5G 無線技術和蜂窩架構分析

董春利，王莉

(南京交通職業技術學院電子信息工程學院，江蘇南京， 211188）

0 引言

近年來，通過研究和創新，無線技術的潛力得到了提升。各種無線設備的指數級增長、數據的更多使用、服務質量的提高，以及蜂窩網絡的擴展變得越來越重要。主要驅動因素是各種無線設備的指數級增長、數據饑餓應用，以及提供改善的服務質量/體驗，需要擴展蜂窩網絡，以支持即將到來的5G 用例。與4G-LTE 網絡相比，無線網絡的這種發展包括每秒千兆位的高速、低延遲、高吞吐量和更好的頻譜效率[1]。第五代無線技術支持所有這些用例，并且可以通過網絡的異構行為來實現。小型蜂窩是低功率蜂窩無線電接入節點和5G 無線網絡架構的骨干。切換是存在小蜂窩范式的關鍵挑戰，例如用戶和小蜂窩之間可能會出現許多障礙物。因此，使用毫米波和波束成形技術支持從10m 到幾公里范圍內的小蜂窩，這會導致可靠性和多次切換發生，特別是在可能突然中斷連接的高速移動的情況。

切換衡量可以分為四類，其中人為障礙物，行人是切換的原因；移動障礙物，其中過往車輛是切換的原因；在旋轉時，手的移動和用戶的旋轉，是切換的一個原因；最后一類，固定障礙物、建筑物和大型構筑物引起的切換。毫米波的最重要的場景是在城市和半城市地區的熱點部署，吉比特/秒是5G 無線技術的主要關注點。在這方面，以下三個主要部署場景是：街邊服務、體育場/音樂會服務、校園服務。在街邊場景中，餐館、商店和行人是毫米波接入點提供所需服務的關注點，其中強調了干擾和信號被大障礙物阻擋的影響。在校園/音樂會類型中，重點是研討會大廳、音樂會畫廊和會議/教室周圍的走廊等聚集場所。而在足球、網球、板球、橄欖球和競技場等體育場館的情況下，需要高數據速率，即將推出的虛擬、增強和混合現實服務。

5G 通信的多種技術，包括大規模多輸入多輸出 (mMIMO)、毫米波通信(mmWave)、自組織網絡(SON)和超密集網絡(UDN)，支持所有這些場景[2]。在5G 技術中，服務運營商和供應商在切換實施方面，面臨著不同的挑戰。

第一個挑戰是不精確的信號測量，其中毫米波的帶寬和頻率很高，這對于增加網絡通信系統的容量至關重要。由于大氣條件、墻壁或障礙物周圍的低衍射以及雨水吸收，信號路徑損耗在高頻段變得很高。這些因素會減小信號的范圍。此外，工作在高頻段的信號很容易成為衰落的犧牲品，這反過來又會產生錯誤，降低切換的整體切換速率或不必要的漫游。總之，它會降低客戶的體驗。下一個挑戰是立即切換，其中小區半徑的尺寸小于UDN 架構中的標準尺寸。在每個小蜂窩中，用戶設備的總時間間隔變得比較小，導致頻繁的切換。結果，兩個終端的重疊時間也變得相對較低。最后，與4G 和3G 網絡通信相比，5G 不包含相同的網絡層和技術，并且垂直和水平切換過程，都包含5G 中的切換問題。除了這些挑戰之外，由于網絡的異構通信行為、5G 技術的融合以及現有流程的優化自動化，還存在許多其它挑戰。5G NR 通信系統構建了一個異構環境的系統，所需用例，即eMBB、uRLLC、mMTC。

5G 的工作條件與其它蜂窩網絡幾乎相同，由小區和扇區組成。數據可以在無線電波的幫助下傳輸。這些小區通過有線或無線連接網絡。5G 技術使用的編碼技術是正交頻分復用(OFDM)。移動連接和移動用戶不斷擴大，以滿足服務需求、高數據速率、客戶行為的變化以及從無線節點到機器人、聊天機器人和自主運輸的各種用例。無線行業和移動運營商需要發展和不斷增長來應對這些挑戰。今后通過創新的網絡設計技術和存在的先進模塊，無線行業可以實現數據流量的指數級增長，到2022 年將達到每月77.5 艾字節。

同樣，GSM 協會估計，到2025 年，物聯網設備的總數將達到251 億左右。統計數據證明，現有的移動網絡和運營商不足以完成物聯網的覆蓋和容量需求。因此，移動運營公司必須改變現有的模式、設計和運營商，以應對未來的挑戰。各種研究論文提出了MIMO 的概念，來提高5G 網絡的頻譜效率。同樣，隨后引入了毫米波通信以提高5G 信號的傳輸帶寬。吞吐量和能耗是當時的主要挑戰。

1 5G 技術和特點

在5G 網絡中，小區分為大蜂窩和小蜂窩，以提供更高的網絡效率。5G 使用以用戶為中心的全球無線網絡概念，而4G則以服務為中心。通過使用以用戶為中心的概念，5G 能夠支持多種應用和不同的服務來連接世界。5G 移動通信嵌入了許多不同的技術，例如設備對設備(D2D)、機器對機器(M2M)、多輸入多輸出(MIMO)、邊緣計算(EC)、小型蜂窩(SC)、波束成形(BF)、WiFi 和蜂窩的融合、非正交多址接入(NOMA)、軟件定義的網絡(SDN)、網絡功能虛擬化(NFV)和信道編碼(CC)。5G 還引入了一些特性，即5G 架構將包括云計算、以設備為中心和分布式系統，提供幾乎以千兆為單位的更高數據速率，支持大量設備，電池利用率低，基礎設施成本低。為了在移動系統中提供無處不在的通信，5G 包括機器對機器通信技術，幾乎連接了1000 億臺設備。為了提供更高的吞吐量并提供更高的頻譜效率，5G 使用MIMO 技術。5G 還利用了其它技術，如OFDM、物聯網、UDSC 網絡和毫米波。為了獲得更高的數據速率和設備之間的直接連接，5G 使用設備到設備的通信技術。成功的四種行為確保了5G 中D2D 通信超越場景，即設備中繼與操作員控制的鏈路建立(DR-OC)、直接D2D 通信與操作員控制的鏈路建立(DC-OC)、設備中繼與設備控制的鏈路建立(DR-DC)，以及通過設備控制的鏈路建立(DCDC)進行直接D2D 通信[3]。

小蜂窩技術是一種有前途但經濟驅動的方法，可以克服移動網絡運營商、5G 覆蓋、容量和物聯網設備的障礙。盡管小型蜂窩采用短距離基站，但它們有潛力處理移動用戶的高數據速率、監控連接的事物并推出5G 和6G。小型蜂窩，例如微微蜂窩、毫微微蜂窩和微蜂窩，部署在位于同一地理區域內的宏蜂窩網絡上，以形成HetNets。這些HetNets 能夠提供具有高數據速率和高質量服務的不間斷通信，確保用戶在從一個小區移動到另一個小區時利用可靠的移動網絡服務。然而，部署大量小蜂窩來設計HetNets 會產生諸如高蜂窩間交互和蜂窩邊界擴展等問題，從而導致切換失敗和無線電鏈路失敗。總之，HetNets 中的小蜂窩數量越多，移動性管理問題就越大[4]。

2 5G 小蜂窩架構

3GPP（第三代合作伙伴計劃）展示了5G 結構以改善蜂窩通信。如3GPP 所提議的，在控制平面功能之間部署了不同的基于服務的通信模型。主要方法包括但不限于克服核心網絡(CN)和接入網絡(AN)之間的依賴關系，提升接入服務，并在控制平面(CP)和用戶平面(UP)之間獲得明確的分離，在部署和擴展階段以增強靈活性。5G 結構還支持并發接入，這對于低延遲用例至關重要。UDSC 網絡的架構在文獻[5]中提出并與傳統的網絡架構進行了比較。在傳統的蜂窩網絡架構中，使用樹形網絡基礎設施，其中基站管理器用于處理核心網絡中的所有宏蜂窩基站，而所有回程流量都從網關轉移到核心網絡。需要一種混合架構來支持微蜂窩在傳統蜂窩網絡中的部署。在混合架構中，微蜂窩基站管理器用于處理微蜂窩基站，回程流量通過光纖路由轉移到核心網絡。與宏蜂窩基站相比，微蜂窩基站可以在家庭和熱點用例中提供高速無線廣播。盡管如此，兩者都有可能獨立地將用戶數據和管理數據傳播給相應的用戶。圖1 展示了5G NR 小蜂窩架構及其工作模型。

圖1 5G NR 小型蜂窩部署

移動用戶還可以根據需要在宏蜂窩或微蜂窩中進行切換。因此，微蜂窩網絡架構被用作高速無線傳輸和通信目的的輔助組件。同樣，類似的方法用在5G 蜂窩網絡中部署小型蜂窩，但通過光纖鏈路或使用寬帶互聯網從每個小型基站(BS)轉發回程流量非常具有挑戰性，特別是在成本和地理分期付款的城市環境中的主要關注點。由于無線傳輸距離的限制，小型蜂窩基站無法將回程業務傳輸到給定網關。為了應對這一挑戰，提出了一種分布式超密集5G 蜂窩網絡，其中微蜂窩基站和宏蜂窩基站的功能是分布式的。這意味著執行微蜂窩BS 的配置，以處理管理數據并監控小型蜂窩中的切換問題。而另一方面，用戶數據的傳輸由小蜂窩基站控制。此外，超密集蜂窩網絡的兩種不同分布架構如下。

（1）在UDSC 網絡中使用單一網關

單個網關被部署、配置和安裝在具有嵌入大量 MIMO 毫米波天線的能力的宏蜂窩基站上。集成這些天線的目的是接受來自位于宏蜂窩中的小型蜂窩的無線回程流量。收集所有回程流量后，通過多跳毫米波鏈路移動到宏蜂窩基站，然后通過光纖鏈路進一步轉發到核心網絡。

（2）在UDSC 網絡中使用多個網關

在這種情況下，通過檢查回程流量和地理場景的條件，在大規模的微蜂窩BS 中使用和部署多個網關。使用多個網關而不是單個網關的原因是它們更靈活地處理回程流量并將其轉發到核心網絡。在這種情況下，來自小型蜂窩的所有回程流量都分散在宏蜂窩中的多個網關上，然后在網關處合并，通過光纖到機柜(FTTC)鏈路向核心網絡移動。

3 5G 小蜂窩工作模式

5G 的參考模型如圖1 所示，其中AMF 或接入和移動管理功能充當模型的大腦。它執行不同的管理角色，例如連接、移動性和注冊管理。與AMF 一樣，SMF 或會話管理功能也是模型的重要組成部分，它負責控制、監視會話上下文、編輯PDU和鏈接以解耦數據平面。DN 和架構之間的連接由用戶平面功能(UPF)提供。UPF 還負責PDU 會話錨點、管理服務質量以及路由和轉發數據包[6]。

4 結論

5G 的通行能力和網絡效率都是4G-LTE 的100 倍，使其能夠提供20Gbps 的峰值數據速率和100+Mbps 的平均數據速率。小型蜂窩技術使5G 網絡能夠提供這些益處。通過小區密集化，連接距離變小，確保每個UE 的高網絡資源。與宏蜂窩網絡相比，超密集網絡中小型蜂窩基站的大量分布使得連接距離更小，從而在每個UE 上提供更好的信號質量，UE 可以支持高移動服務、在線游戲和流線型視頻。此外，超密集網絡中的小區UE 數量有限，使其能夠體驗到更多的網絡資源。