董春利 王莉

摘 要：SG網(wǎng)絡(luò)具有3個獨(dú)特的特點：無處不在的連通性，非常低的延遲和非常高速的數(shù)據(jù)傳輸。文章闡述了SG網(wǎng)絡(luò)的愿景，主要有海量數(shù)據(jù)流和高數(shù)據(jù)速率，無處不在的連接和零延遲。此外，從可擴(kuò)展性和靈活性，低延遲和高可靠性，網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化和服務(wù)質(zhì)量等方面，討論了SG網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：SG網(wǎng)絡(luò)；高數(shù)據(jù)速率；低延遲；網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化

4G網(wǎng)絡(luò)不足以支持具有低延遲和顯著頻譜效率的大規(guī)模連接設(shè)備，這對未來的通信和計算將是至關(guān)重要的。一些文獻(xiàn)討論了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后的關(guān)鍵方面，從而激勵了5G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)。

對于大量數(shù)據(jù)傳輸而言，用戶數(shù)量的增加和相應(yīng)的帶寬需求激增，勢必要對當(dāng)前技術(shù)進(jìn)行新穎的增強(qiáng)。本文重點討論未來SG網(wǎng)絡(luò)的愿景和面臨的挑戰(zhàn)。

1 5G網(wǎng)絡(luò)的愿景

設(shè)備可擴(kuò)展性急劇上升。預(yù)計智能手機(jī)、游戲機(jī)、高分辨率電視機(jī)、照相機(jī)、家用電器、筆記本電腦、連接運(yùn)輸系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)器人、傳感器和可穿戴設(shè)備（手表和眼鏡）的快速增長有望在不遠(yuǎn)的將來持續(xù)呈指數(shù)增長。因此，5G網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為支持大規(guī)模連接的設(shè)備。

1.1 海量數(shù)據(jù)流和高數(shù)據(jù)速率

大量無線設(shè)備的大幅增長當(dāng)然會導(dǎo)致更多的數(shù)據(jù)交易（例如視頻、音頻、網(wǎng)頁瀏覽、社交媒體數(shù)據(jù)、游戲、實時信號、照片、突發(fā)數(shù)據(jù)和多媒體），這將比2014年增加100倍，并會使當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)過重。因此，在新的架構(gòu)、方法、技術(shù)以及室內(nèi)和室外用戶的數(shù)據(jù)分布方面，必須具有匹配的數(shù)據(jù)傳輸能力。

1.2 頻譜利用率

從頻譜利用的角度來看，兩個不同的信道，一個用于上行信道（Uplink Channel，UL），另一個用于下行信道（Downlink Channel，DL），似乎是多余的。此外，目前分配的頻譜其重要的部分有利用不足的問題。因此，有必要開發(fā)一種可以提高頻譜利用率的接入控制方法。此外，頻譜利用率和效率已經(jīng)達(dá)到最大，它明確要求頻譜展寬（高于3 GHz）以及新的頻譜利用技術(shù)。

1.3 無處不在的連接

由于全球不相同的操作頻帶，無處不在的連接要求用戶支持各種無線電，多無線電接入技術(shù)和頻帶。另外，時分雙工（例如印度和中國）與頻分雙工（例如美國和歐洲）之間的主要市場分裂，使得用戶需要支持不同的雙工選項。因此，5G網(wǎng)絡(luò)被設(shè)想為通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的用戶提供無縫連接。

1.4 零延遲

未來移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)有望協(xié)助眾多實時應(yīng)用，觸覺互聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)各不相同的服務(wù)質(zhì)量（QoS）（在帶寬、延遲、抖動、分組丟失和數(shù)據(jù)包延遲）和QoE（就用戶和網(wǎng)絡(luò)提供商的服務(wù)滿意度與反饋而言）。因此，5G網(wǎng)絡(luò)被設(shè)想為實現(xiàn)具有最優(yōu)的QoS和QoE體驗的實時和延遲有限的服務(wù)。

2 5G網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)的愿景并不是微不足道的，存在一些挑戰(zhàn)，如下所述。

2.1 數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)展以及能量優(yōu)化

在一個地理區(qū)域內(nèi)部署更多的基站，使用更高頻率的頻段，以及鏈路改善可支持網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)展，數(shù)十億個用戶，高數(shù)據(jù)速率，高數(shù)據(jù)量以及有效的回程數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)絡(luò)。然而，這些解決方案的實施在經(jīng)濟(jì)和能量攝入方面是一項麻煩的工作。因此，網(wǎng)絡(luò)容量需要顯著增加，嚴(yán)格控制能源消耗和成本。

2.2 可擴(kuò)展性和靈活性是未來移動通信最突出的特點

未來的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施和方法必須設(shè)計為在異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中工作。而且，大量的潛在用戶可能同時請求一組服務(wù)。因此，5G網(wǎng)絡(luò)必須足夠強(qiáng)大，以支持整個覆蓋區(qū)域的可擴(kuò)展用戶需求。

2.3 UL和DL的單通道

全雙工無線電僅使用單個信道以相同的時間和頻率發(fā)送和接收信號。因此，全雙工系統(tǒng)具有與不同的UL和DL信道相同的性能，從而增加了連接容量，節(jié)省頻譜和成本。然而，全雙工系統(tǒng)的實現(xiàn)并不是微不足道的，因為現(xiàn)在無線電必須使用復(fù)雜的協(xié)議來處理物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，以及去除干擾影響的機(jī)制。

2.4 處理干擾

處理通信設(shè)備間的干擾是無線通信中眾所周知的挑戰(zhàn)。由于越來越多的用戶、技術(shù)（如HetNet，CRN，全雙工和D2D通信）和應(yīng)用，SG網(wǎng)絡(luò)中的干擾也會增加，并且最先進(jìn)的技術(shù)對未來的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可能無法很好地發(fā)揮作用。在5G網(wǎng)絡(luò)中，用戶可能接收來自多個宏小區(qū)基站（MultipleBase Stations，MBS）各種用戶和微小區(qū)基站（Small BaseStations，SBS）的干擾。因此，需要開發(fā)一個有效的（在避免網(wǎng)絡(luò)過載方面）以及可靠的（在完善的干擾檢測和解碼方面）干擾管理技術(shù)用于信道分配、功率控制、小區(qū)關(guān)聯(lián)、負(fù)載均衡等。

2.5 環(huán)保

目前的無線接入網(wǎng)絡(luò)（Radio Access Network，RAN）消耗總功率的70%～80%。無線技術(shù)消耗大量的能量，導(dǎo)致巨大的二氧化碳排放量和成本，這是對環(huán)境的嚴(yán)重威脅。因此，需要開發(fā)高效節(jié)能的通信系統(tǒng)、硬件和技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能源消耗之間的比例公平。

2.6 低延遲和高可靠性

在一些實時應(yīng)用中，低延遲和高可靠性非常關(guān)鍵，例如機(jī)器人監(jiān)控病人，生命安全系統(tǒng)，基于云的游戲，核反應(yīng)堆，傳感器，無人機(jī)和聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)輸系統(tǒng)的信息傳輸。然而，由于它需要開發(fā)提供快速連接，快速切換和高數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)，并且不增加網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施成本，這將是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡脱舆t性和高可靠性的極大挑戰(zhàn)。

2.7 網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化

諸如峰值數(shù)據(jù)速率，地理覆蓋范圍，頻譜效率，QoS，QoE，連通性，節(jié)能，延遲，可靠性，用戶公平性和實現(xiàn)復(fù)雜性等性能參數(shù)對蜂窩網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。因此，5G網(wǎng)絡(luò)的總體框架應(yīng)該大大優(yōu)化這些參數(shù)。然而，在所有參數(shù)之間存在一些折衷，這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了聯(lián)合優(yōu)化算法的需要。

2.8 經(jīng)濟(jì)影響

未來移動通信技術(shù)的革命性變化是對用戶參與的部署和激勵產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)影響。由于經(jīng)濟(jì)的提升，提供全新的基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。因此，基礎(chǔ)設(shè)施的部署、維護(hù)、管理和運(yùn)行成本必須由政府、管理機(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商承擔(dān)。同樣，使用D2D通信的成本也應(yīng)該是可行的，所以涉及D2D通信的設(shè)備不應(yīng)該比使用BS的服務(wù)收費(fèi)更多。此外，預(yù)計的收入增長要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于交通增長。因此，開發(fā)5G網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和用戶都需要親手參與。

2.9 高移動性和切換

5G無線用戶意味著頻繁地從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)，或者從一個多無線電接入技術(shù)（Radio AccessTechnology，RAT）（例如3G，4G，SG，WiFi，藍(lán)牙和WLAN）移動到另一個時，維持一個活動的服務(wù)連接。當(dāng)用戶在移動車輛內(nèi)，即使在非常高的速度下，為無線服務(wù)的流動適應(yīng)性也不應(yīng)退避。而且，在特定的時間間隔內(nèi)，許多用戶從一個地方移動到另一個地方。例如早上從住宅區(qū)移到辦公室。因此，SG網(wǎng)絡(luò)設(shè)想以最好的方式使用頻譜，并能應(yīng)對設(shè)備移動的速度。

2.10 服務(wù)質(zhì)量

5G網(wǎng)絡(luò)中的QoS保證具有固有的困難，如節(jié)點移動性、多跳通信、資源分配以及缺乏中心協(xié)調(diào)。另外，在5G網(wǎng)絡(luò)中，大量的突發(fā)和多媒體數(shù)據(jù)，多RAT以及針對不同應(yīng)用和服務(wù)的低延遲限制，是實現(xiàn)期望的QoS的主要障礙。因此，設(shè)計快速有效的算法來保持實時的QoS，而不會過載某個BS是具有挑戰(zhàn)性的。

3 結(jié)語

SG網(wǎng)絡(luò)的革命性視野及其后發(fā)優(yōu)勢，需要新的架構(gòu)、方法和技術(shù)。SG網(wǎng)絡(luò)不會僅僅是按照附加容量的4G網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)，它們將包含一個系統(tǒng)架構(gòu)，可視化、概念化和重新設(shè)計的通信層。