5G移動通信網絡結構淺析

張永波

【摘要】 盡管5G移動通信標準尚未面世，但相關的技術脈絡已然日漸清晰。本文分析了未來5G網絡結構的三個重要特征，并對其基本原理、功能及實際意義作了簡要介紹。

【關鍵詞】 5G 大規模MIMO 超密集異構網絡 SDN

一、引言

隨著信息社會的深入發展，移動接入端的數量和流量均呈現爆發式增長，現有的4G網絡已經越來越難以滿足用戶需求。在這種情況下，各主要國家、行業組織、相關企業和研發機構紛紛投入大量人力和財力進行下一代移動通信（5G）的研發工作，并且已取得可觀進展。

業內普遍預計，5G網絡有望于2020年左右正式部署，屆時將極大地改善用戶的移動上網體驗，并且能夠有力地支持物聯網產業的發展。

二、5G網絡特征

2.1 大規模MIMO天線陣列

MIMO天線技術在4G網絡中就已經得到廣泛應用了，在基站端設置多部天線，通過空分復用或空間分集，可以明顯提高系統容量或可靠性。

但受制于基站空間大小，天線數不可能太大，一般為2～8，這樣就形成了傳輸速率上限。為了突破這一瓶頸，研究人員提出了大規模MIMO技術。根據理論分析，當基站天線數趨向于無窮大時，不同用戶信道間的相關性將趨向于0，也就是所謂的“信道硬化”，這樣不僅可以大幅度提升傳輸速率，而且采用最簡單的匹配濾波檢測就能消除用戶間干擾[1]。

2.2 超密集異構網絡

在傳統移動通信系統中，當某小區用戶數超過現有網絡容量時，最直接有效的方法就是小區分裂，通過縮小小區覆蓋面積、增加小區數來容納更多用戶。這一策略在5G時代仍將有效，由于5G信號速率較之于4G會有明顯提升，不可避免要占據更高頻譜，這樣一來，無線信號的覆蓋半徑就會自然減小。因此，超密集微小區結構將是5G網絡的一大特征。

在5G時代，一方面，隨著越來越多的有線互聯網業務轉移擴展至無線網絡，各種針對用戶位置移動開發的移動端應用軟件也層出不窮，再加上方興未艾的物聯網產業，這些都要求移動網絡同時具備高速率和低時延，目前得到廣泛應用的一些短距離無線局域網如WiFi等完全可以勝任。另一方面，一些傳統的移動業務如語音通信、短消息等對網絡的速率、時延沒有太高要求，但需要良好的移動性和較大的覆蓋范圍，這類業務完全可以利用現有的4G乃至2G、3G網絡。因此，由運營商建設的基礎移動網絡和各類組織、個人自建的無線局域網等不同類型的網絡將長期共存、相互融合，共同為用戶提供優質服務[2]。

2.3 軟件定義網絡

軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN），就是用軟件來調度和管理網絡，是由美國斯坦福大學教授Nick Mckeown等人首先提出的概念。

SDN是一種新型網絡架構，它具有三層結構：從上至下依次為應用層、控制層和數據層。

數據層對應實體網絡，負責數據的物理傳輸；

控制層向上為用戶開發各種應用程序提供標準的編程接口，向下提供了開放的設備管理接口；

應用層面向用戶，用戶可以通過應用軟件來定義網絡的邏輯結構，而無須關注底層的實體網絡拓撲。

SDN將數據轉發與控制徹底分離，由控制層對網絡設備進行統一調度與管理[3]，控制層相當于一個網絡操作系統，用戶通過應用軟件可以靈活地定義網絡路徑、調配物理資源。借助這一結構，未來的移動網應用有望變得像互聯網一樣便捷多樣。

三、總結

由以上三個特征可以看出：未來的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，并在此基礎上進行了必要的創新，以更好地滿足消費者和產業界的多樣化需求。

參 考 文 獻

[1] J. Hoydis， S. Brink， M. Debbah. Massive MIMO： How many antennas do we need？ In Proceedings of Conference on Communication， Control， & Computing， 2011， 545-550.

[2] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等﹒5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J]﹒中國科學：信息科學，2014，44 （5）：551-563.

[3] 劉旭，李俠宇，朱浩﹒5G中的SDN/NFV和云計算[J]﹒電信網技術，2015，（5）：1-5.