5G移動通信組網(wǎng)關鍵技術研究綜述*

王渤茹 ， 范 菁 ， 單 澤 ，朱澤賢

（1.云南民族大學電氣信息工程學院，云南 昆明 650504；2.云南省高校信息與通信安全災備重點實驗室， 云南 昆明 650504；3.云南省高校無線傳感器網(wǎng)絡重點實驗室，云南 昆明 650504）

0 引 言

2008年4G通信系統(tǒng)進入我們的生活，LTEAdvanced也進入商業(yè)運營。隨著4G的普及，我們的生活越來越便利。與此同時4G時代依舊存在諸如無線頻譜資源的嚴重短缺、用戶數(shù)目的無限制增加、數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長等懸而未決的問題，促使著研究人員不得不思考“5G移動通信系統(tǒng)”[1]。如今人們對于高質(zhì)量的通信系統(tǒng)需求促進5G關鍵技術的發(fā)展和日漸成熟。5G通信系統(tǒng)是為了滿足全球通信現(xiàn)狀的需求，是一個真正意義上的融合網(wǎng)絡。這個網(wǎng)絡使人與人、人與物、物與物之間連接的更高速，更安全，更自由[2]。

1 國內(nèi)外5G發(fā)展現(xiàn)狀

目前，韓國、美國、日本、歐洲等電信發(fā)達國家均積極加大在5G領域的戰(zhàn)略投資，并在頻譜規(guī)劃、專項資金扶持等方面實施重要舉措，并開展5G試驗，以推進5G產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展和成熟，以期按目標時間實現(xiàn)5G商用部署[3]。同時各國都積極的參與5G的研發(fā)工作并積極的向相關國際標準組織提交5G標準方案。各國表示會遵守統(tǒng)一標準制定5G技術標準。在信息化的時代中，只有始終走在信息技術發(fā)展的前列，才會在通信行業(yè)中占領一席之地，從而提高本國的國際影響力。

工信部在2016年2月的國務院新聞辦舉行的發(fā)布會上表示，我國已于2016年初正式啟動5G研發(fā)試驗。2018年，我國5G技術研發(fā)試驗開始進入第三階段。第五代（5G）無線網(wǎng)絡技術將于2020年標準化，其主要目標是提高容量、可靠性和能源效率，同時減少延遲和大幅度增加連接密度[4]。

2 基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)關鍵技術

基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)關鍵技術從基礎設施方面來對5G的組網(wǎng)關鍵技術進行探討。從基礎設施采用的關鍵技術來看，大規(guī)模MIMO（Massive MIMO)技術可以提高頻譜的利用率。波束賦形技術使信號傳輸可靠和穩(wěn)定。在人口密集，高容量的地方使用的超密集組網(wǎng)技術，使信息傳輸速率高。可以從集中式和分布式兩個方面對5G的關鍵技術進行探討。

2.1 集中式-波束賦形技術

當今移動通信的頻譜資源難以適應快速增長的數(shù)據(jù)流量，毫米波的使用讓30 GHz以上的頻譜資源可以得到利用。由于毫米波在空間傳播過程中會有很大的路徑損耗，就需要采用波束賦形技術來彌補這一部分損耗[5]。

波束賦形技術是將能量集中到很小的區(qū)域，并獲得較高的增益，可以解決自由空間傳播損耗較大的問題。系統(tǒng)中波束賦形處理的模型框如圖1所示。

圖1 波束賦形處理模型

波束賦形技術是發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)天線（大規(guī)模MIMO）發(fā)送之前最后一個環(huán)節(jié)，發(fā)送端可以把它作是信道影響的一部分。雖然實際信道人為不可改變，但是波束賦形矩陣可以根據(jù)實際的信道狀態(tài)人為的進行設計，可以通過對波束賦形加權矢量的設計人為的改變等效信道矩陣，達到系統(tǒng)要求的性能，從而更有利于通信的實現(xiàn)。波束賦形將根據(jù)特定場景自適應的調(diào)整天線陣列的輻射圖。

2.1.1 波束賦形技術優(yōu)勢

波束賦形技術對于大規(guī)模MIMO技術至關重要，它具有如下優(yōu)勢：

（1）波束賦形技術是使信號傳輸可靠和穩(wěn)定的一項關鍵技術。隨著更多的無線應用得到開發(fā)，波束賦形技術帶來的可靠性變得更為重要。

（2）波束賦形技術在擴大覆蓋范圍、抑制干擾等方面都具有很大的優(yōu)勢。波束賦形技術通過對發(fā)射信號和接收信號進行必要的處理，使得信噪比顯著增加，以此提升系統(tǒng)容量和抑制干擾。

2.1.2 波束賦形技術挑戰(zhàn)

波束賦形技術有效的提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，同時波束賦形技術也存在以下的挑戰(zhàn)：

（1）合適的波束賦形器至關重要。數(shù)字波束賦形器中，每個天線單元都有其相應的基帶端口，這樣提供了最大的靈活性，但是數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是非常耗電的[6]。而模擬波束賦形器只支持簡單的波束形狀，不能支持靈活的波束形狀，如在發(fā)射、接收方向產(chǎn)生特定的零陷波，因此波束之間的干擾可能是巨大的[7]。

混合波束賦形是數(shù)字、模擬波束方案的折中，它可以降低復雜度，也有很大的靈活性，所以預期早期的通信系統(tǒng)使用模擬或混合波束賦形架構(gòu)。在5G混合波束形成系統(tǒng)中，采用大量天線陣，可以獲得極窄的波束來聚焦能量，減輕干擾[8]。

（2）發(fā)射器和接收器的發(fā)射和接收波束方向必須對齊。由于波束窄，若出現(xiàn)輕微的方向不對齊，信噪比會急劇下降。針對發(fā)射器和接收器的發(fā)射和接收波束方向正確對齊的問題，有效的波束發(fā)現(xiàn)機制在毫米波通信中很重要，如線性波束掃描，樹掃描，隨機激勵等[7]。

2.2 集中式-超密集組網(wǎng)

超密集組網(wǎng)在局部熱點區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級的系統(tǒng)容量提升，是未來5G通信系統(tǒng)的主要技術之一。為了承擔2020年以及以后的移動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量，除了增加頻譜帶寬和提高頻譜利用率外，網(wǎng)絡密集化是不可避免的過程。因為毫米波波長短，原件可以做得很小，所以部署大量小基站成為可能。

超密集組網(wǎng)是通過減小小區(qū)半徑，增加低功率節(jié)點的數(shù)目的方式來進行組網(wǎng)。超密集組網(wǎng)能夠滿足5G的爆炸性數(shù)據(jù)速率要求，實現(xiàn)了小區(qū)基站的密集部署[9]。超密集組網(wǎng)中進行控制承載分離和簇化集中控制，實現(xiàn)業(yè)務需求的靈活擴展。

2.2.1 超密集組網(wǎng)的優(yōu)勢

超密集組網(wǎng)技術的使用使人口密集的區(qū)域也能高速上網(wǎng)，如購物中心，密集住宅區(qū)和交通樞紐等地方。超密集技術的優(yōu)點如下：

（1）與4G網(wǎng)絡中的大型基站相比，5G采用大量小基站方式部署網(wǎng)絡，可以縮小發(fā)送端到接收端之間的距離，更加密集的小基站使無線資源得到更有效的利用，系統(tǒng)容量顯著增加。

（2）采用大量的小型基站可以改變過去對大型基站的高度依賴，使組網(wǎng)更具彈性，從而提高網(wǎng)絡密度和覆蓋范圍。

（3）超密集組網(wǎng)采用頻譜資源的空間復用可以使頻譜效率大幅度提高。

2.2.2 超密集組網(wǎng)的技術挑戰(zhàn)

提高用戶在人口密集區(qū)域的體驗感和使萬物更好的上網(wǎng)是超密集組網(wǎng)技術的目標。若用戶體驗感不好，使用超密集組網(wǎng)也沒任何意義。目前超密集組網(wǎng)技術存在以下挑戰(zhàn)：

（1）在超密集組網(wǎng)中，隨著小區(qū)的密集部署，小區(qū)間的干擾問題逐漸突出[10]。只有控制信道的干擾問題，整個系統(tǒng)的傳輸才具有可靠性。

對于干擾問題，可以采用小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)技術進行處理。隨著小區(qū)密度增加，僅靠小區(qū)中的基站解決小區(qū)間的干擾變得越來越難。采用多小區(qū)協(xié)調(diào)技術來對多個小區(qū)的基站進行協(xié)調(diào)，從而有效降低小區(qū)間的干擾。

（2）使用大量的小基站，每個小基站的覆蓋范圍較小導致用戶移動時切換頻繁，降低網(wǎng)絡容量和影響小區(qū)用戶體驗。

針對5G用戶移動性從而產(chǎn)生的頻繁切換問題，5G網(wǎng)絡可以采用以用戶為中心的虛擬化技術，實質(zhì)是按照用戶的需求分配資源。無論用戶在什么位置，都能根據(jù)業(yè)務體驗質(zhì)量來獲得可靠的通信服務。同時無論用戶是否移動，都能保證用戶有穩(wěn)定的服務體驗。用戶移動性是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。幸運的是，依靠機器學習的大數(shù)據(jù)正趨于成熟，它可以跟蹤用戶的移動性，進而預測用戶的未來 位置[11]。

2.3 分布式-集中式大規(guī)模MIMO技術

毫米波的小波長使得將大量天線放置在非常有限的空間內(nèi)成為可能，大天線陣可以提供足夠的陣列增益來補償由于路徑損耗、穿透損耗、降雨效應和大氣吸收造成的嚴重信號衰減[12]。因此，大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術是未來毫米波無線通信系統(tǒng)中一種很有前途的技術。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是指在無線通信鏈路的一側(cè)使用大量可以單獨控制的天線元件的系統(tǒng)。大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡利用天線提供空間自由度，以相同的時間——頻率資源上為多個用戶復用消息。大規(guī)模MIMO技術跳出了以前單點對單點的通信模式。將單一的點對點信道變成多個并行的信道來處理。

大規(guī)模MIMO技術可以分為集中式MIMO技術和分布式MIMO技術。集中式MIMO技術是多個基站天線集中排列形成天線陣列，分布式MIMO是基站的多個天線分散放置覆蓋小區(qū)。其中，集中式MIMO技術的優(yōu)勢在于不需要同分布式MIMO技術一樣，放置多個地理位置，并且避免光纖數(shù)據(jù)匯總時的同步問題。而分布式MIMO技術的優(yōu)點在于它可以形成多個獨立的傳輸信道，避免天線配置過于緊密導致信道相關性過強。

2.3.1 大規(guī)模MIMO技術的優(yōu)勢

大規(guī)模MIMO技術是MIMO技術的優(yōu)化和延伸。與傳統(tǒng)的MIMO技術相比，大規(guī)模MIMO具有以下幾點優(yōu)勢：

（1）使用大規(guī)模MIMO技術可以提高系統(tǒng)容量。相對于通過減小小區(qū)尺寸的方式來提高系統(tǒng)容量，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以直接通過增加基站天線數(shù)目來提高系統(tǒng)容量，降低了實現(xiàn)復雜度，較大幅度地提高了系統(tǒng)容量[13]。

（2）降低了發(fā)射功率消耗和產(chǎn)品代價。大量天線的使用，使得陣列增益大大增加，從而有效降低發(fā)射端的功耗。系統(tǒng)可以采用價格低廉、輸出功率在毫瓦級別的放大器元件來搭建，降低了發(fā)射功率消耗和產(chǎn)品代價[14]。

（3）系統(tǒng)具有很好的魯棒性。大規(guī)模MIMO可以在很窄的范圍內(nèi)集中波形，極大提高了空間分辨率。理論證實，當天線數(shù)量足夠大時，噪聲和不相關干擾都可忽略不計，并且最簡單的線性預編碼和譯碼算法趨于最優(yōu)。此外，更多天線數(shù)目提供了更多的選擇性和靈活性，系統(tǒng)具有更高處理突發(fā)問題的能力。

（4）使用大規(guī)模MIMO技術能有效的提高頻譜效率[15]。大規(guī)模MIMO技術使空間維度深度挖掘，在不增加基站密度，寬帶的條件下，頻譜效率也可以提高。頻譜效率基本取決于并行信道的數(shù)目。

（5）使用大規(guī)模MIMO技術可以進一步改善信號的覆蓋能力。毫米波作為5G擴展頻段技術，工作區(qū)域在較高的頻段。一般而言，如果采用相同數(shù)量的天線，頻率越高，覆蓋范圍越小。要達到相同的覆蓋距離，可以增加天線數(shù)量。高頻毫米波技術與大規(guī)模MIMO天線技術相結(jié)合能進一步改善信號覆蓋能力。

（6）MIMO系統(tǒng)可以在有限的功率和帶寬范圍內(nèi)增加數(shù)據(jù)速率[16]。

2.3.2 大規(guī)模MIMO技術的挑戰(zhàn)

大規(guī)模MIMO極大增加頻譜效率，尤其是容量需求大和覆蓋范圍較廣時，可以更好的滿足網(wǎng)絡增長的需求，但是它也存在如下挑戰(zhàn)：

（1）發(fā)射機側(cè)需要準確的信道狀態(tài)的信息。頻譜和能量的效率在很大程度上依賴于信道狀態(tài)信息，尤其是在正交頻分復用和大規(guī)模多天線系統(tǒng)中，信道估計因此尤為重要，所以在發(fā)射機側(cè)需要準確的信道狀態(tài)的信息。

（2）使用導頻復用技術估計信道通常會造成導頻污染。當BS天線的數(shù)目增加到無窮大時，導頻污染使信號與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）飽和，若不存在導頻污染，SINR隨著基站（Base Station，BS）天線的數(shù)量線性增加，所以導頻污染問題也是一項重要的技術 挑戰(zhàn)。

（3）移動終端中的耦合。由于移動終端設備體積有限，天線元件之間的強耦合不可避免，這就影響了天線的效率，也影響了天線的相關性[17]。因此，應用解耦是非常重要的。

2.4 基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)的關鍵技術間的對比

基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)的關鍵技術都是從基礎設施方面對4G的基礎設施實行改進，都是以擴大移動通信系統(tǒng)的容量、擴大信號的覆蓋范圍、提高移動通信系統(tǒng)的頻譜利用率等為目標的，并且這些技術的使用在一定程度上都與毫米波有一定關系。

超密集組網(wǎng)技術和大規(guī)模MIMO技術這兩種技術在一定程度上都提高了頻譜利用率且皆通過增大基礎設施（如基站、收發(fā)天線）的數(shù)量來擴大信號覆蓋范圍，其中超密集組網(wǎng)技術增加基站的數(shù)量，大規(guī)模MIMO技術是增加大收發(fā)天線的數(shù)量。兩種技術不同之處在于超密集組網(wǎng)技術是通過減小小區(qū)半徑提高系統(tǒng)容量，大規(guī)模MIMO技術是通過增加天線的數(shù)目提高系統(tǒng)容量。

波束賦形技術和大規(guī)模MIMO技術的使用在一定程度上都是因為毫米波在空間使信號衰減，使用這兩種技術可以擴大信號的覆蓋范圍并且降低干擾，提高信號傳輸可靠性和穩(wěn)定性。基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)關鍵技術間的對比如表1所示。

表1 基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)關鍵技術間的對比

3 基于功能組網(wǎng)關鍵技術

基于功能組網(wǎng)關鍵技術從網(wǎng)絡虛擬化的角度探討5G采用的關鍵技術。日益復雜的網(wǎng)絡使得管理和控制越來越多連接設備的信息的任務變得越來越復雜和專業(yè)化[18]。基于功能組網(wǎng)關鍵技術使網(wǎng)絡更加靈活，使各種不同用戶的需求得以實現(xiàn)，也使基礎設施的構(gòu)建更加標準化。

面對性能要求不同的應用，網(wǎng)絡虛擬化可以很好的解決萬物上網(wǎng)所需要的各種硬件資源問題。在該模型中，物理資源能夠集中管理。虛擬化后采用的網(wǎng)絡切片技術，通過計算網(wǎng)絡資源的隔離，動態(tài)調(diào)配和遷移，實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)絡的虛擬資源按照相應的資源分配算法向業(yè)務提供商分配。網(wǎng)絡切片技術可以根據(jù)具體的應用的場景切出相應的虛擬子網(wǎng)絡，這大大有利于各種應用的發(fā)展，接入網(wǎng)、核心網(wǎng)之間的配對通過基于SDN/NFV的編排器完成。

3.1 絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡（SDN）

傳統(tǒng)網(wǎng)絡服務高度依賴于物理拓撲和特定的供應商硬件。軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN)和 網(wǎng) 絡 功 能 虛 擬 化（Network Function Virtualization，NFV）越來越普遍采用設計新的平臺來創(chuàng)建，管理和按需擴展網(wǎng)絡服務，并使資源優(yōu)化[19]。

NFV已被業(yè)界普遍認定為下一代網(wǎng)絡的主要方向，也是通信網(wǎng)絡發(fā)展基礎性的關鍵技術，可滿足運營商低成本、靈活性和開放性的訴求[20]。NFV的目標將專用網(wǎng)絡設備整合到工業(yè)標準大量服務器上，也就是將網(wǎng)絡功能從專用設備遷移到通用服務器運行的虛擬機或容器中。NFV的核心是虛擬網(wǎng)絡功能，NFV利用虛擬化技術為未來網(wǎng)絡提供了一種新的網(wǎng)絡設計思路。網(wǎng)絡功能虛擬化體系結(jié)構(gòu)如 圖2所示。NFV把邏輯上的網(wǎng)絡從實體硬件設備之中解耦出去，以期獲得較低的網(wǎng)絡建設成本與運營成本。NFV依賴于傳統(tǒng)的服務器虛擬化，但又不同于傳統(tǒng)的服務器虛擬化，不同之處在于虛擬網(wǎng)絡功能（Virtual network function，VNF）可能由一個或多個虛擬機構(gòu)成。通常情況下需要多個VNF依次使用，才能夠為用戶提供有用的服務。為取代專用的硬件設備，虛擬機需要運行不同的軟件和進程。

圖2 網(wǎng)絡功能虛擬化體系結(jié)構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡是另一項解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡僵化問題的關鍵技術。軟件定義網(wǎng)絡通過集中式的控制器提高了網(wǎng)絡的可編程性，成為近年來網(wǎng)絡領域非常熱門的話題。軟件定義網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。SDN本質(zhì)上是一種集中式網(wǎng)絡模式，其中控制平面集中在一個或一組控制實體上，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面被簡化并抽象為通過SDN控制器請求的應用程序和網(wǎng)絡服務[21]。SDN的主要目的是分離控制平面和數(shù)據(jù)中心。SDN分為三個部分，其中應用層主要是業(yè)務和應用的集合，控制層主要由具有邏輯中心化和可編程的控制器組成，可掌握全局網(wǎng)絡信息，方便配置網(wǎng)絡和部署新協(xié)議。SDN的基礎設施層主要由交換機組成，其僅提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可快速處理和匹配數(shù)據(jù)包。

圖3 軟件定義網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

SDN/NFV具有相同的目標，都致力于網(wǎng)絡更加靈活，SDN和NFV不相互依賴，但能實現(xiàn)技術互補。兩者的互補性體現(xiàn)在SDN能增強NFV的兼容、易操作等性能，而NFV通過虛擬化及編排等技術能提高SDN的靈活性。SDN/NFV成為網(wǎng)絡虛擬化，云化的關鍵技術。

3.1.1 SDN/NFV技術優(yōu)勢

SDN/NFV是網(wǎng)絡發(fā)展演進的新方向，是學術界和工業(yè)界值得不斷探索的新技術。SDN/NFV技術具有以下幾個優(yōu)勢：

（1）將有效促進未來網(wǎng)絡部署能力的提升、網(wǎng)絡部署成本的降低和運營能力的增強。

（2）在網(wǎng)絡硬件方面，對硬件進行統(tǒng)一的標準，把邏輯上的網(wǎng)絡從實體硬件設備之中解耦出去，從而降低了引入專用的硬件設施的費用。

（3）網(wǎng)絡功能實現(xiàn)方面，利用可編程軟件平臺就可以實現(xiàn)虛擬化的網(wǎng)絡功能。對控制面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面進行分離，可以實現(xiàn)整體網(wǎng)絡的靈活管理。當節(jié)點發(fā)生故障時，也可以通過控制器快速的定位和修復節(jié)點。

3.1.2 SDN/NFV技術挑戰(zhàn)

雖然SDN/NFV技術提高了5G網(wǎng)絡的靈活性，但它依舊存在下列挑戰(zhàn)：

（1）雖然SDN/NFV技術可能性眾所周知，但是具體的控制和編排仍在設計之中，很少有原型驗證可用。

（2）實現(xiàn)高效，快速，可擴展的資源配置滿足網(wǎng)絡的要求，這個問題是NFV部署的一個重要挑戰(zhàn)。NFV架構(gòu)中編排器進行資源配置包括三個階段，即虛擬網(wǎng)絡功能鏈的構(gòu)建、虛擬網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)圖的映射和虛擬網(wǎng)絡功能的調(diào)度資源配置[22]。三個階段之間的協(xié)調(diào)，動態(tài)資源之間的配置，虛擬網(wǎng)絡安全性，強容錯能力，負載均衡等問題都應該考慮相關的策略來實現(xiàn)。5G技術涉及的一系列的資源分配問題，包括：時頻資源分配，正交導頻資源分配，波束分配，大規(guī)模MIMO多用戶聚類，及無線網(wǎng)絡虛擬化資源池調(diào)配等，AI（人工智能）技術為5G系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供了一個超越傳統(tǒng)性能的可能性[23]。以網(wǎng)絡功能虛擬化為例，必須使其核心決策算法能夠自動匹配當前的無線、用戶以及流量條件，以實現(xiàn)計算資源的動態(tài)分配。而在這方面，人工智能是最佳候選技術，可以為當前的系統(tǒng)提供更敏捷和健壯的復雜決策能力。

（3）SDN網(wǎng)絡核心控制器作為網(wǎng)絡集中化控制的實現(xiàn)部分，存在網(wǎng)絡易受攻擊的安全性問題[24]。面對網(wǎng)絡集中化控制易受攻擊的問題，需要建立防護，備份，隔離等措施使網(wǎng)絡系統(tǒng)安全的運行。AI技術也為故障的自動檢測與定位的問題提供可能。

（4）SDN/NFV中有關軟件，接口，控制架構(gòu)體系等方面沒有實現(xiàn)標準化，并且難以進行相關部署。在現(xiàn)實中，從遺留網(wǎng)絡過渡到SDN網(wǎng)絡并不是一蹴而就的。過渡需要大量部署費用且SDN有其自身的局限性，OpenFlow協(xié)議也不夠成熟，商用SDN交換機和控制器不完全可靠等這些因素減緩了SDN部署步驟[25]。

3.2 網(wǎng)絡切片技術

另一個與SDN/NFV并行而來的是網(wǎng)絡切片。面對復雜的5G應用場景，網(wǎng)絡切片已經(jīng)成為5G的核心。網(wǎng)絡切片把網(wǎng)絡劃分為多個端到端的平行的虛擬子網(wǎng)絡來應對各種不同的應用場景，每個網(wǎng)絡切片在設備、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及核心網(wǎng)方面實現(xiàn)邏輯隔離，適配各種類型服務并滿足用戶的不同需求。這意味著一個多用途、靈活和可編程的傳輸網(wǎng)絡，能夠以端到端的方式動態(tài)地編排資源[26]。

SDN/NFV技術是切片技術的前提，可以使用SDN和NFV等技術靈活地構(gòu)造切片。網(wǎng)絡切片技術要容納在虛擬化的管理體系中。與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡相比，使用網(wǎng)絡切片技術可以為不同的場景切出相應的虛擬子網(wǎng)絡[27]。4G網(wǎng)絡和5G網(wǎng)絡切片如 圖4所示。

圖4 4G網(wǎng)絡和5G網(wǎng)絡切片

3.2.1 網(wǎng)絡切片的優(yōu)勢

網(wǎng)絡切片技術用于滿足5G中各種不同的應用場景。網(wǎng)絡切片技術具有如下優(yōu)勢：

（1）通過網(wǎng)絡切片技術在一個獨立的物理網(wǎng)絡上切出多個邏輯網(wǎng)絡，減少許多基礎設施的構(gòu)建。

（2）基于NFV/SDN的網(wǎng)絡切片的每個網(wǎng)絡切片在控制面，轉(zhuǎn)發(fā)面，管理面實現(xiàn)了邏輯隔離。切片之間相互隔離，若其中一個切片網(wǎng)絡發(fā)生錯誤，不會影響其他切片網(wǎng)絡[28]。

（3）對每一個網(wǎng)絡切片而言，網(wǎng)絡帶寬、服務質(zhì)量、安全性等專屬資源都可以得到充分保證。

（4）針對不同的應用場景提供專屬的網(wǎng)絡控制功能和性能保證，網(wǎng)絡可以根據(jù)業(yè)務需求進行 重構(gòu)[29]。

（5）切片網(wǎng)具有與虛擬網(wǎng)絡相同的性質(zhì)，都是向上層業(yè)務提供網(wǎng)絡資源，對物理網(wǎng)進行虛擬化，并屏蔽了切片與物理網(wǎng)絡的差異。同時使用的SDN技術可以簡化業(yè)務的部署，有利于網(wǎng)絡的管理。

3.2.2 網(wǎng)絡切片的挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡切片技術雖然使各種不同的應用更好的連接在網(wǎng)絡上。但它的技術目前還沒成熟，具有如下挑戰(zhàn)：

（1）制定標準化的5G切片方案。目前網(wǎng)絡切片的標準還在制定和完善，網(wǎng)絡切片的研究也處于測試階段，網(wǎng)絡切片標準要考慮網(wǎng)絡切片的劃分粒度合適，切片粒度過大和過小對網(wǎng)絡系統(tǒng)來說都不適合。

（2）切片的后向兼容性問題，從4G網(wǎng)絡時代過渡到5G時代需要一個過程，4G網(wǎng)絡是否作為5G網(wǎng)絡一個的切面來管理。

（3）端到端切片的實現(xiàn)問題。目前的切片技術針對核心網(wǎng)的用戶面和控制面的切片，而無線側(cè)的切片并沒有很好的實現(xiàn)，只有對核心網(wǎng)的切片而沒有實現(xiàn)端到端的切片并不能滿足應用場景差異化的需求，不能很好的體現(xiàn)切片的價值和優(yōu)勢。

（4）每個切片的資源配置問題。其中最大的挑戰(zhàn)是獲得一種切片隔離的機制[30]。

3.3 基于功能組網(wǎng)關鍵技術的特點對比

NFV/SDN和網(wǎng)絡切片技術都解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的僵化問題，都是從邏輯方面來對網(wǎng)絡功能進行提高和改善，使5G中萬物互聯(lián)成為可能。

SDN和NFV的設計思想其實都是通過解耦來提高系統(tǒng)的靈活性，讓系統(tǒng)變得更加智能，從設計思想上來說是非常接近的。SDN跟NFV最明顯的區(qū)別是，SDN解耦的是控制平面與數(shù)據(jù)平面;NFV主要是軟硬件解耦。在數(shù)據(jù)中心的實施中，SDN和NFV 技術可以共存，各自發(fā)揮作用。

NFV/SDN和網(wǎng)絡切片技術都減少了資源。NFV/SDN減少網(wǎng)絡層數(shù)和池化資源數(shù)，網(wǎng)絡切片技術把一個獨立的物理網(wǎng)絡切出多個邏輯網(wǎng)絡，也減少許多基礎設施構(gòu)建。若NFV/SDN從縱向出發(fā)減少網(wǎng)絡資源數(shù)的，那么網(wǎng)絡切片技術就是從橫向出發(fā)來對網(wǎng)絡資源數(shù)進行較少。

NFV/SDN是網(wǎng)絡切片的基礎，網(wǎng)絡切片技術是在網(wǎng)絡虛擬化后對5G復雜的應用場景進行的思考和研究。基于功能組網(wǎng)關鍵技術間的對比如表2所示。5G組網(wǎng)關鍵技術的總框架如圖5所示。

表2 基于功能組網(wǎng)關鍵技術間的對比

圖5 5G組網(wǎng)關鍵技術的總框架

4 結(jié) 語

本文從基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)和基于功能組網(wǎng)兩個方面對5G組網(wǎng)關鍵技術進行研究。本文中大規(guī)模MIMO技術，波束賦形技術，超密集組網(wǎng)技術，SDN/NFV，網(wǎng)絡切片技術等技術共同促進5G移動通信的發(fā)展。

在基于結(jié)構(gòu)組網(wǎng)關鍵技術中，大規(guī)模MIMO技術是近十幾年來無線通信領域重大的技術突破，準確的信道狀態(tài)的信息和導頻污染的是大規(guī)模MIMO技術目前重點解決的問題。大規(guī)模MIMO技術的使用一定程度上需要波束賦形技術支撐，波束賦形技術中波束賦形器和有效的波束發(fā)現(xiàn)機制在毫米波通信中很重要。超密集組網(wǎng)技術使容量受限問題得到解決，讓人們在各種應用場合的通信體驗越來越好。超密集組網(wǎng)關鍵技術中控制小區(qū)間的信道干擾問題和使用大量的小基站導致用戶切換頻繁問題等成為目前重點解決的問題。

在基于功能組網(wǎng)的關鍵技術中，NFV技術使通用性硬件虛擬化，降低了傳統(tǒng)網(wǎng)絡昂貴的設備成本，使網(wǎng)絡設備功能不再依賴于專用硬件，資源配置問題是NFV技術目前亟待解決的問題。SDN技術將控制層與數(shù)據(jù)層的分離，使網(wǎng)絡更加靈活，網(wǎng)絡核心控制器中網(wǎng)絡安全問題和SDN的部署問題是目前需要解決的關鍵性問題。網(wǎng)絡切片技術為了滿足各種不同應用場景而提出的，切片的標準化和相關的部署及技術后向兼容性問題是目前需要解決 的問題。