古孝紅 王海濤

南京審計(jì)大學(xué)金審學(xué)院

0 引言

從1G 到4G，人與人之間的通信是移動(dòng)通信的核心，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，未來網(wǎng)絡(luò)通信不再僅限于人與人之間，而是開始轉(zhuǎn)向人與物之間的通信以及機(jī)器與機(jī)器的通信。5G 技術(shù)從研究走向落地應(yīng)用是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，不可避免地要考慮現(xiàn)有2G/3G/4G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和新部署的5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同融合問題。5G 是基于SDN、NFV 等更加智能化、扁平化和開放性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。5G 的一個(gè)典型場(chǎng)景是長(zhǎng)期共存的多種接入網(wǎng)絡(luò)、多種頻譜接入、熱點(diǎn)區(qū)域密集部署的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)，和大規(guī)模設(shè)備等一起組合成了多層次的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)。5G 將滲透到未來生活的各個(gè)領(lǐng)域，未來5G 網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用在教育、工業(yè)、環(huán)境、交通、醫(yī)療等諸多方面，實(shí)現(xiàn)真正的全覆蓋。針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)不同功能平面進(jìn)行劃分，分成接入平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)支持不同的協(xié)議和技術(shù)，面向不同的應(yīng)用場(chǎng)景和用戶，其核心思想是讓一切自由聯(lián)通；多模終端可以在同一時(shí)刻下接入多個(gè)不同類型的網(wǎng)絡(luò)，在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行切換，通常分為水平切換和垂直切換。從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面考慮，在今后一段時(shí)間內(nèi)，不會(huì)由單一的網(wǎng)絡(luò)滿足用戶對(duì)通信服務(wù)多種多樣的需求。網(wǎng)絡(luò)為用戶提供了種類繁多的通信方式、接入手段和無處不在的接入服務(wù)，但是如果不能做到讓用戶有完美的端到端服務(wù)質(zhì)量（QoS）體驗(yàn)，就說明不能充分利用不同類型的網(wǎng)絡(luò)所具有的不同優(yōu)勢(shì)，就難以對(duì)異構(gòu)無線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合。所以對(duì)5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合關(guān)鍵技術(shù)研究勢(shì)在必行，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合將成為未來網(wǎng)絡(luò)中信息通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。

早在2015 年6 月，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）正式確定了5G的概念和演進(jìn)路線。當(dāng)前，全球運(yùn)營(yíng)商都迅速開始5G 部署計(jì)劃，5G 的發(fā)展速度和部署規(guī)模超乎想象。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，全球的3G 移動(dòng)用戶累計(jì)達(dá)到5 億規(guī)模用了10 年時(shí)間，而4G僅用了5 年，照此推論5G 只需3 年。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的研究熱點(diǎn)集中在（1）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)多模式的可配置性研究；（2）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)、認(rèn)證、安全；（3）異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)等。

要真正達(dá)到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的高效無縫融合，還有諸多難題需要解決。本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)融合、終端融合、業(yè)務(wù)融合進(jìn)行了探討，并闡述了5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合模式

各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相互交疊，共同滿足用戶無縫接入的需求。在無線網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的WiFi 技術(shù)與5G 的融合將會(huì)極大提高信息傳輸?shù)男?。?duì)于5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合來說，主要分為三個(gè)方面網(wǎng)絡(luò)融合、終端融合和業(yè)務(wù)融合。

1.1 網(wǎng)絡(luò)融合

網(wǎng)絡(luò)融合又包括三網(wǎng)融合、固定移動(dòng)融合和異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)融合。

三網(wǎng)融合指的是電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)在向下一代互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)過程中，三大網(wǎng)絡(luò)通過改造，技術(shù)功能趨于一致，業(yè)務(wù)范圍趨于相同。三網(wǎng)融合有很廣泛的應(yīng)用，比如智能家居、公共安全、政府工作、環(huán)境保護(hù)等。三網(wǎng)融合后，僅靠一個(gè)終端就能操作各種連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，比如一個(gè)終端就能夠完成通信、操作冰箱、開啟熱水器和空調(diào)、看電視、打電話等。

固定移動(dòng)融合（FMC）是將固定和移動(dòng)通信業(yè)務(wù)融合在一起的技術(shù)。對(duì)每一個(gè)用戶來說，終端的移動(dòng)性、便攜性和網(wǎng)絡(luò)速率等才是真正的需求。用戶一方面希望移動(dòng)終端有固網(wǎng)的高速率，另一方面希望使用便攜式計(jì)算機(jī)時(shí)，能享受其無所不在的服務(wù)，而通過手機(jī)使用無線網(wǎng)的用戶，將會(huì)隨著未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展不斷增加。用戶對(duì)移動(dòng)性有很大的期望，也同樣期望得到和固定網(wǎng)絡(luò)一樣的速率。所以，用戶對(duì)固定移動(dòng)融合的需求是很強(qiáng)烈的。

通信發(fā)展到現(xiàn)在，從最初的電報(bào)到有線的電話，再到無線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，直到今天各類無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，這些無線網(wǎng)絡(luò)共同為用戶提供多種類型的服務(wù)。在未來網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)由多類型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為用戶提供通信服務(wù)需求。5G 與異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的無縫對(duì)接，能夠更充分滿足人類對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的需求。

1.2 終端融合

未來無線通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是多重標(biāo)準(zhǔn)、多種制式。在此基礎(chǔ)上用戶可擁有的終端設(shè)備也會(huì)隨著科技的發(fā)展而越來越豐富，不僅僅包括手機(jī)，甚至家電、汽車、公共服務(wù)設(shè)備等。在5G 網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)之前的家居系統(tǒng)，只是簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程操控，不僅相當(dāng)不穩(wěn)定的，而且功能較少。隨著5G 的演進(jìn)，多種終端設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，智能家居系統(tǒng)不再是憑空想象。

1.3 業(yè)務(wù)融合

從通信層面來說，業(yè)務(wù)融合最大的目的是讓用戶可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間通過任何方式平滑地接入到不同類型的網(wǎng)絡(luò)中，自由訪問所簽約的業(yè)務(wù)，提供用戶需要的服務(wù)。目前比較常用的業(yè)務(wù)融合，一種是移動(dòng)固定網(wǎng)絡(luò)的融合，主要是不同接入方式的融合，連帶解決移動(dòng)、固網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)多年以來業(yè)務(wù)的差異化問題；另一種是通信和IP 網(wǎng)絡(luò)的融合，主要是解決傳統(tǒng)通信與IT 兩個(gè)領(lǐng)域中業(yè)務(wù)模式的集成、融合。業(yè)務(wù)融合的通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以業(yè)務(wù)為中心、以統(tǒng)一認(rèn)證、授權(quán)及計(jì)費(fèi)為支撐的開放網(wǎng)絡(luò)。

2 5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合關(guān)鍵技術(shù)

2.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)架構(gòu)

GSMA 認(rèn)為到2025 年，5G 連接數(shù)將達(dá)到12 億。所以在5G時(shí)代，大規(guī)模連接必不可少。如圖1所示，在5G演進(jìn)過程中，超密集網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模連接、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，各種有線、無線網(wǎng)絡(luò)及多種設(shè)備等共同構(gòu)成了多層次、高密度的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)架構(gòu)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵技術(shù)主要包括無線傳輸技術(shù)、多址技術(shù)、調(diào)制編碼技術(shù)、切換技術(shù)、資源管理技術(shù)等。

圖1 多層次、高密度的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 無線傳輸技術(shù)

近年來移動(dòng)通信技術(shù)迅猛發(fā)展，人們更傾向于使用無線網(wǎng)絡(luò)。使用無線傳輸技術(shù)有很多的好處，比如能擺脫線纜的束縛，在設(shè)備維護(hù)方面比較方便，設(shè)備安裝周期較短，擴(kuò)容性較強(qiáng)，并且適用于室外距離較遠(yuǎn)、施工條件比較艱苦的場(chǎng)景，維護(hù)費(fèi)用低，前端設(shè)備即插即用，不需要為了傳輸而特意去鋪設(shè)另外的網(wǎng)絡(luò)線路、增加多余的設(shè)備。5G 通信是依靠無線接入的方式來實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，所以在5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中無線傳輸技術(shù)是很重要的組成部分。

2.3 多址技術(shù)

2.4 調(diào)制編碼技術(shù)

2G/3G/4G 每個(gè)階段的調(diào)制編碼技術(shù)都是不一樣的。相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)了兩種比較適合5G 編碼標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼技術(shù)，LDPC 碼和Polar 碼。由于LDPC 的譯碼器是基于高效的并行譯碼架構(gòu)，所以在硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及功耗方面都比Turbo 碼有優(yōu)勢(shì)。3GPP在5G時(shí)代選擇了LDPC作為數(shù)據(jù)信道編碼方案，Polar 作為廣播和控制信道編碼方案。

2.5 網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)

多融合網(wǎng)絡(luò)的情況下，用戶需要考慮實(shí)際需求，優(yōu)先選擇適合的接入網(wǎng)絡(luò)，以此提升網(wǎng)絡(luò)性能，增強(qiáng)用網(wǎng)體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)切換分為垂直切換和水平切換兩種，不過水平切換的限制性條件比較多，使用起來不靈活。用戶在不同類型網(wǎng)絡(luò)之間的切換被稱為垂直切換，即在移動(dòng)終端因?yàn)槟承┰蛐枰淖兘尤朦c(diǎn)時(shí)，還能繼續(xù)維持用戶通信的過程。在未來多種類型的無線網(wǎng)絡(luò)共存的環(huán)境下，要達(dá)到用戶對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的高要求、嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，必須要確保用戶在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)能一直保持通信狀態(tài)，這也對(duì)切換管理技術(shù)有了更高的要求。

2.6 資源管理技術(shù)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中資源管理技術(shù)的研究重點(diǎn)包括呼叫接入控制算法、垂直切換算法、異構(gòu)資源分配算法和網(wǎng)絡(luò)選擇算法等四個(gè)方面。隨著更多移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模興建，大量的能源消耗和環(huán)境污染已經(jīng)成為通信界急需解決的問題。采用新的綠色無線資源管理技術(shù)能夠更大程度地降低能耗，降低對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境帶來的負(fù)面影響。綠色和低碳一直以來都是社會(huì)所倡導(dǎo)的，相信在5G 時(shí)代無線資源管理技術(shù)也會(huì)有很大的發(fā)展空間。

2.6.1 呼叫接入控制

呼叫接入控制算法（CAC）直接關(guān)系到用戶能否得到良好的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)CAC 的有效性還在一定程度上對(duì)系統(tǒng)資源的利用率具有決定性作用。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中，每種網(wǎng)絡(luò)的特性不一樣，所以網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)種類較為復(fù)雜。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中，CAC 算法的研究應(yīng)用主要集中在蜂窩/WLAN融合系統(tǒng)中的呼叫接入控制，結(jié)合目前業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)的WLAN 優(yōu)先的算法或蜂窩/WLAN 融合的CAC 算法，考慮各網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)特性、用戶移動(dòng)性、多種業(yè)務(wù)類型、跨層設(shè)計(jì)等。這說明隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，CAC 算法的研究與應(yīng)用還將有其更廣泛的發(fā)展空間。

2.6.2 異構(gòu)資源分配

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)中，目前用得比較多的是分布式動(dòng)態(tài)信道資源分配算法。如果網(wǎng)絡(luò)流暢，會(huì)自動(dòng)給用戶此時(shí)正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)（如呼叫）分配更多的信道資源，而其他的不需要更多流量的操作（如發(fā)信息）便可以適當(dāng)減少信道資源的分配，從而減少信道帶寬的占用，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶的QoS 保證。當(dāng)接入的用戶過多，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁堵的時(shí)候，可以適當(dāng)減少系統(tǒng)中本來就已經(jīng)接入的呼叫，這樣既可以減少信道資源的占用，也能夠阻擋可能發(fā)生的通信中斷的情況，防止其他用戶的呼叫得不到接入，可以充分利用系統(tǒng)的資源使用率。

2.6.3 網(wǎng)絡(luò)選擇

在多種網(wǎng)絡(luò)并存的環(huán)境下，怎樣合理選擇某一個(gè)或者多個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入使用，保證網(wǎng)絡(luò)不卡頓，滿足用戶多種業(yè)務(wù)需求，同時(shí)保證服務(wù)質(zhì)量，一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。接入網(wǎng)絡(luò)選擇算法會(huì)細(xì)致分析異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)選擇的需求和特點(diǎn)，采用多目標(biāo)決策理論，考慮如何在有限資源的限制條件下，對(duì)比和衡量各類有效的方案，從中找到平衡方案。

2.7 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

5G 切片就是將5G 網(wǎng)絡(luò)切出多張?zhí)摂M網(wǎng)絡(luò)，從而支持更多業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片最大的優(yōu)點(diǎn)是能讓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商自己去定義或者去選擇每個(gè)切片的特性，這樣不僅能讓運(yùn)營(yíng)商把網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)用得更靈活，占用的資源更少，而且還能提高業(yè)務(wù)服務(wù)的效率。網(wǎng)絡(luò)切片還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，運(yùn)營(yíng)商不需要考慮網(wǎng)絡(luò)其他部分的性能就可以對(duì)切片進(jìn)行更改和增添。如圖2 所示，可以分為三類切片，每?jī)蓚€(gè)切片之間互不影響，是完全獨(dú)立的部分。5G 需要面向多連接與多樣化業(yè)務(wù)，需要部署更靈活，還要有智能化的分類管理，網(wǎng)絡(luò)切片就是這種按需組網(wǎng)的方式。

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片示意圖

3 5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合面臨的問題

5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中需要解決的難題主要是，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在融合過程中涉及移動(dòng)性管理、無線資源管理、服務(wù)質(zhì)量以及網(wǎng)絡(luò)安全等問題。

3.1 移動(dòng)性管理

用戶不可避免地會(huì)移動(dòng)位置、更換業(yè)務(wù)，這就要求網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性比較高，無論用戶位置如何變化，都能保證業(yè)務(wù)和通信質(zhì)量的連續(xù)性。在5G 移動(dòng)性管理中，最主要的問題就是由于切換而帶來的中斷時(shí)延。目前的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)區(qū)不能做到總是保持同步的狀態(tài)，所以在需要網(wǎng)絡(luò)切換的時(shí)候，必須得先進(jìn)行目標(biāo)區(qū)的下行同步。解決這個(gè)問題可以采取區(qū)下行同步的方案，如圖3 所示，多個(gè)終端可以直接利用源區(qū)的同步信息進(jìn)行接入，這樣可以減少切換過程中發(fā)生的中斷時(shí)延，也節(jié)約了時(shí)間。當(dāng)然，如果在切換過程中發(fā)生切換失敗的情況，就需要鏈路的一方及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到，并在最快的時(shí)間內(nèi)發(fā)起無線鏈路重建請(qǐng)求，對(duì)此可以提前建立備份鏈路以防止發(fā)生切換失敗。

3.2 無線資源管理

5G 網(wǎng)絡(luò)中，如果出現(xiàn)大規(guī)模連接，很可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)速率不均勻、負(fù)載控制不均衡等問題，此時(shí)無線資源管理的優(yōu)勢(shì)就顯示了出來。無線資源管理會(huì)靈活合理地分配可用資源，讓數(shù)據(jù)無障礙傳輸，最大程度地提高無線頻譜利用率。最重要的是，能夠有效防止因流量過多而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁堵。為了合理防止網(wǎng)絡(luò)擁塞，有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，需要設(shè)計(jì)出能夠更好地解決這些問題的方法，比較常用的有聯(lián)合無線資源管理和多無線資源管理。

3.3 服務(wù)質(zhì)量

無論使用的是第幾代的移動(dòng)通信技術(shù)，都離不開服務(wù)質(zhì)量（QoS）這個(gè)關(guān)鍵性話題，顯然，作為一個(gè)用戶，服務(wù)質(zhì)量是其關(guān)注的首要問題，研究者們也在致力于保證用戶的QoS。如果服務(wù)質(zhì)量得不到保證，那么對(duì)于用戶來說，就沒有很好的體驗(yàn)感，也達(dá)不到服務(wù)商預(yù)期的效果。針對(duì)這個(gè)問題，有幾種解決QoS 的算法，如TCP 連接分離方法、套接口網(wǎng)關(guān)解決方案、無線鏈路層解決方案等。

3.4 網(wǎng)絡(luò)安全問題

對(duì)于5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合來說，雖然相關(guān)的工作和措施逐漸完善，并且考慮到了很多應(yīng)用場(chǎng)景，但還是難以避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全問題。比如融合技術(shù)的問題、干擾協(xié)調(diào)的復(fù)雜性問題、頻譜資源問題、端到端數(shù)據(jù)通信過程中數(shù)據(jù)保密性問題等等。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不存在絕對(duì)的安全，安全只是相對(duì)來說的，任何技術(shù)都有可能存在漏洞，5G 時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)安全問題又有了新的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)束語

未來網(wǎng)絡(luò)是一種混合覆蓋的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其中廣域網(wǎng)覆蓋區(qū)域大、傳輸帶寬，局域網(wǎng)覆蓋范圍但是帶寬高，正是因?yàn)椴煌悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)的互補(bǔ)特性，各有優(yōu)劣勢(shì)，才使得異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合成為移動(dòng)通信發(fā)展演進(jìn)過程中一個(gè)熱門和有效的解決方案。本文討論了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，還指出了在融合過程中可能會(huì)出現(xiàn)的問題及解決方法。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的復(fù)雜性、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的多樣性、各網(wǎng)絡(luò)的差異性等特點(diǎn)給研究帶來了一定的挑戰(zhàn)。然而，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存，在不久的將來，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合關(guān)鍵技術(shù)的研究將會(huì)取得突破性進(jìn)展。