5G无线网络架构及关键技术

 

　　5G网络作为第五代移动通信网络，其峰值理论传输速度可达每秒数十Gb，这比4G网络的传输速度快数百倍，整部超高画质电影可在1秒之内下载完成。随着5G技术的诞生，用智能终端分享3D电影、游戏以及超高画质（UHD）节目的时代已向我们走来。

　　5G网络架构设计原则

　　5G网络架构设计应遵循以下三大原则：

　　第一、从刚性到软性，从固定网络（网元、固定连接、固定部署）到动态网络（动态部署、配置、灵活连接）；网络资源虚拟化；网络功能的解耦和服务化。

　　第二、移动网络IP化、互联网化，实现与IT网络互通融合；引入互联网技术，优化网络设计（SOA，数据与计算分离）

　　第三、集中化智能和分布化处理，集中化智能是指功能集中优化，为垂直行业提供个性化增值服务；分布化处理是指移动网络功能靠近用户，提高网络吞吐量，降低时延。

　　5G无线网络架构现状

　　当前，国际上多个标准化组织如ITU、NGMN联盟等都已经开始进行5G网络及其架构的研究工作。3GPP作为移动网络标准最主要的制定方，5G网络架构的设计将是其国际组织的重点工作，业界预期将在R14开始启动相关工作。学术界、产业界如欧盟METIS、中国IMT-2020网络技术工作组（包含中国国内的运营商、研究机构、设备商、高校）等已经开始着手这方面的讨论。

　　5G无线网络架构的研究主要从增强特定应用场合如高速列车、热点场所、室内环境等覆盖以及吞吐量、增强用户数据速率以及QoS需求、增强频谱效率以及能量效率、降低网络延时等方面入手，具体可以总结如下：

　　目前，5G研究仍处于需求制定和空中接口技术攻关阶段，尚未提出明确的网络架构。但总的看来，5G无线网络架构存在两条发展路线：一是综合化发展，即“演进+创新”的路子，在演进型的2G/3G/4G多制式蜂窝网络、以及短距离无线通信网络的基础上，融入创新型无线接入技术，形成综合型的5G无线网络架构。二是颠覆性发展，即“变革”的路子。

　　5G综合化发展的路子，也可以说是5G弥补了4G技术的不足，在数据速率、连接数量、时延、移动性、能耗等方面进一步提升系统性能，。它既不是单一的技术演进，也不是几个全新的无线接入技术，而是整合了新型无线接入技术和现有无线接入技术（WLAN，4G、3G等），通过集成多种技术来满足不同的需求，是一个真正意义上的融合网络。并且，由于融合，5G可以延续使用4G、3G的基础设施资源，并实现与之共存。

　　移动网全球漫游、无缝部署、后向兼容的特点，决定了5G无线网络架构的设计不可能是“从零开始”的全新架构。然而，5G无线网络架构是一种演进，还是一种变革，将取决于运营商和用户需求、产业进程、时间要求和各方博弈等多种因素。

　　在5G架构设计的需求以及可能的技术方面，已经形成了一些共识。在需求方面，普遍将灵活、高效、支持多样业务、实现网络即服务等作为设计目标；在技术方面，SDN、NFV等成为可能的基础技术，核心网与接入网融合、移动性管理、策略管理、网络功能重组等成为值得进一步研究的关键问题。

　　目前基本架构已有初步共识：支持多种接入、降低不同接入方式和核心网的耦合、实现按需的组网、借力NFV/SDN技术。段晓东介绍称，目前5G面向服务的研究架构其中最主要的特征有：耦合的控制面、功能模块化、控制与转发分离、新的互联方式、移动边缘计算、网络切片选择。

　　5G关键技术

　　目前，5G的关键技术还处于研究与发展的阶段。为了实现5G的愿景和需求，5G在网络技术和无线传输技术方面都将有新的突破。5G关键技术总体框架如图所示，在无线网络方面，将采用更灵活、更智能的网络架构和组网技术，如采用控制与转发分离的软件定义无线网络的架构、统一的自组织网络、异构超密集部署等；在无线传输技术方面，将引入能进一步挖掘频谱效率提升潜力的技术，如先进的多址接入技术、多天线技术、编码调制技术、新的波形设计技术等。

　　1、超密集异构网络

　　5G网络是一种利用宏站与低功率小型化基站（Micro-BS，Pico-BS，Femto-BS）进行覆盖的融WiFi，4G，LTE，UMTS等多种无线接入技术混合的异构网络。随着蜂窝范围的逐渐减小，使得频谱效率得到了大幅提升。随着小区覆盖面积的变小，最优站点的位置可能无法得到，同时小区进一步分裂难度增加，所以只能通过增加站点部署密度来部署更多的低功率节点。超密集异构网络可以使功率效率，频谱效率得到大幅提升，但是也不可避免的引入了一些问题。从物理层这个角度看需要多速率接入要求，如低速的传感器网络到高速率的多媒体服务。从异构网络这个角度，超密集异构网络需要一种能够具有可扩展的帧结构的空中接口来满足不同频段频率的接入。超密集异构网络还需要根据终端的使用情况以及终端所处的环境进行大量的预测，并在网络状态，信道环境，需求量突变前进行有效的前摄管理。

 

　　2、大规模MIMO技术

　　大规模MIMO运用多天线技术，大规模天线阵列可以通过天线的空分特性（具有高分辨率的空间自由度），使相同时频资源能同时服务若干用户，能够有效的频谱效率，增加传输的可靠性Marzetta提出每个基站布置超出现有天线数数量级超多天线用于时分复用条件下，发现可以在同一时频资源上服务几个用户。多天线技术的波束成型可以限制波束在很小的范围内，因此可以降低干扰从而有效降低发射功率。多天线技术带来了更多的空间自由度，因此使信道的反应更加精准，从而降低了各种随机突发情况信道性能的降低。由于多天线占用空间太大，实现的复杂度太高，一般基站多采用4天线技术。王海荣，王玉辉等人提出由于同一小区内导频正交，但相邻小区间导频进行复用会引起导频污染，制约了多天线技术的瓶颈，因此他们提出一种上行导频功率控制法，将通常的导频发射时隙分为两段，使交叉增益相对较大的导频发射时隙错开，从而降低导频污染。由于大规模天线技术中将会出现低功率小型天线以及大量的低功率放大器，因此大规模的天线部署的拓扑结构，实际信道之间的正交性程度必须被确定，以及如何有效的解决天线互耦合等难题。

　　由于5G的超密集异构网络的应用，在小区范围缩小的情况下肯定不需要大规模天线技术的应用，但是大规模MIMO的应用可能会带来空间零陷（spatialnulling）以及避免干扰等优点，所以研究大规模MIMO与小区（smallcell）相互补的模型也是一个要解决的问题。

　　3、FBMC

　　FBMC的提出是为解决OFDM18载波旁瓣较大，在各载波不能严格同步时相邻载波将会产生较大干扰，在较低频段不能支持需要连续高达1G带宽等高速率业务需求等问题提出的基于滤波组的多载波技术（filterbankmulticarrier）。原理是在发端通过合成滤波组来实现多载波调制，在收端通过分析滤波组实现多载波解调。Jean-BaptisteDoré［13］提到在CS（信道状态信息channelstateinformation）处于理想情况下，与OFDM相比FBMC具有更高的能量效率，但在CSI不理想的情况下码间干扰（ISI）以及载波间干扰（ICI）将会使FBMC的性能输于OFDM，提出在MIMO情景下的特殊的波束成型来提升FBMC性能。Jean-BaptisteDoré在另一篇文章中提到当导频序列分散在片段频谱上，或者没有分布于每个载频，一种时域上的插值（根据导频在信道上的值进行反傅里叶变换）处理将会可以弥补这一缺陷使信道响应不会因为载频而受到影响。

　　4、毫米波通信

　　毫米波频段一般为30-300GHZ，毫米波通信即使在考虑各种损耗与吸收的情况下，大气窗口也能为我们提供135GHz的带宽，在频谱资源紧缺的情况下，采用毫米波通信能够很有效的提升通信容量。由于5G的超密集异构网络，基站间距在不到200米的情况下，由于毫米波具有波束窄的特点，具有很强的抗干扰能力，并且空气对毫米波的吸收，会减小对相邻基站间的干扰。

　　总结

　　第五代通信系统将会在终端，网络，无线接入等方面进行融合及创新，具备众多优点，首先5G网络以人为本，能够为我们提供高速率，高可靠性，低时延的服务，让我们享受流媒体，超高清视频等业务，另一方面，万物互联这个角度来看，5G网络将是一艘巨大的航母，首先5G网络具有很灵活的可扩展的网络架构，能够根据需求进行组网，同时5G网络能够涵盖不同行业用户以及开展多种业务类型，如智慧医疗，农业监测，工业设备监测等。最后5G网络将会比现在通信系统更加绿色，具有低功耗，节能的特点。