5G移动通信网络发展探究（一）

柳虔林

（云南省军区，昆明 650051）

5G移动通信网络发展探究（一）

柳虔林

（云南省军区，昆明 650051）

随着移动通信和互联网技术飞速发展，更高速、更便捷、更便宜、更低耗的移动互联网已成为人们追求的目标。结合当今5G研究发展实际，在简要介绍5G概貌特征基础上，分析了5G网络架构设计和关键技术，阐述了5G在4G基础上的创新发展，旨在进一步推动这一新型移动通信网络技术的研究和发展工作。

5G；移动通信网络；移动互联网

1 引言

自20世纪80年代以来，移动通信在信息通信舞台上一直扮演着重要角色，在三十多年间，从基于频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）技术的1G、2G、3G发展到基于正交频分多址（OFDMA）技术的4G，业务则从模拟语音、数字语音和低速数据、多媒体数据到移动宽带数据拓展，成为连接人类社会的基础信息网络。移动通信的发展不仅深刻改变了人们的生活方式，而且成为世界各国推动经济发展、提升社会信息化水平的重要引擎[1-3]。随着信息通信技术的不断发展，用户对上网体验要求越来越高，经历了3G网上快速浏览后，很多用户便无法忍受打开网页的2G网速；经历了4G“高速网络冲浪”后，一些用户又无法忍受3G上网看视频屡遇卡壳的尴尬，加之云计算、人工智能、物联网、车联网、超高清视频、虚拟现实（Virtual Reality, VR）、无人驾驶、智能家居等增值业务飞速发展，移动智能终端接入数量和数据流量均呈现爆发式增长，现有的4G在容量、速率、服务、频谱、能耗等方面已经越来越难以满足人们需求[4]。如果仅是对人的娱乐需求而言，低带宽或许是可以容忍，但对机器通信而言，无人机、无人车或机器人和云计算之间通信带宽只要跌落到一定程度，整个业务系统就会崩溃[5]。为此，各主要国家、行业组织、相关企业和科研院所纷纷投入大量人力、物力和财力寻求比4G更为优越的下一代移动通信网络（5G），其研发工作取得了可喜进展[6-8]。本文在简要介绍5G移动通信网络概貌特征基础上，对其网络架构设计和关键技术进行分析，同时阐述了其在4G基础上的创新发展。

2 概貌特征

在移动通信发展的三十年多年间，1G还谈不上上网，2G网速如牛车一般，3G网速如高速行驶的汽车，4G网速则可视为高铁，它实现了在任何地方、任何时间与任何人之间的通信联系，但其发展并未就此止步，因为人们对通信的需求又更进了一步，信息通信技术的发展也在不断前行，这便促使移动通信向下一代目标迈进。2015年11月，国际电信联盟（ITU）将下一代移动通信网络正式命名为IMT-2020，给出了图1所示的发展路线图，2018年将最终确定全球标准，到2020年达到实用化目标[9]。

图1 IMT-2020发展路./;l图

与4G相比，5G打开了广大用户进入吉比特时代的大门，好比是火箭飞天，其速率可达到20Gbps，每平方公里可链接数超过100万，链接延时仅1ms，其速度和接入能力足以满足未来各类智能终端互联互通的需要，是未来万物互联的重要基础。5G是2G/3G/4G通信网络技术进步的结果，是未来的移动互联网，是包括大多数通信系统和通信技术应用的综合平台；5G作为全新的通信理念，在重塑我们的生活、学习、工作和娱乐的同时，将会改变和引领我们的生产生活方式及走向；5G系统是一次信息通信技术革命，对产业的影响将超过以往2G、3G、4G；5G网络终端将比2G、3G、4G时代丰富得多，将成为推动行业数字化的主要技术，将有助于实现沉浸式体验、自动驾驶、远程机器人控制、服务现场中的增强现实及混合现实等；5G时代更能充分体现通信行业需要与各行各业深度融合，从过去的单一领域向跨领域协同创新转变，围绕多种场景和多个领域，共同推动基础通信能力的成熟和发展[3,5,6]。

5G网络定义了增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband, eMBB）、大连接物联网（Massive Machine Type Communications, mMTC）和超高可靠超低时延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communication, URLLC）三大应用场景[10]。其中，eMBB对应的是超高清视频等大流量移动宽带业务，mMTC对应的是大规模物联网业务，URLLC对应的是无人驾驶、工业自动化等需要低延时高可靠性连接的业务。其主要场景与关键技术挑战如表1所示。

表1 5G主要场景与关键技术挑战

作为新一代移动通信系统，5G的关键能力比以前几代移动通信系统更加丰富，具体体现在传输速度更快、时延更短、容量更大、应用更广、能量更节省、更绿色、更可靠[3,6,7]。经过世界有关方面和专家的协商，已确定5G的关键性能指标为用户体验速率、峰值速率、时延、移动性、连接数密度、流量密度、能效和频谱效率[8-10]，这8个指标的具体描述如表2所示。

表2 5G的关键性能指标

在这8个关键性能指标中，最具代表性的是高达1Gb/s的用户体验速率，用户使用5G手机，在数秒钟内即可下载一部高清电影，还可观看无须缓存等待的足球、篮球、网球、滑雪、赛车等直播节目，这将促使VR游戏、4K/8K高清3D视频、高清远程监控等对宽带要求较高的智能应用进入寻常百姓家。

从5G的概貌特征不难看出：5G网络并不是简单地提升传输速率，也不是对现有网络的完全取代，而是充分借鉴、融合了现有的无线技术和互联网技术，并在此基础上进行开拓创新，以更好地满足消费者和产业界的多样化需求，能更好地实现人与人、人与物、物与物的互联互通。

3 5G网络架构设计

面对多样化的应用和业务场景，5G在网络架构设计方面充分考虑到频谱效率、能源效率以及新频谱利用等方面的关键性能指标要求，并采用相应技术来解决网络架构设计方面所涉及到的逻辑功能实现、不同功能间的信息交互、设备平台实现、网络部署实现等问题[3,6,10]，其关键性能指标及其对应候选技术如图2所示。

其中，大规模MIMO（Massive Multiple-Input Multiple-Output, Massive MIMO），是MIMO技术的扩展和延伸，其基本特征是在基站侧配置从几十至几千的大规模天线阵列，其中基站天线的数量比每个信令资源的设备数量大得多，利用空分多址（SDMA）原理，同时服务多个用户，可以显著提高频谱效率和能量效率[3,6]；软件定义网络（Software Defined Networking, SDN）是用软件来调度和管理网络，它是动态的、可管理的、高性价比和适应性强的技术，适合于当今高宽带和动态应用，其特点是控制与转发分离、控制集中化和使用广泛定义的软件接口；网络功能虚拟化（Network Function Virtualization, NFV）的目标是将网络功能中用专用硬件实现与软件实现分离，从而降低成本和功耗；超密度网络（Ultra Dense Network, UDN）是基于5G场景驱动，通过超密集异构部署，旨在改善网络覆盖、大幅提升系统容量，并对业务进行分流，使网络部署更灵活、频率复用更高效[7,10]。移动边缘计算（Mobile Edge Computing, MEC）是把无线网络和互联网有效融合，并在无线网络侧增加计算、存储、处理等功能，营造一个高性能、低延时、高带宽的信息服务环境，一方面是改善用户体验，节约带宽资源，另一方面是将计算能力下沉到移动边缘节点，为第三方应用集成移动边缘入口服务提供支持[11,12]。

图2 5G关键性能指标及其对应候选技术

5G网络架构设计包括系统设计和组网设计两个方面。

3.1 系统设计

5G系统设计重点考虑逻辑功能实现以及不同功能之间的信息交互过程，构建功能平面划分更合理的统一的端到端网络逻辑架构[9]。5G网络逻辑功能由接入平面、控制平面和转发平面三个功能平面构成，具体如图3所示[10]。其中，接入平面引入多站点协作、多连接机制和多制式融合技术，构建更灵活的接入网拓扑；控制平面基于可重构的集中的网络控制功能，提供按需的接入、移动性和会话管理，支持精细化资源管控和全面能力开放；转发平面具备分布式的数据转发和处理功能，提供更动态的锚点设置，以及更丰富的业务链处理能力。在整体逻辑架构基础上，5G网络采用模块化功能设计模式，并通过“功能组件”的组合，构建满足不同应用场景需求的专用逻辑网络。

图3 5G网络逻辑架构图

5G网络以控制功能为核心，以网络接入和转发功能为基础资源，向上提供管理编排和网络开放的服务，形成管理编排层、网络控制层和网络资源层三层网络功能，具体如图4所示[10]。其中，管理编排层由用户数据、管理编排和能力开放三部分功能组成。用户数据功能存储用户签约、业务策略和网络状态等信息。管理编排功能基于NFV技术，实现网络功能的按需编排和网络切片的按需创建。能力开放功能提供对网络信息的统一收集和封装，并通过API开放给第三方。网络控制层包括无线资源集中分配、多接入统一管控、移动性管理、会话管理、安全管理和流量疏导等功能模块，旨在实现网络控制功能重构及模块化。网络资源层包括接入侧功能和网络侧功能。接入侧功能包括提供接入侧的业务汇聚功能的中心单元（CU）和为终端提供数据接入点（包含射频和部分信号处理）的分布单元（DU）。网络侧功能重点实现数据转发、流量优化和内容服务等功能。

图4 5G网络功能视图

3.2 组网设计

5G组网采用模块化功能设计并引入SDN/NFV技术，在同一基站平台上同时承载多个不同类型的无线接入方案，实现无线接入网（Radio Access Network, RAN）内部各功能实体动态无缝连接，并能完成接入网逻辑实体的实时动态的功能迁移和资源伸缩，最终实现接入网和核心网功能单元动态连接，配置端到端的业务链，实现灵活组网[3,6,10]。5G组网功能元素进一步区分为中心级、汇聚级、区域级和接入级四个层次。其中，中心级以控制、管理和调度职能为核心，可按需部署于全国节点，实现网络总体的监控和维护。汇聚级主要包括控制面网络功能（如移动性管理、会话管理、用户数据和策略等），可按需部署于省份一级网络。区域级主要包括数据面网关功能、移动边缘计算功能、业务链功能和部分控制面网络功能，以承载业务数据流，可部署于地市一级。接入级包含无线接入网的CU和DU功能，CU可部署在回传网络的接入层或者汇聚层，DU部署在用户近端，两者间通过增强低时延传输网络性能来实现多点协作功能。

4 5G关键技术

5G极为重要的一个关键技术是系统能够提供全面、海量、随机、无序、低时延和低能耗的智能连接能力，使其能够成为万物互联和同异质网络支撑的基础性交互综合系统，可以支持包括音频、视频、高清在线游戏、触觉感知、基于在线状态、基于位置服务、电子商务和电子医疗等多样化业务，支持工业互联网的许多新业务、新应用和新需求，甚至包括工业互联网[7,11,12]。业界认为：5G应是一个宽带化、泛在化、智能化、融合化、低碳化的新一代通信网络，其关键技术多达十几项[3,6,12]。当前，业界关注的关键技术体现在以下几个方面。

4.1 多天线传输技术

多天线技术经历了从二维到三维，从无源到有源，从高阶多输入多输出到大规模阵列的发展，能把频谱利用率提高到数十倍甚至更高。大规模天线阵列在现有多天线基础上通过增加天线数，可支持数十个独立的空间数据流，将数倍提升多用户系统的频谱效率，提升空间维度资源利用率，降低信号干扰，提升整体功率效率，对满足5G系统容量与速率需求起到重要的支撑作用。有源天线阵列的引入，使基站侧的协作天线数量多达128根，可将原2D天线阵列拓展成3D阵列，形成3D-MIMO技术，通过每个低成本、低功耗天线模块的半自治功能，支持多用户波束职能赋型，减少用户间干扰，进一步改善无线信号覆盖性能。其中，Massive MIMO信道估计、信道测量与反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现等是该项技术面临的主要挑战[3,8,11]。

（未完待续）

诺基亚贝尔携手中国联通利用小站提升移动宽带性能

诺基亚贝尔近日宣布与中国联通达成合作协议，双方将携手在中国31个省市部署诺基亚Flexi Zone小站及AirScale低功耗射频单元。这将给中国联通各省分公司的网络带来新的灵活性，助力其在繁忙都市地区实现3G和4G LTE网络的密集部署，并进一步提升郊区及农村地区的网络性能。

The Development Research on 5G Mobile Communication Network (I)

Liu Qianlin
(Yunnan Provincial Military Command Region, Kunming, 650051)

With rapid development of mobile communication and Internet technology, the mobile Internet with more high-speed, more convenient, more cheaper and lower consumption has become the desired targets of people’s pursuit. Based on the up-to-date development of the 5th Generation Mobile Communication Network,this paper gives a brief introduction to the conception and features of 5G, then analyses the designation of network architecture as well as the key technology, and the creation and development based on 4G is also described, so as to further promote the research and development works of the new kind of mobile communication technology.

5G; mobile communication network; mobile Internet

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.11.009

TN929.5

1672-7274（2017）11-0030-04

柳虔林，男，1966年生，工学博士、高级工程师，研究方向为通信与信息系统。