5G網絡架構與關鍵技術研究

劉明天

安徽大學安徽合肥230601

5G網絡架構與關鍵技術研究

劉明天

安徽大學安徽合肥230601

隨著在過去的十年當中，我國的網絡技術不斷發(fā)展，尤其是在移動通訊技術方面取得了較大的進展，從現(xiàn)階段已經被淘汰的1G移動通訊技術到現(xiàn)在較為普及的4G移動通訊技術，我國的移動通訊技術已經經歷了翻天覆地的變化。相比于3G網絡，4G移動通訊在上網速度以及質量方面取得了較大的進展，從而滿足了當前人們對網絡的基本需求。但是隨著大數(shù)據時代的帶來，網絡的數(shù)據規(guī)模不斷增加，同時網絡速度也受到了一定的限制，現(xiàn)階段人們對于移動通訊的需求不斷增加，在這樣的背景下4G移動通訊技術已經逐漸無法滿足人們的使用需求，在這樣的背景下5G移動通訊網絡逐漸開始走上歷史舞臺。在本文當中筆者論述了5G移動通信網絡的架構以及其中的關鍵技術。

5G網絡；移動通信；架構；關鍵技術

一、引言

在現(xiàn)代社會當中網絡已經成為人們生活當中最重要的組成部分，同時隨著網絡的不斷發(fā)展，人們對信息的需求量不斷增大，同時在人們的日常生活當中所發(fā)揮的作用也逐漸變大，信息在現(xiàn)代社會當中已經成為維持社會正常運轉的重要工具。移動通訊技術由于使用的廣泛性以及接入的便利性，在未來的應用當中必然將不會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)網當中，從而實現(xiàn)物與物之間的信息交流，由此可見，現(xiàn)階段的人們對于信息的不同需求都在不斷增長當中，4G移動通信技術已經逐漸無法滿足人們的日常需求，基于此種情況，開發(fā)5G移動通信技術已經具有了非常大的必要性。當前階段5G移動通信網絡在頻率、技術以及運營方面都面臨著較大的挑戰(zhàn)，因此，5G技術必然會成為接下來一段時間內學術界研究的重點內容。各種新的應用場景，新的業(yè)務類型，新的終端設備，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)務和關鍵技術指標，為5G技術發(fā)展和系統(tǒng)設計指引方向[1]。

二、5G簡介

在未來5G在以下五個方面當中必將有非常大的應用：物聯(lián)網、實時連接、提高用戶體驗、超高速通信以及大規(guī)模人群同時使用。同時根據現(xiàn)階段的研究，5G網絡必須要滿足以下五個基本需求：信息的傳輸速度需要達到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、網絡容量需要提高1000倍、延遲需要小于5毫秒。由此可見相對于4G移動通訊來說，5G并不是僅僅意味著上網速度的提升，同時還意味著更好的用戶體驗以及更多的網絡應用[2]。為了使得5G網絡的資源與應用配置成本有效降低，同時使得其智能化的不斷提高，目前研究人員已經明確了一些具體的走向，主要如下圖1中所示。

圖一 5G網絡在未來的發(fā)展趨勢圖

從上圖當中我們可以發(fā)現(xiàn)5G網絡在未來的發(fā)展趨勢。主要包含以下幾個方面的內容：第一，無線接入技術的不斷發(fā)展，在5G網絡當中有可能會采用非正交多址接入技術，這對資源利用效率的改善具有非常重要的意義。第二，蜂窩網的覆蓋范圍必將不斷縮小，由于小蜂窩技術的不斷前進，在未來的網絡技術當中蜂窩網的覆蓋范圍縮小已經是大勢所趨，尤其實在一些商業(yè)化程度相對較高的地區(qū)，小蜂窩網往往呈現(xiàn)出密集或者超密集分布的特點，因此5G移動通訊必然也會采取這樣的模式。第三，為了提高資源的利用效率與用戶對數(shù)據傳輸速度的要求，5G移動通信當中必然會混合使用蜂窩與不同技術特征的接入方式，即所謂的異構性。第四，智能化發(fā)展，5G通信網絡為了保證異構網絡當中的能源節(jié)約，同時保證用戶體驗，會將智能化引入到架構當中[3]。

三、5G網絡架構

目前國內外的學者對于5G網絡架構具有一致的認識，即通過現(xiàn)有的RAT演進添加新的技術而得到的。雖然從世界范圍內來看，關于5G的相關研究還處于起步階段，但是已經取得了一定的成果，例如當前階段的研究人員提出了一種新型異構的LTE-B網絡架構。筆者在對現(xiàn)階段關于5G的相關研究所得出的結論之上研究了5G網絡的基本架構。筆者認為，在未來的5G網絡當中會被分為三個不同的模塊：網絡部署場景、接入網以及核心網。

（一）網絡部署場景

在進行網絡場景的部署過程當中，我們需要將室內場景與室外場景區(qū)分開來。在進行室內場景的部署過程當中，用戶可以通過室外天線當中所安裝的AP實現(xiàn)通信，通過這種方式就可以充分利用短距離通信的優(yōu)勢實現(xiàn)信息的高速傳輸。在進行十萬網絡場景的部署當中，可以通過MIMO基站與分布式天線實現(xiàn)，大部分的分布式天線都是通過光釬與基站連接在一起，同時分布式天線在小區(qū)當中也是廣泛分散的。而通過在終端部署Mobile-Femtocell，則可以實現(xiàn)與核心網絡的動態(tài)連接。在這個過程當中還需要部署一定數(shù)量的虛擬蜂窩作為補充，從而使得室外的覆蓋率得以有效的提升[4]。

（二）接入網的設計

在進行接入網的設計過程當中需要注意以下幾個特點：第一，多種接入技術的融合：主要包括2G、3G、4G以及wify等多種接入方式，再接入的過程當中可以使用單一的無線控制器進行接入。第二，通過基站實現(xiàn)虛擬資源的分配：在部署集中式基站的基礎之上，SDR會逐漸實現(xiàn)對基帶的處理，并逐漸向實時云架構的虛擬化基站轉變。第三，內容邊緣緩存和投遞，傳統(tǒng)移動網絡當中的內容存儲與分發(fā)功能會被轉移到接入網當中去，并根據用戶的實際需求進行信息的推送，從而不斷提高用戶體驗。第四，優(yōu)化數(shù)據傳輸?shù)穆窂剑瑫r實現(xiàn)數(shù)據平面的扁平化發(fā)展[5]。

（三）核心網的設計

在5G移動網絡當中，核心網的變革主要是由NFV與SDN所驅動的，主要包含以下幾個不同的特點：第二，控制與轉發(fā)分離發(fā)展，SDN與傳統(tǒng)的網絡體系之間存在著較大的差異，在傳統(tǒng)的網絡體系當中控制與轉發(fā)是一體的，但是在SDN當中，集中式網絡控制器可以實現(xiàn)網絡分離之后的數(shù)據流量的分配，從而實現(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的補充性技術，是一種新的建立端到端網絡基礎設施的方式。

圖2 5G網絡架構

三、5G當中的關鍵技術

（一）D2D通信技術

當前階段，隨著我國技術的不斷發(fā)展，社交媒體等不同形式的媒體在社會當中廣泛的流行起來，并進一步激發(fā)了人們對于近距離數(shù)據傳輸?shù)膶嶋H需求。但是當前階段所使用的蜂窩網在覆蓋范圍、數(shù)據容量以及能耗方面都存在著較大的問題，同時通信過程較為呆板，缺乏足夠的靈活性，實際的業(yè)務發(fā)展所需要的可靠性與實時性得不到充分的保障，因此，在5G網絡當中使用D2D通信技術就顯得尤為必要，這也是5G網絡當中的核心技術之一[6]。

D2D通信技術是一種短距離的通信技術，通過D2D通信技術，數(shù)據之間的實時傳輸?shù)靡杂行У膶崿F(xiàn)，不同終端之間也可以實現(xiàn)直接傳輸。相比于其他的通信技術，D2D通信技術的最大優(yōu)點在于資源的節(jié)約性同時還可以在最大程度上降低信息傳輸過程當中所受到的干擾，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。當前階段我國已經加大了對D2D通信技術的研究，并取得了一定的進展，D2D通信已經在LTE-A的R12版本中獲得正式立項，3GPP計劃在R13版本(2015年結束)之前完成D2D在一些典型場景下的標準化工作。但是D2D技術目前還存在一些問題需要研究人員進行進一步的探索。例如D2D網絡還需要進一步提升信息傳輸?shù)膶崟r性與可靠性，此外，D2D通信技術對于無線資源的管理問題也存在著較大的問題。

（二）綠色通信技術

在5G移動通信網絡當中，最為鮮明的一個亮點就在于綠色通信技術。將智能化引入到5G網絡當中，可以在充分保障用戶體驗的前提之下有效的解決網絡部署當中的能源節(jié)約問題。根據最新的統(tǒng)計數(shù)據顯示，當前階段移動通信產業(yè)所消耗的能源占全球能源消耗總量的10%左右[7]。而在移動通信產業(yè)當中，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網絡的50%左右，因此，5G網絡對綠色通信技術進行了一定的研究。若想實現(xiàn)真正的綠色通信，首先必須要解決的一個問題在于單個基站能耗的降低，基于此種情況，我們首先需要以網絡調度為基本出發(fā)點，通過對覆蓋范圍內的網絡使用情況動態(tài)的對資源進行調度并進行功率的控制。當前階段國內外關于綠色通信技術已經有了一定的解決方案，例如MIMO-DFDMA系統(tǒng)中高能效的空時資源配置等。但是這些方案還都處于起步階段，在實際的使用過程當中還無法徹底的實現(xiàn)綠色通信，若想實現(xiàn)真正的綠色通信，必須要建立高能效信息傳輸機制。需要更新各類網絡節(jié)點及其組成部件、外圍設備，這是一大應用難點。高能效傳輸機制雖然已經得到工業(yè)界和學術界的廣泛關注，但尚處于初級研究階段[8]。

（三）大規(guī)模MIMO系統(tǒng)

MIMO系統(tǒng)是指在系統(tǒng)的發(fā)射端與接收端設置多個天線，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天線可以使得無線信息通道具有高度的自由性，同時也可以有效提高信息數(shù)據的容量，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技術在最近幾年當中受到了人們的廣泛關注。

當前階段所使用的IMT-Advanced技術就已經采用了MIMO的數(shù)據傳輸技術，通過無線信道有效的提升了頻譜效率。但是在4G移動通信網絡當中的MIMO還不能充分滿足能量效率與頻譜效率的有效提升要求，但是通過部署大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)則可以有效的解決這一問題。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是以傳統(tǒng)的MIMO技術為支撐，通過在基站附近配置大量的天線從而使得可以同時服務于多個不同的用戶。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的一個較為鮮明的特征就在于使用簡單的線性預編碼和檢測方法，噪聲和快速衰落對系統(tǒng)的影響將逐漸消失，因此小區(qū)內干擾也得到了降低。通過在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中適當?shù)厥褂枚嘤脩鬗IMO，避免了復雜的調度算法，也簡化了MAC層設計[9]。如果適當增加反饋比特，系統(tǒng)容量會

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

四、結語

當前階段隨著社會的不斷發(fā)展，人們對于信息的需求量不斷增加，移動通信作為人們獲取信息的一個重要途徑，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通信的速度與質量，現(xiàn)階段的4G通信技術已經逐漸無法滿足人們的實際需求，在這樣的背景下5G通信技術即將走向歷史舞臺。本文對5G移動通信平臺進行了研究，并研究了其中的關鍵技術，希望可以對我國的5G移動通訊的發(fā)展有所幫助。

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[3]趙國鋒,陳婧,韓遠兵,徐川.5G移動通信網絡關鍵技術綜述[J].重慶郵電大學學報(自然科學版),2015,04:441-452.

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[5]CHEN Shanzhi,SUN Shaohui,WANG Yingmin,XIAO Guojun,Rakesh Tamrakar.A Comprehensive Survey of TDDBased Mobile Communications Systems from TD-SCDMA 3G to TDLTE-Advanced 4G and 5G directions[J].中國通信, 2015,02:40-60.

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