。但是當(dāng)前階段所使用的蜂窩網(wǎng)在覆蓋范圍、數(shù)據(jù)容量以及能耗方面都存在著較大的問(wèn)題，同時(shí)通信過(guò)程較為呆板，缺乏足夠的靈活性，實(shí)際的業(yè)務(wù)發(fā)展所需要的可靠性與實(shí)時(shí)性得不到充分的保障，因此，在5G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中使用D2D通信技術(shù)就顯得尤為必要，這也是5G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的核心技術(shù)之一[6]。

D2D通信技術(shù)是一種短距離的通信技術(shù)，通過(guò)D2D通信技術(shù)，數(shù)據(jù)之間的實(shí)時(shí)傳輸?shù)靡杂行У膶?shí)現(xiàn)，不同終端之間也可以實(shí)現(xiàn)直接傳輸。相比于其他的通信技術(shù)，D2D通信技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于資源的節(jié)約性同時(shí)還可以在最大程度上降低信息傳輸過(guò)程當(dāng)中所受到的干擾，在降低信息傳輸成本降低傳輸能耗方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前階段我國(guó)已經(jīng)加大了對(duì)D2D通信技術(shù)的研究，并取得了一定的進(jìn)展，D2D通信已經(jīng)在LTE-A的R12版本中獲得正式立項(xiàng)，3GPP計(jì)劃在R13版本(2015年結(jié)束)之前完成D2D在一些典型場(chǎng)景下的標(biāo)準(zhǔn)化工作。但是D2D技術(shù)目前還存在一些問(wèn)題需要研究人員進(jìn)行進(jìn)一步的探索。例如D2D網(wǎng)絡(luò)還需要進(jìn)一步提升信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性，此外，D2D通信技術(shù)對(duì)于無(wú)線資源的管理問(wèn)題也存在著較大的問(wèn)題。

（二）綠色通信技術(shù)

在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，最為鮮明的一個(gè)亮點(diǎn)就在于綠色通信技術(shù)。將智能化引入到5G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，可以在充分保障用戶(hù)體驗(yàn)的前提之下有效的解決網(wǎng)絡(luò)部署當(dāng)中的能源節(jié)約問(wèn)題。根據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前階段移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)所消耗的能源占全球能源消耗總量的10%左右[7]。而在移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，能耗最大的地方就在于各種基站，基站的能源消耗能夠占到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的50%左右，因此，5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)綠色通信技術(shù)進(jìn)行了一定的研究。若想實(shí)現(xiàn)真正的綠色通信，首先必須要解決的一個(gè)問(wèn)題在于單個(gè)基站能耗的降低，基于此種情況，我們首先需要以網(wǎng)絡(luò)調(diào)度為基本出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)覆蓋范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)使用情況動(dòng)態(tài)的對(duì)資源進(jìn)行調(diào)度并進(jìn)行功率的控制。當(dāng)前階段國(guó)內(nèi)外關(guān)于綠色通信技術(shù)已經(jīng)有了一定的解決方案，例如MIMO-DFDMA系統(tǒng)中高能效的空時(shí)資源配置等。但是這些方案還都處于起步階段，在實(shí)際的使用過(guò)程當(dāng)中還無(wú)法徹底的實(shí)現(xiàn)綠色通信，若想實(shí)現(xiàn)真正的綠色通信，必須要建立高能效信息傳輸機(jī)制。需要更新各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及其組成部件、外圍設(shè)備，這是一大應(yīng)用難點(diǎn)。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(jí)研究階段[8]。

（三）大規(guī)模MIMO系統(tǒng)

MIMO系統(tǒng)是指在系統(tǒng)的發(fā)射端與接收端設(shè)置多個(gè)天線，從而形成完整的MIMO信息傳輸通道。發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線可以使得無(wú)線信息通道具有高度的自由性，同時(shí)也可以有效提高信息數(shù)據(jù)的容量，在寬度與發(fā)送能耗不大幅度增加的前提之下，MIMO可以使得系統(tǒng)的信息傳輸量以及傳輸距離得以有效的增加，因此，MIMO技術(shù)在最近幾年當(dāng)中受到了人們的廣泛關(guān)注。

當(dāng)前階段所使用的IMT-Advanced技術(shù)就已經(jīng)采用了MIMO的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過(guò)無(wú)線信道有效的提升了頻譜效率。但是在4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的MIMO還不能充分滿(mǎn)足能量效率與頻譜效率的有效提升要求，但是通過(guò)部署大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)則可以有效的解決這一問(wèn)題。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是以傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)為支撐，通過(guò)在基站附近配置大量的天線從而使得可以同時(shí)服務(wù)于多個(gè)不同的用戶(hù)。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的一個(gè)較為鮮明的特征就在于使用簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼和檢測(cè)方法，噪聲和快速衰落對(duì)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(guò)在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)厥褂枚嘤脩?hù)MIMO，避免了復(fù)雜的調(diào)度算法，也簡(jiǎn)化了MAC層設(shè)計(jì)[9]。如果適當(dāng)增加反饋比特，系統(tǒng)容量會(huì)

顯著提升。這些優(yōu)勢(shì)使得大規(guī)模MIMO系統(tǒng)成為5G的一大潛在關(guān)鍵技術(shù)。

四、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前階段隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于信息的需求量不斷增加，移動(dòng)通信作為人們獲取信息的一個(gè)重要途徑，在信息搜集方面具有非常重要的作用，因此，人們迫切的希望提高移動(dòng)通信的速度與質(zhì)量，現(xiàn)階段的4G通信技術(shù)已經(jīng)逐漸無(wú)法滿(mǎn)足人們的實(shí)際需求，在這樣的背景下5G通信技術(shù)即將走向歷史舞臺(tái)。本文對(duì)5G移動(dòng)通信平臺(tái)進(jìn)行了研究，并研究了其中的關(guān)鍵技術(shù)，希望可以對(duì)我國(guó)的5G移動(dòng)通訊的發(fā)展有所幫助。

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