5G移動通信網絡發展探究（一）

柳虔林

（云南省軍區，昆明 650051）

5G移動通信網絡發展探究（一）

柳虔林

（云南省軍區，昆明 650051）

隨著移動通信和互聯網技術飛速發展，更高速、更便捷、更便宜、更低耗的移動互聯網已成為人們追求的目標。結合當今5G研究發展實際，在簡要介紹5G概貌特征基礎上，分析了5G網絡架構設計和關鍵技術，闡述了5G在4G基礎上的創新發展，旨在進一步推動這一新型移動通信網絡技術的研究和發展工作。

5G；移動通信網絡；移動互聯網

1 引言

自20世紀80年代以來，移動通信在信息通信舞臺上一直扮演著重要角色，在三十多年間，從基于頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）技術的1G、2G、3G發展到基于正交頻分多址（OFDMA）技術的4G，業務則從模擬語音、數字語音和低速數據、多媒體數據到移動寬帶數據拓展，成為連接人類社會的基礎信息網絡。移動通信的發展不僅深刻改變了人們的生活方式，而且成為世界各國推動經濟發展、提升社會信息化水平的重要引擎[1-3]。隨著信息通信技術的不斷發展，用戶對上網體驗要求越來越高，經歷了3G網上快速瀏覽后，很多用戶便無法忍受打開網頁的2G網速；經歷了4G“高速網絡沖浪”后，一些用戶又無法忍受3G上網看視頻屢遇卡殼的尷尬，加之云計算、人工智能、物聯網、車聯網、超高清視頻、虛擬現實（Virtual Reality, VR）、無人駕駛、智能家居等增值業務飛速發展，移動智能終端接入數量和數據流量均呈現爆發式增長，現有的4G在容量、速率、服務、頻譜、能耗等方面已經越來越難以滿足人們需求[4]。如果僅是對人的娛樂需求而言，低帶寬或許是可以容忍，但對機器通信而言，無人機、無人車或機器人和云計算之間通信帶寬只要跌落到一定程度，整個業務系統就會崩潰[5]。為此，各主要國家、行業組織、相關企業和科研院所紛紛投入大量人力、物力和財力尋求比4G更為優越的下一代移動通信網絡（5G），其研發工作取得了可喜進展[6-8]。本文在簡要介紹5G移動通信網絡概貌特征基礎上，對其網絡架構設計和關鍵技術進行分析，同時闡述了其在4G基礎上的創新發展。

2 概貌特征

在移動通信發展的三十年多年間，1G還談不上上網，2G網速如牛車一般，3G網速如高速行駛的汽車，4G網速則可視為高鐵，它實現了在任何地方、任何時間與任何人之間的通信聯系，但其發展并未就此止步，因為人們對通信的需求又更進了一步，信息通信技術的發展也在不斷前行，這便促使移動通信向下一代目標邁進。2015年11月，國際電信聯盟（ITU）將下一代移動通信網絡正式命名為IMT-2020，給出了圖1所示的發展路線圖，2018年將最終確定全球標準，到2020年達到實用化目標[9]。

圖1 IMT-2020發展路./;l圖

與4G相比，5G打開了廣大用戶進入吉比特時代的大門，好比是火箭飛天，其速率可達到20Gbps，每平方公里可鏈接數超過100萬，鏈接延時僅1ms，其速度和接入能力足以滿足未來各類智能終端互聯互通的需要，是未來萬物互聯的重要基礎。5G是2G/3G/4G通信網絡技術進步的結果，是未來的移動互聯網，是包括大多數通信系統和通信技術應用的綜合平臺；5G作為全新的通信理念，在重塑我們的生活、學習、工作和娛樂的同時，將會改變和引領我們的生產生活方式及走向；5G系統是一次信息通信技術革命，對產業的影響將超過以往2G、3G、4G；5G網絡終端將比2G、3G、4G時代豐富得多，將成為推動行業數字化的主要技術，將有助于實現沉浸式體驗、自動駕駛、遠程機器人控制、服務現場中的增強現實及混合現實等；5G時代更能充分體現通信行業需要與各行各業深度融合，從過去的單一領域向跨領域協同創新轉變，圍繞多種場景和多個領域，共同推動基礎通信能力的成熟和發展[3,5,6]。

5G網絡定義了增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband, eMBB）、大連接物聯網（Massive Machine Type Communications, mMTC）和超高可靠超低時延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communication, URLLC）三大應用場景[10]。其中，eMBB對應的是超高清視頻等大流量移動寬帶業務，mMTC對應的是大規模物聯網業務，URLLC對應的是無人駕駛、工業自動化等需要低延時高可靠性連接的業務。其主要場景與關鍵技術挑戰如表1所示。

表1 5G主要場景與關鍵技術挑戰

作為新一代移動通信系統，5G的關鍵能力比以前幾代移動通信系統更加豐富，具體體現在傳輸速度更快、時延更短、容量更大、應用更廣、能量更節省、更綠色、更可靠[3,6,7]。經過世界有關方面和專家的協商，已確定5G的關鍵性能指標為用戶體驗速率、峰值速率、時延、移動性、連接數密度、流量密度、能效和頻譜效率[8-10]，這8個指標的具體描述如表2所示。

表2 5G的關鍵性能指標

在這8個關鍵性能指標中，最具代表性的是高達1Gb/s的用戶體驗速率，用戶使用5G手機，在數秒鐘內即可下載一部高清電影，還可觀看無須緩存等待的足球、籃球、網球、滑雪、賽車等直播節目，這將促使VR游戲、4K/8K高清3D視頻、高清遠程監控等對寬帶要求較高的智能應用進入尋常百姓家。

從5G的概貌特征不難看出：5G網絡并不是簡單地提升傳輸速率，也不是對現有網絡的完全取代，而是充分借鑒、融合了現有的無線技術和互聯網技術，并在此基礎上進行開拓創新，以更好地滿足消費者和產業界的多樣化需求，能更好地實現人與人、人與物、物與物的互聯互通。

3 5G網絡架構設計

面對多樣化的應用和業務場景，5G在網絡架構設計方面充分考慮到頻譜效率、能源效率以及新頻譜利用等方面的關鍵性能指標要求，并采用相應技術來解決網絡架構設計方面所涉及到的邏輯功能實現、不同功能間的信息交互、設備平臺實現、網絡部署實現等問題[3,6,10]，其關鍵性能指標及其對應候選技術如圖2所示。

其中，大規模MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output, Massive MIMO），是MIMO技術的擴展和延伸，其基本特征是在基站側配置從幾十至幾千的大規模天線陣列，其中基站天線的數量比每個信令資源的設備數量大得多，利用空分多址（SDMA）原理，同時服務多個用戶，可以顯著提高頻譜效率和能量效率[3,6]；軟件定義網絡（Software Defined Networking, SDN）是用軟件來調度和管理網絡，它是動態的、可管理的、高性價比和適應性強的技術，適合于當今高寬帶和動態應用，其特點是控制與轉發分離、控制集中化和使用廣泛定義的軟件接口；網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization, NFV）的目標是將網絡功能中用專用硬件實現與軟件實現分離，從而降低成本和功耗；超密度網絡（Ultra Dense Network, UDN）是基于5G場景驅動，通過超密集異構部署，旨在改善網絡覆蓋、大幅提升系統容量，并對業務進行分流，使網絡部署更靈活、頻率復用更高效[7,10]。移動邊緣計算（Mobile Edge Computing, MEC）是把無線網絡和互聯網有效融合，并在無線網絡側增加計算、存儲、處理等功能，營造一個高性能、低延時、高帶寬的信息服務環境，一方面是改善用戶體驗，節約帶寬資源，另一方面是將計算能力下沉到移動邊緣節點，為第三方應用集成移動邊緣入口服務提供支持[11,12]。

圖2 5G關鍵性能指標及其對應候選技術

5G網絡架構設計包括系統設計和組網設計兩個方面。

3.1 系統設計

5G系統設計重點考慮邏輯功能實現以及不同功能之間的信息交互過程，構建功能平面劃分更合理的統一的端到端網絡邏輯架構[9]。5G網絡邏輯功能由接入平面、控制平面和轉發平面三個功能平面構成，具體如圖3所示[10]。其中，接入平面引入多站點協作、多連接機制和多制式融合技術，構建更靈活的接入網拓撲；控制平面基于可重構的集中的網絡控制功能，提供按需的接入、移動性和會話管理，支持精細化資源管控和全面能力開放；轉發平面具備分布式的數據轉發和處理功能，提供更動態的錨點設置，以及更豐富的業務鏈處理能力。在整體邏輯架構基礎上，5G網絡采用模塊化功能設計模式，并通過“功能組件”的組合，構建滿足不同應用場景需求的專用邏輯網絡。

圖3 5G網絡邏輯架構圖

5G網絡以控制功能為核心，以網絡接入和轉發功能為基礎資源，向上提供管理編排和網絡開放的服務，形成管理編排層、網絡控制層和網絡資源層三層網絡功能，具體如圖4所示[10]。其中，管理編排層由用戶數據、管理編排和能力開放三部分功能組成。用戶數據功能存儲用戶簽約、業務策略和網絡狀態等信息。管理編排功能基于NFV技術，實現網絡功能的按需編排和網絡切片的按需創建。能力開放功能提供對網絡信息的統一收集和封裝，并通過API開放給第三方。網絡控制層包括無線資源集中分配、多接入統一管控、移動性管理、會話管理、安全管理和流量疏導等功能模塊，旨在實現網絡控制功能重構及模塊化。網絡資源層包括接入側功能和網絡側功能。接入側功能包括提供接入側的業務匯聚功能的中心單元（CU）和為終端提供數據接入點（包含射頻和部分信號處理）的分布單元（DU）。網絡側功能重點實現數據轉發、流量優化和內容服務等功能。

圖4 5G網絡功能視圖

3.2 組網設計

5G組網采用模塊化功能設計并引入SDN/NFV技術，在同一基站平臺上同時承載多個不同類型的無線接入方案，實現無線接入網（Radio Access Network, RAN）內部各功能實體動態無縫連接，并能完成接入網邏輯實體的實時動態的功能遷移和資源伸縮，最終實現接入網和核心網功能單元動態連接，配置端到端的業務鏈，實現靈活組網[3,6,10]。5G組網功能元素進一步區分為中心級、匯聚級、區域級和接入級四個層次。其中，中心級以控制、管理和調度職能為核心，可按需部署于全國節點，實現網絡總體的監控和維護。匯聚級主要包括控制面網絡功能（如移動性管理、會話管理、用戶數據和策略等），可按需部署于省份一級網絡。區域級主要包括數據面網關功能、移動邊緣計算功能、業務鏈功能和部分控制面網絡功能，以承載業務數據流，可部署于地市一級。接入級包含無線接入網的CU和DU功能，CU可部署在回傳網絡的接入層或者匯聚層，DU部署在用戶近端，兩者間通過增強低時延傳輸網絡性能來實現多點協作功能。

4 5G關鍵技術

5G極為重要的一個關鍵技術是系統能夠提供全面、海量、隨機、無序、低時延和低能耗的智能連接能力，使其能夠成為萬物互聯和同異質網絡支撐的基礎性交互綜合系統，可以支持包括音頻、視頻、高清在線游戲、觸覺感知、基于在線狀態、基于位置服務、電子商務和電子醫療等多樣化業務，支持工業互聯網的許多新業務、新應用和新需求，甚至包括工業互聯網[7,11,12]。業界認為：5G應是一個寬帶化、泛在化、智能化、融合化、低碳化的新一代通信網絡，其關鍵技術多達十幾項[3,6,12]。當前，業界關注的關鍵技術體現在以下幾個方面。

4.1 多天線傳輸技術

多天線技術經歷了從二維到三維，從無源到有源，從高階多輸入多輸出到大規模陣列的發展，能把頻譜利用率提高到數十倍甚至更高。大規模天線陣列在現有多天線基礎上通過增加天線數，可支持數十個獨立的空間數據流，將數倍提升多用戶系統的頻譜效率，提升空間維度資源利用率，降低信號干擾，提升整體功率效率，對滿足5G系統容量與速率需求起到重要的支撐作用。有源天線陣列的引入，使基站側的協作天線數量多達128根，可將原2D天線陣列拓展成3D陣列，形成3D-MIMO技術，通過每個低成本、低功耗天線模塊的半自治功能，支持多用戶波束職能賦型，減少用戶間干擾，進一步改善無線信號覆蓋性能。其中，Massive MIMO信道估計、信道測量與反饋、參考信號設計、天線陣列設計、低成本實現等是該項技術面臨的主要挑戰[3,8,11]。

（未完待續）

諾基亞貝爾攜手中國聯通利用小站提升移動寬帶性能

諾基亞貝爾近日宣布與中國聯通達成合作協議，雙方將攜手在中國31個省市部署諾基亞Flexi Zone小站及AirScale低功耗射頻單元。這將給中國聯通各省分公司的網絡帶來新的靈活性，助力其在繁忙都市地區實現3G和4G LTE網絡的密集部署，并進一步提升郊區及農村地區的網絡性能。

The Development Research on 5G Mobile Communication Network (I)

Liu Qianlin
(Yunnan Provincial Military Command Region, Kunming, 650051)

With rapid development of mobile communication and Internet technology, the mobile Internet with more high-speed, more convenient, more cheaper and lower consumption has become the desired targets of people’s pursuit. Based on the up-to-date development of the 5th Generation Mobile Communication Network,this paper gives a brief introduction to the conception and features of 5G, then analyses the designation of network architecture as well as the key technology, and the creation and development based on 4G is also described, so as to further promote the research and development works of the new kind of mobile communication technology.

5G; mobile communication network; mobile Internet

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.11.009

TN929.5

1672-7274（2017）11-0030-04

柳虔林，男，1966年生，工學博士、高級工程師，研究方向為通信與信息系統。