5G网络架构与关键技术研究

刘明天

安徽大学安徽合肥230601

5G网络架构与关键技术研究

刘明天

安徽大学安徽合肥230601

随着在过去的十年当中，我国的网络技术不断发展，尤其是在移动通讯技术方面取得了较大的进展，从现阶段已经被淘汰的1G移动通讯技术到现在较为普及的4G移动通讯技术，我国的移动通讯技术已经经历了翻天覆地的变化。相比于3G网络，4G移动通讯在上网速度以及质量方面取得了较大的进展，从而满足了当前人们对网络的基本需求。但是随着大数据时代的带来，网络的数据规模不断增加，同时网络速度也受到了一定的限制，现阶段人们对于移动通讯的需求不断增加，在这样的背景下4G移动通讯技术已经逐渐无法满足人们的使用需求，在这样的背景下5G移动通讯网络逐渐开始走上历史舞台。在本文当中笔者论述了5G移动通信网络的架构以及其中的关键技术。

5G网络；移动通信；架构；关键技术

一、引言

在现代社会当中网络已经成为人们生活当中最重要的组成部分，同时随着网络的不断发展，人们对信息的需求量不断增大，同时在人们的日常生活当中所发挥的作用也逐渐变大，信息在现代社会当中已经成为维持社会正常运转的重要工具。移动通讯技术由于使用的广泛性以及接入的便利性，在未来的应用当中必然将不会在限制于人们之间的沟通与交流，甚至还有可能被用于物联网当中，从而实现物与物之间的信息交流，由此可见，现阶段的人们对于信息的不同需求都在不断增长当中，4G移动通信技术已经逐渐无法满足人们的日常需求，基于此种情况，开发5G移动通信技术已经具有了非常大的必要性。当前阶段5G移动通信网络在频率、技术以及运营方面都面临着较大的挑战，因此，5G技术必然会成为接下来一段时间内学术界研究的重点内容。各种新的应用场景，新的业务类型，新的终端设备，使5G市场的发展充满了未知因素，因此需要我们开展研究，明确5G的业务和关键技术指标，为5G技术发展和系统设计指引方向[1]。

二、5G简介

在未来5G在以下五个方面当中必将有非常大的应用：物联网、实时连接、提高用户体验、超高速通信以及大规模人群同时使用。同时根据现阶段的研究，5G网络必须要满足以下五个基本需求：信息的传输速度需要达到10GB/s，频谱效率必须要提高到10倍左右、能量效率也需要提高10倍、网络容量需要提高1000倍、延迟需要小于5毫秒。由此可见相对于4G移动通讯来说，5G并不是仅仅意味着上网速度的提升，同时还意味着更好的用户体验以及更多的网络应用[2]。为了使得5G网络的资源与应用配置成本有效降低，同时使得其智能化的不断提高，目前研究人员已经明确了一些具体的走向，主要如下图1中所示。

图一 5G网络在未来的发展趋势图

从上图当中我们可以发现5G网络在未来的发展趋势。主要包含以下几个方面的内容：第一，无线接入技术的不断发展，在5G网络当中有可能会采用非正交多址接入技术，这对资源利用效率的改善具有非常重要的意义。第二，蜂窝网的覆盖范围必将不断缩小，由于小蜂窝技术的不断前进，在未来的网络技术当中蜂窝网的覆盖范围缩小已经是大势所趋，尤其实在一些商业化程度相对较高的地区，小蜂窝网往往呈现出密集或者超密集分布的特点，因此5G移动通讯必然也会采取这样的模式。第三，为了提高资源的利用效率与用户对数据传输速度的要求，5G移动通信当中必然会混合使用蜂窝与不同技术特征的接入方式，即所谓的异构性。第四，智能化发展，5G通信网络为了保证异构网络当中的能源节约，同时保证用户体验，会将智能化引入到架构当中[3]。

三、5G网络架构

目前国内外的学者对于5G网络架构具有一致的认识，即通过现有的RAT演进添加新的技术而得到的。虽然从世界范围内来看，关于5G的相关研究还处于起步阶段，但是已经取得了一定的成果，例如当前阶段的研究人员提出了一种新型异构的LTE-B网络架构。笔者在对现阶段关于5G的相关研究所得出的结论之上研究了5G网络的基本架构。笔者认为，在未来的5G网络当中会被分为三个不同的模块：网络部署场景、接入网以及核心网。

（一）网络部署场景

在进行网络场景的部署过程当中，我们需要将室内场景与室外场景区分开来。在进行室内场景的部署过程当中，用户可以通过室外天线当中所安装的AP实现通信，通过这种方式就可以充分利用短距离通信的优势实现信息的高速传输。在进行十万网络场景的部署当中，可以通过MIMO基站与分布式天线实现，大部分的分布式天线都是通过光钎与基站连接在一起，同时分布式天线在小区当中也是广泛分散的。而通过在终端部署Mobile-Femtocell，则可以实现与核心网络的动态连接。在这个过程当中还需要部署一定数量的虚拟蜂窝作为补充，从而使得室外的覆盖率得以有效的提升[4]。

（二）接入网的设计

在进行接入网的设计过程当中需要注意以下几个特点：第一，多种接入技术的融合：主要包括2G、3G、4G以及wify等多种接入方式，再接入的过程当中可以使用单一的无线控制器进行接入。第二，通过基站实现虚拟资源的分配：在部署集中式基站的基础之上，SDR会逐渐实现对基带的处理，并逐渐向实时云架构的虚拟化基站转变。第三，内容边缘缓存和投递，传统移动网络当中的内容存储与分发功能会被转移到接入网当中去，并根据用户的实际需求进行信息的推送，从而不断提高用户体验。第四，优化数据传输的路径，同时实现数据平面的扁平化发展[5]。

（三）核心网的设计

在5G移动网络当中，核心网的变革主要是由NFV与SDN所驱动的，主要包含以下几个不同的特点：第二，控制与转发分离发展，SDN与传统的网络体系之间存在着较大的差异，在传统的网络体系当中控制与转发是一体的，但是在SDN当中，集中式网络控制器可以实现网络分离之后的数据流量的分配，从而实现各种不同的功能。第二，物理硬件与逻辑之间的分离,NFV作为SDN的补充性技术，是一种新的建立端到端网络基础设施的方式。

图2 5G网络架构

三、5G当中的关键技术

（一）D2D通信技术

当前阶段，随着我国技术的不断发展，社交媒体等不同形式的媒体在社会当中广泛的流行起来，并进一步激发了人们对于近距离数据传输的实际需求。但是当前阶段所使用的蜂窝网在覆盖范围、数据容量以及能耗方面都存在着较大的问题，同时通信过程较为呆板，缺乏足够的灵活性，实际的业务发展所需要的可靠性与实时性得不到充分的保障，因此，在5G网络当中使用D2D通信技术就显得尤为必要，这也是5G网络当中的核心技术之一[6]。

D2D通信技术是一种短距离的通信技术，通过D2D通信技术，数据之间的实时传输得以有效的实现，不同终端之间也可以实现直接传输。相比于其他的通信技术，D2D通信技术的最大优点在于资源的节约性同时还可以在最大程度上降低信息传输过程当中所受到的干扰，在降低信息传输成本降低传输能耗方面具有非常大的优势。当前阶段我国已经加大了对D2D通信技术的研究，并取得了一定的进展，D2D通信已经在LTE-A的R12版本中获得正式立项，3GPP计划在R13版本(2015年结束)之前完成D2D在一些典型场景下的标准化工作。但是D2D技术目前还存在一些问题需要研究人员进行进一步的探索。例如D2D网络还需要进一步提升信息传输的实时性与可靠性，此外，D2D通信技术对于无线资源的管理问题也存在着较大的问题。

（二）绿色通信技术

在5G移动通信网络当中，最为鲜明的一个亮点就在于绿色通信技术。将智能化引入到5G网络当中，可以在充分保障用户体验的前提之下有效的解决网络部署当中的能源节约问题。根据最新的统计数据显示，当前阶段移动通信产业所消耗的能源占全球能源消耗总量的10%左右[7]。而在移动通信产业当中，能耗最大的地方就在于各种基站，基站的能源消耗能够占到整个网络的50%左右，因此，5G网络对绿色通信技术进行了一定的研究。若想实现真正的绿色通信，首先必须要解决的一个问题在于单个基站能耗的降低，基于此种情况，我们首先需要以网络调度为基本出发点，通过对覆盖范围内的网络使用情况动态的对资源进行调度并进行功率的控制。当前阶段国内外关于绿色通信技术已经有了一定的解决方案，例如MIMO-DFDMA系统中高能效的空时资源配置等。但是这些方案还都处于起步阶段，在实际的使用过程当中还无法彻底的实现绿色通信，若想实现真正的绿色通信，必须要建立高能效信息传输机制。需要更新各类网络节点及其组成部件、外围设备，这是一大应用难点。高能效传输机制虽然已经得到工业界和学术界的广泛关注，但尚处于初级研究阶段[8]。

（三）大规模MIMO系统

MIMO系统是指在系统的发射端与接收端设置多个天线，从而形成完整的MIMO信息传输通道。发射端与接收端的多个天线可以使得无线信息通道具有高度的自由性，同时也可以有效提高信息数据的容量，在宽度与发送能耗不大幅度增加的前提之下，MIMO可以使得系统的信息传输量以及传输距离得以有效的增加，因此，MIMO技术在最近几年当中受到了人们的广泛关注。

当前阶段所使用的IMT-Advanced技术就已经采用了MIMO的数据传输技术，通过无线信道有效的提升了频谱效率。但是在4G移动通信网络当中的MIMO还不能充分满足能量效率与频谱效率的有效提升要求，但是通过部署大规模的MIMO系统则可以有效的解决这一问题。大规模MIMO系统是以传统的MIMO技术为支撑，通过在基站附近配置大量的天线从而使得可以同时服务于多个不同的用户。大规模MIMO系统的一个较为鲜明的特征就在于使用简单的线性预编码和检测方法，噪声和快速衰落对系统的影响将逐渐消失，因此小区内干扰也得到了降低。通过在大规模MIMO系统中适当地使用多用户MIMO，避免了复杂的调度算法，也简化了MAC层设计[9]。如果适当增加反馈比特，系统容量会

显著提升。这些优势使得大规模MIMO系统成为5G的一大潜在关键技术。

四、结语

当前阶段随着社会的不断发展，人们对于信息的需求量不断增加，移动通信作为人们获取信息的一个重要途径，在信息搜集方面具有非常重要的作用，因此，人们迫切的希望提高移动通信的速度与质量，现阶段的4G通信技术已经逐渐无法满足人们的实际需求，在这样的背景下5G通信技术即将走向历史舞台。本文对5G移动通信平台进行了研究，并研究了其中的关键技术，希望可以对我国的5G移动通讯的发展有所帮助。

[1]尤肖虎,潘志文,高西奇,曹淑敏,邬贺铨.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学:信息科学,2014,05: 551-563.

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[3]赵国锋,陈婧,韩远兵,徐川.5G移动通信网络关键技术综述[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2015,04:441-452.

[4]周江.面向5G的分层次分布式云服务系统资源优化调度与分配[D].电子科技大学,2015.

[5]CHEN Shanzhi,SUN Shaohui,WANG Yingmin,XIAO Guojun,Rakesh Tamrakar.A Comprehensive Survey of TDDBased Mobile Communications Systems from TD-SCDMA 3G to TDLTE-Advanced 4G and 5G directions[J].中国通信, 2015,02:40-60.

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[9]Ye S,Green F R,Scarabin P Y,et al.The 4G/5G genetic polymorphism in the promoter of the plasminogen activator inhibitor-1(PAI-1)gene is associated with differences in plasma PAI-1 activity but not with risk of myocardial infarction in the ECTIM study.Etude CasTemoins de I'nfarctus du My[J]. Thrombosis&Haemostasis,1995,74(3):837-41.