5G 異構網絡融合關鍵技術探究

古孝紅 王海濤

南京審計大學金審學院

0 引言

從1G 到4G，人與人之間的通信是移動通信的核心，伴隨著互聯網和物聯網的不斷發展，未來網絡通信不再僅限于人與人之間，而是開始轉向人與物之間的通信以及機器與機器的通信。5G 技術從研究走向落地應用是一個循序漸進的過程，不可避免地要考慮現有2G/3G/4G 移動通信網絡和新部署的5G 移動網絡的協同融合問題。5G 是基于SDN、NFV 等更加智能化、扁平化和開放性的網絡系統。5G 的一個典型場景是長期共存的多種接入網絡、多種頻譜接入、熱點區域密集部署的異構節點，和大規模設備等一起組合成了多層次的異構融合網絡。5G 將滲透到未來生活的各個領域，未來5G 網絡將應用在教育、工業、環境、交通、醫療等諸多方面，實現真正的全覆蓋。針對5G網絡架構，對不同功能平面進行劃分，分成接入平面、控制平面和數據平面。異構網絡支持不同的協議和技術，面向不同的應用場景和用戶，其核心思想是讓一切自由聯通；多模終端可以在同一時刻下接入多個不同類型的網絡，在不同網絡之間進行切換，通常分為水平切換和垂直切換。從經濟和技術兩方面考慮，在今后一段時間內，不會由單一的網絡滿足用戶對通信服務多種多樣的需求。網絡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，但是如果不能做到讓用戶有完美的端到端服務質量（QoS）體驗，就說明不能充分利用不同類型的網絡所具有的不同優勢，就難以對異構無線網實現有機融合。所以對5G 異構網絡的融合關鍵技術研究勢在必行，異構網絡融合將成為未來網絡中信息通信發展的必然趨勢。

早在2015 年6 月，國際電信聯盟（ITU）正式確定了5G的概念和演進路線。當前，全球運營商都迅速開始5G 部署計劃，5G 的發展速度和部署規模超乎想象。根據數據統計顯示，全球的3G 移動用戶累計達到5 億規模用了10 年時間，而4G僅用了5 年，照此推論5G 只需3 年。異構網絡融合的研究熱點集中在（1）異構網絡多模式的可配置性研究；（2）異構網絡的鑒權、認證、安全；（3）異構無線接入網絡的互聯等。

要真正達到異構網絡的高效無縫融合，還有諸多難題需要解決。本文對網絡融合、終端融合、業務融合進行了探討，并闡述了5G 異構網絡融合涉及的關鍵技術。

1 異構網絡融合模式

各種異構網絡相互交疊，共同滿足用戶無縫接入的需求。在無線網絡中，傳統的WiFi 技術與5G 的融合將會極大提高信息傳輸的效率。對于5G 異構網絡融合來說，主要分為三個方面網絡融合、終端融合和業務融合。

1.1 網絡融合

網絡融合又包括三網融合、固定移動融合和異構無線網絡融合。

三網融合指的是電信網、廣播電視網、互聯網在向下一代互聯網演進過程中，三大網絡通過改造，技術功能趨于一致，業務范圍趨于相同。三網融合有很廣泛的應用，比如智能家居、公共安全、政府工作、環境保護等。三網融合后，僅靠一個終端就能操作各種連接網絡的設備，比如一個終端就能夠完成通信、操作冰箱、開啟熱水器和空調、看電視、打電話等。

固定移動融合（FMC）是將固定和移動通信業務融合在一起的技術。對每一個用戶來說，終端的移動性、便攜性和網絡速率等才是真正的需求。用戶一方面希望移動終端有固網的高速率，另一方面希望使用便攜式計算機時，能享受其無所不在的服務，而通過手機使用無線網的用戶，將會隨著未來網絡的發展不斷增加。用戶對移動性有很大的期望，也同樣期望得到和固定網絡一樣的速率。所以，用戶對固定移動融合的需求是很強烈的。

通信發展到現在，從最初的電報到有線的電話，再到無線網絡的出現，直到今天各類無線網絡的互聯互通，這些無線網絡共同為用戶提供多種類型的服務。在未來網絡中，會由多類型的異構網絡為用戶提供通信服務需求。5G 與異構無線網絡的無縫對接，能夠更充分滿足人類對未來網絡的需求。

1.2 終端融合

未來無線通信網絡將會是多重標準、多種制式。在此基礎上用戶可擁有的終端設備也會隨著科技的發展而越來越豐富，不僅僅包括手機，甚至家電、汽車、公共服務設備等。在5G 網絡出現之前的家居系統，只是簡單的遠程操控，不僅相當不穩定的，而且功能較少。隨著5G 的演進，多種終端設備將接入網絡，智能家居系統不再是憑空想象。

1.3 業務融合

從通信層面來說，業務融合最大的目的是讓用戶可以在任何地點、任何時間通過任何方式平滑地接入到不同類型的網絡中，自由訪問所簽約的業務，提供用戶需要的服務。目前比較常用的業務融合，一種是移動固定網絡的融合，主要是不同接入方式的融合，連帶解決移動、固網通信網絡多年以來業務的差異化問題；另一種是通信和IP 網絡的融合，主要是解決傳統通信與IT 兩個領域中業務模式的集成、融合。業務融合的通信網絡是一個以業務為中心、以統一認證、授權及計費為支撐的開放網絡。

2 5G 異構網絡融合關鍵技術

2.1 異構網絡融合系統架構

GSMA 認為到2025 年，5G 連接數將達到12 億。所以在5G時代，大規模連接必不可少。如圖1所示，在5G演進過程中，超密集網絡、大規模連接、異構網絡融合，各種有線、無線網絡及多種設備等共同構成了多層次、高密度的異構網絡融合系統架構。異構網絡融合的關鍵技術主要包括無線傳輸技術、多址技術、調制編碼技術、切換技術、資源管理技術等。

圖1 多層次、高密度的異構融合網絡系統架構

2.2 無線傳輸技術

近年來移動通信技術迅猛發展，人們更傾向于使用無線網絡。使用無線傳輸技術有很多的好處，比如能擺脫線纜的束縛，在設備維護方面比較方便，設備安裝周期較短，擴容性較強，并且適用于室外距離較遠、施工條件比較艱苦的場景，維護費用低，前端設備即插即用，不需要為了傳輸而特意去鋪設另外的網絡線路、增加多余的設備。5G 通信是依靠無線接入的方式來實現萬物互聯，所以在5G 異構網絡融合中無線傳輸技術是很重要的組成部分。

2.3 多址技術

2.4 調制編碼技術

2G/3G/4G 每個階段的調制編碼技術都是不一樣的。相關研究人員發現了兩種比較適合5G 編碼標準的信道編碼技術，LDPC 碼和Polar 碼。由于LDPC 的譯碼器是基于高效的并行譯碼架構，所以在硬件實現復雜度以及功耗方面都比Turbo 碼有優勢。3GPP在5G時代選擇了LDPC作為數據信道編碼方案，Polar 作為廣播和控制信道編碼方案。

2.5 網絡切換技術

多融合網絡的情況下，用戶需要考慮實際需求，優先選擇適合的接入網絡，以此提升網絡性能，增強用網體驗。網絡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。用戶在不同類型網絡之間的切換被稱為垂直切換，即在移動終端因為某些原因需要改變接入點時，還能繼續維持用戶通信的過程。在未來多種類型的無線網絡共存的環境下，要達到用戶對業務應用的高要求、嚴標準，必須要確保用戶在異構網絡中進行網絡切換時能一直保持通信狀態，這也對切換管理技術有了更高的要求。

2.6 資源管理技術

異構網絡中資源管理技術的研究重點包括呼叫接入控制算法、垂直切換算法、異構資源分配算法和網絡選擇算法等四個方面。隨著更多移動通信網絡基礎設施的大規模興建，大量的能源消耗和環境污染已經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能夠更大程度地降低能耗，降低對生態系統和環境帶來的負面影響。綠色和低碳一直以來都是社會所倡導的，相信在5G 時代無線資源管理技術也會有很大的發展空間。

2.6.1 呼叫接入控制

呼叫接入控制算法（CAC）直接關系到用戶能否得到良好的服務質量，同時CAC 的有效性還在一定程度上對系統資源的利用率具有決定性作用。在異構網絡融合系統中，每種網絡的特性不一樣，所以網絡接入技術種類較為復雜。異構網絡融合系統中，CAC 算法的研究應用主要集中在蜂窩/WLAN融合系統中的呼叫接入控制，結合目前業內傳統的WLAN 優先的算法或蜂窩/WLAN 融合的CAC 算法，考慮各網絡的異構特性、用戶移動性、多種業務類型、跨層設計等。這說明隨著網絡技術的進一步發展，CAC 算法的研究與應用還將有其更廣泛的發展空間。

2.6.2 異構資源分配

在異構網絡融合系統中，目前用得比較多的是分布式動態信道資源分配算法。如果網絡流暢，會自動給用戶此時正在進行的業務（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（如發信息）便可以適當減少信道資源的分配，從而減少信道帶寬的占用，提升網絡質量和用戶的QoS 保證。當接入的用戶過多，發生網絡擁堵的時候，可以適當減少系統中本來就已經接入的呼叫，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，可以充分利用系統的資源使用率。

2.6.3 網絡選擇

在多種網絡并存的環境下，怎樣合理選擇某一個或者多個網絡進行接入使用，保證網絡不卡頓，滿足用戶多種業務需求，同時保證服務質量，一直是研究的熱點和難點。接入網絡選擇算法會細致分析異構網絡環境中網絡選擇的需求和特點，采用多目標決策理論，考慮如何在有限資源的限制條件下，對比和衡量各類有效的方案，從中找到平衡方案。

2.7 網絡切片技術

5G 切片就是將5G 網絡切出多張虛擬網絡，從而支持更多業務。網絡切片最大的優點是能讓網絡運營商自己去定義或者去選擇每個切片的特性，這樣不僅能讓運營商把網絡切片運用得更靈活，占用的資源更少，而且還能提高業務服務的效率。網絡切片還有一個優勢，運營商不需要考慮網絡其他部分的性能就可以對切片進行更改和增添。如圖2 所示，可以分為三類切片，每兩個切片之間互不影響，是完全獨立的部分。5G 需要面向多連接與多樣化業務，需要部署更靈活，還要有智能化的分類管理，網絡切片就是這種按需組網的方式。

圖2 網絡切片示意圖

3 5G 異構網絡融合面臨的問題

5G 異構網絡融合中需要解決的難題主要是，異構無線網絡在融合過程中涉及移動性管理、無線資源管理、服務質量以及網絡安全等問題。

3.1 移動性管理

用戶不可避免地會移動位置、更換業務，這就要求網絡的穩定性比較高，無論用戶位置如何變化，都能保證業務和通信質量的連續性。在5G 移動性管理中，最主要的問題就是由于切換而帶來的中斷時延。目前的移動網絡中，各個區不能做到總是保持同步的狀態，所以在需要網絡切換的時候，必須得先進行目標區的下行同步。解決這個問題可以采取區下行同步的方案，如圖3 所示，多個終端可以直接利用源區的同步信息進行接入，這樣可以減少切換過程中發生的中斷時延，也節約了時間。當然，如果在切換過程中發生切換失敗的情況，就需要鏈路的一方及時準確地檢測到，并在最快的時間內發起無線鏈路重建請求，對此可以提前建立備份鏈路以防止發生切換失敗。

3.2 無線資源管理

5G 網絡中，如果出現大規模連接，很可能會出現網絡速率不均勻、負載控制不均衡等問題，此時無線資源管理的優勢就顯示了出來。無線資源管理會靈活合理地分配可用資源，讓數據無障礙傳輸，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致的網絡擁堵。為了合理防止網絡擁塞，有效利用網絡資源，需要設計出能夠更好地解決這些問題的方法，比較常用的有聯合無線資源管理和多無線資源管理。

3.3 服務質量

無論使用的是第幾代的移動通信技術，都離不開服務質量（QoS）這個關鍵性話題，顯然，作為一個用戶，服務質量是其關注的首要問題，研究者們也在致力于保證用戶的QoS。如果服務質量得不到保證，那么對于用戶來說，就沒有很好的體驗感，也達不到服務商預期的效果。針對這個問題，有幾種解決QoS 的算法，如TCP 連接分離方法、套接口網關解決方案、無線鏈路層解決方案等。

3.4 網絡安全問題

對于5G 異構網絡融合來說，雖然相關的工作和措施逐漸完善，并且考慮到了很多應用場景，但還是難以避免出現網絡安全問題。比如融合技術的問題、干擾協調的復雜性問題、頻譜資源問題、端到端數據通信過程中數據保密性問題等等。在網絡環境下不存在絕對的安全，安全只是相對來說的，任何技術都有可能存在漏洞，5G 時代，網絡安全問題又有了新的挑戰。

4 結束語

未來網絡是一種混合覆蓋的異構網絡，其中廣域網覆蓋區域大、傳輸帶寬，局域網覆蓋范圍但是帶寬高，正是因為不同異構網絡的互補特性，各有優劣勢，才使得異構網絡融合成為移動通信發展演進過程中一個熱門和有效的解決方案。本文討論了異構網絡融合的幾個關鍵技術，還指出了在融合過程中可能會出現的問題及解決方法。異構網絡資源的復雜性、網絡狀態的多樣性、各網絡的差異性等特點給研究帶來了一定的挑戰。然而，挑戰與機遇并存，在不久的將來，異構網絡融合關鍵技術的研究將會取得突破性進展。