5G网络智能化的关键技术

肖 健

（南京中新赛克科技有限责任公司，江苏 南京 210012）

0 引 言

5G无线网络迫切需要一个有效且具有异构性架构的管理平台来满足未来的互联要求。网络运营商为了满足不断增长的流量需求，试图通过部署各种大小的蜂窝（主要是微蜂窝）来提高网络的覆盖范围并提升用户体验。无线通信网络设计必须让未来的网络能够在处理日益增长的流量需求的同时提高质量满意度和能源使用效率。

为了实现以上需求，需要考虑一个全面解决系统复杂性和异构性等方面的综合方法。对5G无线网络的关键技术进行介绍，为了解决这些关键的技术难题，有必要提升5G移动网络的智能化程度，以便找到最佳的系统配置方案。

1 面向5G的无线网络概述

1.1 无线电接入技术的演进

无线通信网络的发展方向是从2G到3G再到4G或长期演进（Long Term Evolution，LTE）移动通信[1,2]。3G和4G技术一直是3G伙伴关系项目标准化的重点。这种演变主要是基于先进的无线接入技术（Radio Access Technology，RAT）的发展，从频分/时分多址和频分多址到宽带码分多址，再到宽带码分多址的正交频分多址。

1.2 小区大小减少

目前运营商部署的网络中，蜂窝的数量不断增多，单个蜂窝的覆盖范围不断缩小，这样可以有效增大小区容量和降低资源成本，并提高资源利用率[3-6]。小区的尺寸范围从宏基站小区到最现代的微型小区，能够提供显著的容量改善，同时只消耗很少的能源。

1.3 复合的无线基础架构

运营商的盈利目标要求运营商必须不断降低运营成本，因此运营商必须充分利用各种不同类的无线基础架构。在RAT层面，无线接入设备是不同种类的，为此提出复合无线基础架构的概念。实现复合无线基础架构的重点是关于蜂窝系统与无线局域网(WLAN)的互连，其目的主要是针对改善应用层的体验，例如可以通过最合适的无线网络提供多种应用。

1.4 异构网络部署

异构网络的主要目的是提高成本效率。异构网络基于一个蜂窝标准，可以由不同类型的基站（Base Station，BS）组成，如宏基站、微基站、微微基站以及飞蜂窝等。像微微基站这类的低功率BS将被用来提高覆盖率和容量，其覆盖区域比宏基站BS的覆盖区域小得多。因此，所有这些基站都需要得到适当的管理，同时对支持低功率的蜂窝网络的配置要求仍与宏蜂窝网络非常相似。异构网络提供多种选择以满足不同应用的要求，这个发展方向对降低网络部署的成本有积极的影响。

1.5 灵活的频谱管理

灵活的频谱管理是以提高资源利用率为目标，网络运营商可以灵活地将频谱分配给他们运营的RAT[7]。有一些关键技术可以提供这种灵活性，例如频谱再分配，它允许拥有技术上中立的频谱带，并将不同的频谱分配给特定的RAT。此外，另一个关键技术是随机频谱接入，在这种情况下，允许次级用户在特定的时间和地点独立识别未使用的频谱带。

1.6 利用Cloud-RAN和移动云概念

随着云概念在各个技术领域的应用，5G网络也可以应用移动云技术以进一步提高成本效率。如果无线网络基于云原则，可以产生规模成本效应（尤其是资本和运营成本）。通过共享使用硬件设施可以实现这个目的。利用云存储技术可以避免同一组件的多次部署，从而节省存储服务器的成本。此外，宏小区和小型基站可以连接到灯柱上以节省铁塔资源并降低建设成本。

2 智能化概论

将智能化引入5G可以为解决异构网络和云RAN的复杂性提供有效的解决方案，智能化云RAN功能管理所需的功能与最佳的云RAN配置有关。智能化主要是解决特定场景下的网络性能优化问题，包括有关流量的分配，电平的分配、干扰电平的抵消(对应于前面讨论过的复杂的网络环境)以及收发器数量的配置等。

将智能化引入异构网络，将提供以下4个问题的最优解决方案。一是参与工作的收发器的数量；二是分配给收发器的频谱（频段和通道带宽）；三是每个收发器允许的发射功率；四是分配到基站的流量。

此外，融合网络的概念也被提出，其目标是提高网络整体性能，利用智能化的优势进行异构网络部署。融合网络的关键技术是多层和多流聚合（Multiple Stream Aggregation，MSA）技术，根据该技术，主机层主要是由宏小区覆盖，应保证充分覆盖。主机层以外是辅助层，由数量众多的微基站组成(例如小型小区的增强基站)，频谱补充技术（例如应用机动频谱带和增强RAT技术）可以提供最佳的网络性能。用户被分配在主机层上，这样做是为了减少切换和干扰对用户体验造成的负面影响。辅助层的流量可以根据网络状况动态调整。应用网络分层管理技术运营商可以灵活的将辅助层分配到需要流量的地方，这样网络覆盖问题就迎刃而解了。

3 主要新兴技术

5G网络特定的新兴技术包括SDN和NFV[8,9]，通过应用SDN和NFV可以有效满足网络运营商的需要而加快服务创新，减少了设备成本和能源成本。一台服务器可以托管多个虚拟化网络设备，也可以通过NFV提供新的网络服务来增加收益。

3.1 软件定义的网络

SDN是新兴的网络架构，相较于传统网络中硬件来定义网络，SDN在控制面中使用集中式网络控制器将流量分配给网络中分离数据平面中的元素。网络控制器集中维护整个系统的智能化和监控网络状态。通过北向接口，网络控制器提供网络的全局统一视图。整个网络看起来像一个软件工程，因此新颖的网络应用可以通过软件编程在短时间内轻松创建、测试及部署。

3.2 网络功能虚拟化方向

NFV技术是用不断发展的标准IT虚拟化技术构建端到端网络架构的新方法，它可以将许多异构网络设备整合进5G标准网络，例如大容量服务器、交换机以及存储设备等。用软件包来实现网络设备的网络功能，这些软件包运行在虚拟机中。测试一个新的网络功能将变得非常简单，只需要安装或更新一个软件包。虚拟架构的基础是通用计算机，硬件部分有高密度的硬件服务器和存储设备，通过网络交换机连接起来，由业务流程组织运作，这样简化了传统网络中逻辑控制部分的硬件，基础架构可以快速部署。与传统硬件实现网络功能不同，NFV的网络功能由软件来实现，新功能可以通过软件迭代来快速开发和实现。此外，在通用硬件上自动化安装和管理虚拟化网络功能可以节省大量的人力资源，同时也能有效降低网络故障率。

NFV技术的主要优点是运营商可以建立并运营一个成本和功耗均较低的网络。随着集成设备和信息技术的发展，新的服务将变得易于创建、测试及使用，新的网络功能上市时间将更短。

4 结 论

考虑到复杂的运营环境和用户基本需求，采用不断发展的新兴技术来增强无线网络的功能。同时，引入异构网络架构和智能化管理方法。新兴技术SDN和NFV对5G网络的未来智能化发展有重要影响，可以有效提高网络智能化程度并提升网络的可塑性与可编程性。未来5G网络将彻底颠覆现在的网络架构，运营成本会更低、覆盖范围更大、网络质量更好、用户体验更佳且网络管理更加简单，从而更好的服务人类。