5G網絡愿景與面臨的挑戰(zhàn)

董春利 王莉

摘 要：SG網絡具有3個獨特的特點：無處不在的連通性，非常低的延遲和非常高速的數據傳輸。文章闡述了SG網絡的愿景，主要有海量數據流和高數據速率，無處不在的連接和零延遲。此外，從可擴展性和靈活性，低延遲和高可靠性，網絡性能優(yōu)化和服務質量等方面，討論了SG網絡面臨的挑戰(zhàn)。

關鍵詞：SG網絡；高數據速率；低延遲；網絡性能優(yōu)化

4G網絡不足以支持具有低延遲和顯著頻譜效率的大規(guī)模連接設備，這對未來的通信和計算將是至關重要的。一些文獻討論了傳統(tǒng)蜂窩網絡遠遠落后的關鍵方面，從而激勵了5G網絡的演進。

對于大量數據傳輸而言，用戶數量的增加和相應的帶寬需求激增，勢必要對當前技術進行新穎的增強。本文重點討論未來SG網絡的愿景和面臨的挑戰(zhàn)。

1 5G網絡的愿景

設備可擴展性急劇上升。預計智能手機、游戲機、高分辨率電視機、照相機、家用電器、筆記本電腦、連接運輸系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、機器人、傳感器和可穿戴設備（手表和眼鏡）的快速增長有望在不遠的將來持續(xù)呈指數增長。因此，5G網絡被認為支持大規(guī)模連接的設備。

1.1 海量數據流和高數據速率

大量無線設備的大幅增長當然會導致更多的數據交易（例如視頻、音頻、網頁瀏覽、社交媒體數據、游戲、實時信號、照片、突發(fā)數據和多媒體），這將比2014年增加100倍，并會使當前的網絡負擔過重。因此，在新的架構、方法、技術以及室內和室外用戶的數據分布方面，必須具有匹配的數據傳輸能力。

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達到最大，它明確要求頻譜展寬（高于3 GHz）以及新的頻譜利用技術。

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網絡被設想為通過異構網絡的用戶提供無縫連接。

1.4 零延遲

未來移動蜂窩網絡有望協(xié)助眾多實時應用，觸覺互聯(lián)網，服務各不相同的服務質量（QoS）（在帶寬、延遲、抖動、分組丟失和數據包延遲）和QoE（就用戶和網絡提供商的服務滿意度與反饋而言）。因此，5G網絡被設想為實現(xiàn)具有最優(yōu)的QoS和QoE體驗的實時和延遲有限的服務。

2 5G網絡面臨的挑戰(zhàn)

5G網絡的愿景并不是微不足道的，存在一些挑戰(zhàn)，如下所述。

2.1 數據速率和網絡容量擴展以及能量優(yōu)化

在一個地理區(qū)域內部署更多的基站，使用更高頻率的頻段，以及鏈路改善可支持網絡容量擴展，數十億個用戶，高數據速率，高數據量以及有效的回程數據傳輸到核心網絡。然而，這些解決方案的實施在經濟和能量攝入方面是一項麻煩的工作。因此，網絡容量需要顯著增加，嚴格控制能源消耗和成本。

2.2 可擴展性和靈活性是未來移動通信最突出的特點

未來的蜂窩基礎設施和方法必須設計為在異構無線網絡中工作。而且，大量的潛在用戶可能同時請求一組服務。因此，5G網絡必須足夠強大，以支持整個覆蓋區(qū)域的可擴展用戶需求。

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雜的協(xié)議來處理物理層和數據鏈路層，以及去除干擾影響的機制。

2.4 處理干擾

處理通信設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（如HetNet，CRN，全雙工和D2D通信）和應用，SG網絡中的干擾也會增加，并且最先進的技術對未來的蜂窩網絡，可能無法很好地發(fā)揮作用。在5G網絡中，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（在避免網絡過載方面）以及可靠的（在完善的干擾檢測和解碼方面）干擾管理技術用于信道分配、功率控制、小區(qū)關聯(lián)、負載均衡等。

2.5 環(huán)保

目前的無線接入網絡（Radio Access Network，RAN）消耗總功率的70%～80%。無線技術消耗大量的能量，導致巨大的二氧化碳排放量和成本，這是對環(huán)境的嚴重威脅。因此，需要開發(fā)高效節(jié)能的通信系統(tǒng)、硬件和技術，使網絡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

在一些實時應用中，低延遲和高可靠性非常關鍵，例如機器人監(jiān)控病人，生命安全系統(tǒng)，基于云的游戲，核反應堆，傳感器，無人機和聯(lián)網的運輸系統(tǒng)的信息傳輸。然而，由于它需要開發(fā)提供快速連接，快速切換和高數據傳輸速率的技術，并且不增加網絡基礎設施成本，這將是大規(guī)模網絡數據傳輸的低延遲性和高可靠性的極大挑戰(zhàn)。

2.7 網絡性能優(yōu)化

諸如峰值數據速率，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)復雜性等性能參數對蜂窩網絡至關重要。因此，5G網絡的總體框架應該大大優(yōu)化這些參數。然而，在所有參數之間存在一些折衷，這進一步強調了聯(lián)合優(yōu)化算法的需要。

2.8 經濟影響

未來移動通信技術的革命性變化是對用戶參與的部署和激勵產生極大的經濟影響。由于經濟的提升，提供全新的基礎設施至關重要。因此，基礎設施的部署、維護、管理和運行成本必須由政府、管理機構和網絡運營商承擔。同樣，使用D2D通信的成本也應該是可行的，所以涉及D2D通信的設備不應該比使用BS的服務收費更多。此外，預計的收入增長要遠遠低于交通增長。因此，開發(fā)5G網絡，網絡運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（Radio AccessTechnology，RAT）（例如3G，4G，SG，WiFi，藍牙和WLAN）移動到另一個時，維持一個活動的服務連接。當用戶在移動車輛內，即使在非常高的速度下，為無線服務的流動適應性也不應退避。而且，在特定的時間間隔內，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網絡設想以最好的方式使用頻譜，并能應對設備移動的速度。

2.10 服務質量

5G網絡中的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。另外，在5G網絡中，大量的突發(fā)和多媒體數據，多RAT以及針對不同應用和服務的低延遲限制，是實現(xiàn)期望的QoS的主要障礙。因此，設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 結語

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