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

王少松

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

王少松

石家莊惠遠(yuǎn)郵電設(shè)計(jì)咨詢有限公司，河北 石家莊 050030

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(lèi)型，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)。

5G；超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；D2D；MIM0；SDN；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；扁平化

1 關(guān)于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[1]。

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。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，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]。

2 關(guān)于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[3]。

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，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)相互補(bǔ)的模型也是一個(gè)要解決的問(wèn)題[4]。

2.3 FBMC

FBMC的提出是為解決OFDM18載波旁瓣較大，在各載波不能?chē)?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[5]。

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，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[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

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)[7]。

[1]張長(zhǎng)青.淺析5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的影響[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2015（11）：33.

[2]韓蕓.5G網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)探討[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（5）：26-28.

[3]曹誠(chéng).5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2015（9）：16-17.

[4]余莉，張治中，程方，等.第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，26（04）：85.

[5]趙明宇，嚴(yán)學(xué)強(qiáng).SDN和NFV在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用研究[J].移動(dòng)通信，2015（14）：64-68.

[6]朱紅儒，莊小君，郭姝，等.5G安全的愿景[J].電信科學(xué)，2014，30（11）：131-134.

[7]趙凱麗.淺析5G移動(dòng)通信技術(shù)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015（6）：68.

On the 5G Network Architecture and Key Technologies

Wang Shaosong

Shijiazhuang Hui Yuan Posts Design Consulting Ltd.,Hebei Shijiazhuang 050030

The fifth generation of the communication system will be in the terminal, network, wireless access and other integration and innovation, with many advantages, first 5G networks to people-oriented, able to provide high-speed, high reliability, low latency service for us, let us enjoy streaming, ultra-high-definition video and other services, on the other hand, all interconnected this perspective, 5G network will be a huge aircraft carrier, the first 5G network has a very flexible and scalable network architecture, according to needs networking, and 5G networks to cover users in different sectors and conduct a variety of business types, the last 5G network will be greener than it is now a communication system with low power consumption, energy-saving features.

5G; ultra-dense heterogeneous networks; D2D; MIM0; SDN; network architecture; flat

TN929.5

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1009-6434(2016)07-0166-02