5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

曹誠(chéng)

摘要：2014年，IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布了第一份白皮書(shū)，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)被提上日程，有望在2020年完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的部署。未來(lái)的數(shù)據(jù)流量，網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備總量將會(huì)發(fā)生爆炸式增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)需求將會(huì)發(fā)生顛覆性變化，物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將會(huì)相互融合，為人們提供多元化服務(wù)，如車聯(lián)網(wǎng)，智能家居，智慧醫(yī)療，工業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，超高清3D時(shí)頻等。文章介紹實(shí)現(xiàn)以上高速率，靠可靠性，低時(shí)延，智能化，功能多元化的5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)，如大規(guī)模MIM0，軟件定義網(wǎng)，自組網(wǎng)技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：56；超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；D2D；MIM0；SDN；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；扁平化

1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需要達(dá)到超高速率，大吞吐量，超高可靠性，超低延時(shí)等指標(biāo)，來(lái)為用戶提供最佳的體驗(yàn)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的部署當(dāng)中，5G網(wǎng)絡(luò)的部署應(yīng)該具有以下特性：具有靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及多種接口來(lái)支持不同面向多種業(yè)務(wù)的接入，在鏈路性能上能夠用多跳的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及實(shí)現(xiàn)基站的Mac層和用戶的直通，同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)環(huán)境以--及業(yè)務(wù)需求來(lái)自組織，自配置，智能化的將網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化。

5G核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中探討到：通過(guò)采用全I(xiàn)P方式以及納米核心網(wǎng)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠進(jìn)行網(wǎng)關(guān)的無(wú)縫切換。為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)能夠隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)的要求，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的重要指標(biāo)是能夠靈活擴(kuò)展，因此采用扁平化IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)分布云的移動(dòng)核心信息傳遞功能，分布式軟件架構(gòu)和邏輯網(wǎng)關(guān)以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化等技術(shù)，將垂直的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)成分布式水平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。從另一層面上來(lái)看，通用扁平化架構(gòu)就是將無(wú)線接口技術(shù)與核心網(wǎng)的演進(jìn)相分離，從而借助接口實(shí)現(xiàn)即插即用的效果，即多種無(wú)線接入技術(shù)融合到統(tǒng)一的核心網(wǎng)當(dāng)中，從而使網(wǎng)絡(luò)具有更好的靈活性以及拓展性。對(duì)于5G的核心網(wǎng)中涉及到的主要技術(shù)有SDN（software defined network），集中式網(wǎng)絡(luò)控制器將從網(wǎng)絡(luò)分離后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面上的流量分配給網(wǎng)絡(luò)元件，實(shí)現(xiàn)拓?fù)涓兄酚蓻Q策。另一個(gè)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，即：將核心網(wǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)移到高新能服務(wù)器，同時(shí)將網(wǎng)元功能移植到虛擬平臺(tái)。

2 5G關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)是一種利用宏站與低功率小型化基站（MicroBs，Pico-BS，F(xiàn)emto-BS）進(jìn)行覆蓋的融WiFi，4G，LTE，UMTS等多種無(wú)線接入技術(shù)混合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。隨著蜂窩范圍的逐漸減小，使得頻譜效率得到了大幅提升。隨著小區(qū)覆蓋面積的變小，最優(yōu)站點(diǎn)的位置可能無(wú)法得到，同時(shí)小區(qū)進(jìn)一步分裂難度增加，所以只能通過(guò)增加站點(diǎn)部署密度來(lái)部署更多的低功率節(jié)點(diǎn)。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以使功率效率，頻譜效率得到大幅提升，但是也不可避免的引入了一些問(wèn)題。從物理層這個(gè)角度看需要多速率接入要求，如低速的傳感器網(wǎng)絡(luò)到高速率的多媒體服務(wù)。從異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)這個(gè)角度，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需要一種能夠具有可擴(kuò)展的幀結(jié)構(gòu)的空中接口來(lái)滿足不同頻段頻率的接入。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)還需要根據(jù)終端的使用情況以及終端所處的環(huán)境進(jìn)行大量的預(yù)測(cè)，并在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，信道環(huán)境，需求量突變前進(jìn)行有效的前攝管理。

2.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMO運(yùn)用多天線技術(shù)，大規(guī)模天線陣列可以通過(guò)天線的空分特性（具有高分辨率的空間自由度），使相同時(shí)頻資源能同時(shí)服務(wù)若干用戶，能夠有效的頻譜效率，增加傳輸?shù)目煽啃浴arzetta提出每個(gè)基站布置超出現(xiàn)有天線數(shù)數(shù)量級(jí)超多天線用于時(shí)分復(fù)用條件下，發(fā)現(xiàn)可以在同一時(shí)頻資源上服務(wù)幾個(gè)用戶。多天線技術(shù)的波束成型可以限制波束在很小的范圍內(nèi)，因此可以降低干擾從而有效降低發(fā)射功率。多天線技術(shù)帶來(lái)了更多的空間自由度，因此使信道的反應(yīng)更加精準(zhǔn)，從而降低了各種隨機(jī)突發(fā)情況信道性能的降低。由于多天線占用空間太大，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度太高，一般基站多采用4天線技術(shù)。王海榮，王玉輝等人提出由于同一小區(qū)內(nèi)導(dǎo)頻正交，但相鄰小區(qū)間導(dǎo)頻進(jìn)行復(fù)用會(huì)引起導(dǎo)頻污染，制約了多天線技術(shù)的瓶頸，因此他們提出一種上行導(dǎo)頻功率控制法，將通常的導(dǎo)頻發(fā)射時(shí)隙分為兩段，使交叉增益相對(duì)較大的導(dǎo)頻發(fā)射時(shí)隙錯(cuò)開(kāi)，從而降低導(dǎo)頻污染。由于大規(guī)模天線技術(shù)中將會(huì)出現(xiàn)低功率小型天線以及大量的低功率放大器，因此大規(guī)模的天線部署的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)際信道之間的正交性程度必須被確定，以及如何有效的解決天線互耦合等難題。

由于5G的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，在小區(qū)范圍縮小的情況下肯定不需要大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用，但是大規(guī)模MIMO的應(yīng)用可能會(huì)帶來(lái)空間零陷（spatial nulling）以及避免干擾等優(yōu)點(diǎn)，所以研究大規(guī)模MIM0與小區(qū)（small cell）相互補(bǔ)的模型也是一個(gè)要解決的問(wèn)題。

2.3 FBMC

FBMC的提出是為解決OFDM18載波旁瓣較大，在各載波不能嚴(yán)格同步時(shí)相鄰載波將會(huì)產(chǎn)生較大干擾，在較低頻段不能支持需要連續(xù)高達(dá)1G帶寬等高速率業(yè)務(wù)需求等問(wèn)題提出的基于濾波組的多載波技術(shù)（filter bank multicarrier）。原理是在發(fā)端通過(guò)合成濾波組來(lái)實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制，在收端通過(guò)分析濾波組實(shí)現(xiàn)多載波解調(diào)。Jean Baptiste Doré提到在CS（信道狀態(tài)信息channel state information）處于理想情況下，與OFDM相比FBMC具有更高的能量效率，但在CSI不理想的情況下碼間干擾（ISI）以及載波間干擾（ICI）將會(huì)使FBMC的性能輸于OFDM，提出在MIMO情景下的特殊的波束成型來(lái)提升FBMC性能。Jean-Baptiste Doré在另一篇文章中提到當(dāng)導(dǎo)頻序列分散在片段頻譜上，或者沒(méi)有分布于每個(gè)載頻，一種時(shí)域上的插值（根據(jù)導(dǎo)頻在信道上的值進(jìn)行反傅里葉變換）處理將會(huì)可以彌補(bǔ)這一缺陷使信道響應(yīng)不會(huì)因?yàn)檩d頻而受到影響。

2.4 毫米波通信

毫米波頻段一般為30-300GHZ，毫米波通信即使在考慮各種損耗與吸收的情況下，大氣窗口也能為我們提供135GHz的帶寬，在頻譜資源緊缺的情況下，采用毫米波通信能夠很有效的提升通信容量。由于5G的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，基站間距在不到200米的情況下，由于毫米波具有波束窄的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并且空氣對(duì)毫米波的吸收，會(huì)減小對(duì)相鄰基站間的干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

第五代通信系統(tǒng)將會(huì)在終端，網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線接入等方面進(jìn)行融合及創(chuàng)新，具備眾多優(yōu)點(diǎn)，首先5G網(wǎng)絡(luò)以人為本，能夠?yàn)槲覀兲峁└咚俾剩呖煽啃裕蜁r(shí)延的服務(wù)，讓我們享受流媒體，超高清視頻等業(yè)務(wù)，另一方面，萬(wàn)物互聯(lián)這個(gè)角度來(lái)看，5G網(wǎng)絡(luò)將是一艘巨大的航母，首先5G網(wǎng)絡(luò)具有很靈活的可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠根據(jù)需求進(jìn)行組網(wǎng)，同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)能夠涵蓋不同行業(yè)用戶以及開(kāi)展多種業(yè)務(wù)類型，如智慧醫(yī)療，農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)，工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)等。最后5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)比現(xiàn)在通信系統(tǒng)更加綠色，具有低功耗，節(jié)能的特點(diǎn)。