第五代移动通信网络体系架构及其关键技术

余 莉，张治中，程 方，胡昊南

(重庆邮电大学通信网测试工程研究中心，重庆 400065)

0 引言

随着人们对信息通信需求的不断增加，信息通信在人们生活中所发挥的作用也越来越大，信息通信将成为维持整个社会生态系统正常运转的信息大动脉。移动通信凭借其应用之广和接入之便，其应用将不再局限于人与人的沟通，可能是人与物的沟通，甚至是物与物的通信。人们对通信网络各方面的需求呈现爆炸式增长，将对5G(the fifth generation mobile communication network)在频率、技术和运营等方面带来新的挑战，未来5G的发展成为业界研究的热点。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 5G概述

5 G网络有五大应用场景:超高速场景;支持大规模人群;随时随地最佳体验;超可靠的实时连接;无处不在的物物通信。

5G网络需要达到五大性能目标:传输速率可达10 GB/s;频谱效率提高10倍;业务时延小于5 ms;网络容量提升1 000倍;能量效率提升10倍。5G不再仅仅是速率的提升，而是提供更多的应用和更好的用户体验。

为了达到经济合算的资源配置和应用配置，并实现智能化增强，业界已经确定了一些具体的技术走向。图1简要概述了5G网络的主要走向［1］。

图1 未来5G网络的总体趋势Fig.1 Overall trend in the future 5G network

1 )无线接入技术(radio access technology，RAT)的演进(2G→3G→4G→5G)。3G和4G技术是第三代合作伙伴计划(the 3rd generation partnership project，3GPP)［2］标准化组织研究的重点。同时，IEEE标准化组织［3］引入各种其他无线局/城/个域宽带系统。这些RAT的演变，是从频分/时分和宽带码分多址变化为正交频分多址接入(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)，演进到5G时，可能采用非正交多址接入(nonorthogonal multiple access，NOMA)技术。这个方向主要是改善资源的利用率。

2 )蜂窝覆盖范围逐渐减小。随着 Femto，Pico和Micro等小蜂窝技术的演进，蜂窝覆盖范围的缩小已经是未来网络发展的一个趋势，特别是在高度商业化地区。然而小蜂窝的随机部署特性，不可避免地会出现小蜂窝的密集分布甚至超密集分布，以提高接入传输速率和网络容量［4］。由此推断，5G必然是一个超密集网络。

3 )异构性［5］(5G特性之一)。混合协同使用不同覆盖范围的蜂窝和不同技术特征的接入点(例如WiFi等)，能够提高资源利用率，满足用户和数据业务对无线数据速率日益增长的需求。

4 )智能化。智能化的引入，在保障用户体验的前提下，能够为异构网络的部署提供节省能源［6］和成本的解决方案。此方向还提出了自组织网络(self－organized network，SON)、软件定义化网络(software defined networking，SDN)、软件定义无线电(software defined radio，SDR)，云接入等新的概念。

2 5G网络架构

国内外学者提出:5G的定义是现有RAT的演进加上补充性的新技术。

虽然对5G的研究尚处于初级阶段，但是成果不容小视。文献［7］提出一种新型异构的LTE－B网络架构，为了提升LTE容量，部署了虚拟小区(phantom cells)，另外把用户平面(U－plane)和控制平面(C－plane)分离;文献［8］提出一种室内室外场景区分对待的架构，室内用户只需与室外蜂窝的室内AP通信(如毫米波通信)，可以减少穿透损耗;文献［9］指出，为了支持小蜂窝和毫米波结合，利用光纤回程提供高速无线接入。

根据上述研究，总结出一种5G网络架构(如图2所示)。该架构可分为三大模块:网络部署场景、接入网和核心网。

场景部署时，把室内和室外场景区分对待。

1 )室外借助分布式天线(distributed antenna system，DAS)和大规模 MIMO(multiple inputmultiple output)配备基站，天线元件分散放置在小区，且通过光纤与基站连接。移动事物(如终端)部署Mobile Femtocell，可以动态地改变其到运营商核心网络的连接。同时，部署虚拟蜂窝作为宏蜂窝的补充，提升了室外覆盖率。

2 )室内用户只需要与安装在室外建筑的大型天线阵列的室内AP进行通信，这样就可以利用多种适用于短距离通信的技术实现高速率传输，比如60 GHz毫米波通信，可以解决频谱稀缺问题。

接入网设计时有4个特点。

1 )异构多接入技术的融合:包括GSM，UMTS，LTE，WiFi等，用一个单一无线控制器(single radio controller，SRC)进行操作。对SRC有3点要求:①增强现有接口;②SRC向后兼容;③SRC不会影响传统的eNB，NB，BTS，WiFi AP的空中接口。这样，可以达到提升无线资源利用率，保证统一的QoE(quality of experience)接入网络，简化 Inter－RAT 程序和网络管理等效果。

2 )基站资源的虚拟化，资源分配集中控制:在集中式基站部署上，基带处理单元(base band unit，BBU)的基带处理逐渐由 SDR实现，在原有 CRAN［11］上演进到基于实时云架构的虚拟化基站，实现频谱资源的动态调度。通过基带池中BBU与配置的远端射频单元(remote radio head，RRH)协作工作，可以实现统一平台上的多种无线网络功能。

3)内容边缘缓存和投递:将内容存储和分发能力下沉到接入网，基于对用户的感知［12］，按需推送内容，提升用户业务体验。

图2 5G网络架构Fig.2 5G network architecture

4 )传输路径优化，数据平面扁平化。

核心网主要是由SDN、网络功能虚拟化(network function virtualization，NFV)技术驱动网络变革，同样具有四大特点:

1 )控制与转发分离:SDN［13］是一个新兴的网络体系结构，在控制平面中，集中式网络控制器负责把网络分离后的数据转发平面上的流量分配给网络元件，实现拓扑感知、路由决策和协议等功能。

2 )物理硬件与逻辑分离:NFV［14］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。利用IT虚拟化技术，将核心网设备迁移到高性能服务器，将核心网网元功能从专用硬件移植到通用虚拟机平台。简化了硬件平台的设计，使组网灵活并降低了组网成本。

3 )对业务的感知，支持动态的数据传输策略。

4 )数据平面扁平化。

3 5G关键技术

3.1 超密集异构网络部署

为应对未来持续增长的数据业务需求，密集异构网络部署将会成为当前无线通信发展所面临挑战的一种解决方案［15］。例如，能够解决5G中提出的无线数据速率提高1 000倍的问题［16］，提高空间谱利用率及增强室内覆盖等问题［17］。

未来5G网络的架构将从传统的移动蜂窝方式转向分布式的、异构的新型通信方式，网络种类繁多。密集组网下的LTE－B异构网络部署场景如图3所示，小区的部署更加密集，单个小区的覆盖范围大大缩小。如图3中，将Macro作为网络的基石，Picocell，Femtocell和Relay等低功率基站则用来消除只有Macrocell时的覆盖盲区，能有效分担宏蜂窝的负担，提供低时延、高可靠的用户体验。然而，此种架构会引发严重的干扰问题。产生干扰的原因有用户自定义部署，封闭的接入方式，不同设备发送功率的差异等。

层内层间干扰越来越复杂，因此需要进行有效的干扰管理和干扰协调抑制。3GPP提出了ICIC(intercell inference coordination)标准，从功率控制、时域和频域3个层面来减轻密集网络带来的干扰。文献［18－20］提出基于网络监听的功率控制技术，虽简单容易实现，但是有很多参数难以确定，无法保证优良的性能指标;为了有效控制小蜂窝之间的下行干扰，东南大学特别针对密集部署的小蜂窝覆盖网络，提出一种基于两级分组结合功率控制和协作联合传输的干扰控制方法来提升网络整体性能;文献［21］提出了基于ABS(almost blank subframe)的异构网络下行增强型小区间干扰协调技术方案，在吞吐量方面比功率控制技术有明显提高，但是小区的频繁切换和跟踪区域不断更新，对MUE(macro user equipment)，HUE(home user equipment)数据传输的连续性提出了挑战;为了使网络速率达到最大化，文献［22］利用电波传播中的路径损耗特性，提出了异构网络中多用户共享幅度空间及主动式干扰消除方法;基于智能天线的干扰消除有文献［23］提出的基于3D波束形成天线的联合处理协同多点传输(coordinated multiple points transmission/reception，CoMP)方法，解决了Intercell干扰问题，提高了边缘小区UE(user equipment)的性能，同时不需要任何的信令开销，但是必须在基站中配置这种新型天线;文献［24］研究了节能的预编码器，构建原始约束集的凸子集和一个准凹下界的能量效率来解决非凸优化问题，提出能量高效的小区间协作波束成形迭代算法;基于干扰对齐(interference alignment，IA)的干扰消除，文献［25］提出分层IA干扰消除方法，设计发送波束形成矩阵来解决Macrocell与smallcell之间的干扰，但是这种方法涉及到复杂的计算，提高了HeNB的硬件成本，而且严格要求MeNB和HeNB时间同步。

图3 密集组网下的LTE－B异构部署场景Fig.3 LTE－B heterogeneous network scenarios under the dense network

上述方法都是利用两小区协作来解决干扰问题。但是未来5G网络，多网并存，可能存在多小区协作。而且，频谱资源越来越稀缺，可能没有足够多的频段可以进行分配，所以未来提出的干扰消除方法应该尽可能的提高资源效率。5G网络中拟研究的内容有:

1 )密集多小区场景时基于干扰协调的干扰消除方法。

2 )密集多小区场景时能量与频谱高效协作的波束成形方法。

通过超密集异构部署提升容量，是目前最直观的方法，也是国内外各研究组织重点研究对象。

3.2 D2D通信

目前，社交网络、本地广告等应用的流行使得人们对近距离数据通信的需求逐渐增加。然而，目前的蜂窝系统存在覆盖、容量和功耗等方面的问题(特别是在近距离本地通信业务中)，并且缺乏足够的灵活性，难以完全满足不同业务在实时性和可靠性方面的独特需求。因此，在5G中研究 D2D［26］(device to device)通信很有必要。D2D通信作为5G关键技术之一，对蜂窝通信起到必不可少的支撑和补充作用，能够实现大幅度的无线数据流量增长、降低功耗、增强实时性和可靠性。

D2D通信是一种短距离通信，能够实现数据在终端间的直接传输。蜂窝网中的D2D通信示意如图4所示。

图4 蜂窝网中的D2D通信Fig.4 D2D communication in the cellular network

D2D的通信特点在节省资源、减小干扰、提升传输效率、降低传输成本等方面有巨大优势。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。国内企业也比较关注D2D。早在2004年左右，Philips公司基于TD－SCDMA系统，讨论了蜂窝控制下的 P2P技术，这是最接近于D2D的通信方式，但只适用于TD－SCDMA系统。2008年8月召开的3GPP会议上，Motorola公司提出并讨论了D2D通信技术。华为、NOKIA等公司近年来也一直致力于此项技术的研究，发表了许多技术文献和专利。

3 GPP拟定的D2D技术白皮书对D2D的通信控制、干扰协调、资源分配、功率控制等一些关键技术有比较深入地研究。当前业界对于D2D通信技术的研究，主要集中在D2D发送功率控制以及资源分配等方面。文献［27－31］对D2D技术的研究，重点集中在移动网络和D2D混合通信系统中资源分配和干扰协调问题上。一些学者提出了一个“D2D对”和一个网络用户之间的资源共享方式，另一些提出了有效的干扰抑制算法，这些方法可以有效地解决资源分配和干扰协调问题，但是现有基站协作方法所存在的开销大、实现困难等问题尚有待解决;文献［32］提出了2种有效的干扰协调机制:一种是通过干扰跟踪方式控制网络用户对D2D的干扰，另一种是通过可容忍的干扰广播方式控制D2D对网络用户的干扰;文献［33］中利用多天线技术来有效控制干扰，提出在基站侧采用迫零算法，这样可以完全消除基站对D2D的干扰;同济大学针对LTE系统引入D2D通信技术后对所面临的资源分配问题进行了数学建模，利用粒子群优化理论对该系统下的模式选择与资源分配进行联合优化，达到了预期的效果，具体算法和理论分析可参考文献［34－35］。上述方法虽然能够解决现有蜂窝网中D2D通信问题，但5G中仍有一些待解决的问题:

1 )D2D通信的无线资源管理问题:何时启用D2D通信模式，D2D通信如何与蜂窝通信共享资源，是采用正交的方式，还是复用的方式，是复用系统的上行还是下行资源，这些问题都增加了D2D辅助通信系统资源调度的复杂性和对用户的干扰，直接影响到用户体验。所以研究基于D2D通信的资源分配优化调度算法具有非常重要的意义。

2 )实时性和可靠性问题:在未来5G网络中，通信时延和可靠性将是评价通信性能好坏的指标之一。在D2D通信过程中，如何根据用户需求和服务类型满足设备之间通信的实时性和可靠性，是D2D技术中的研究内容之一。

3 )干扰抑制问题:为了解决多小区D2D通信的干扰抑制问题，在合理分配资源前需要对全局信道状态信息(channel state information，CSI)有准确的了解。目前的基站协作技术虽然可以实现这个功能，但是还存在着精确度与能耗等方面的问题，需要找到一个既能适用于支持D2D多小区通信资源分配，又可以达到节省能耗的基站协作技术方案。因此如何解决这些问题，更好地支持D2D通信技术，达到绿色通信的目的将会是未来研究的技术难点。

3.3 大规模M IMO

MIMO(multiple inputmultiple output)系统，即发送端和接收端均放置多个天线，形成MIMO通信链路。通过添加多个天线，可以为无线信道带来更大的自由度，以容纳更多的信息数据。MIMO可以在不增加带宽或总发送功率耗损的情况下大幅增加系统的吞吐量及传送距离，使得此技术近几年颇受瞩目。

目前的IMT－Advanced标准采用了基于多天线的MIMO传输技术，利用无线信道的空间信息大幅提高了频谱效率。现有4G网络的8端口多用户MIMO不能满足频谱效率和能量效率的数量级提升需求，而大规模MIMO系统可以显著提高频谱效率和能量效率［36］。大规模MIMO技术是MIMO技术的扩展和延伸，其基本特征是在基站侧配置大规模的天线阵列(从几十至几千)，其中基站天线的数量比每个信令资源的设备数量大得多［37］，利用空分多址(space division multiple address，SDMA)原理，同时服务多个用户。此外，大规模MIMO系统中，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［38］，也简化了MAC层设计。如果适当增加反馈比特，系统容量会显著提升［39］。这些优势使得大规模MIMO系统成为5G的一大潜在关键技术。

在Henderson－Clark框架背景下，大规模MIMO在未来5G中具有颠覆性的潜力［40］，它有以下特点。

1 )在节点方面，它是一项可扩展技术。4G在许多方面不可扩展，因为方位定向天线的空间有限，并且传播时角度扩散是不可避免的，也就是说天线数量与设备数量必须相匹配。然而，通过上行导频采用时分双工进行信道估计，大规模MIMO中基站天线数量没有限制。

2 )能促使新的部署和架构产生。尽管人们可以设想直接用低增益谐振天线阵列替代宏基站，但是其他部署也是有可能的，如在农村地区的水箱表面或摩天大楼的外墙部署共形天线阵列。

大规模MIMO虽然潜力巨大，但是仍然面临一些挑战。信道估计是关键，是局限性的主要来源。用户运动使相干间隔有限，在此期间必须获得利用信道的条件，因此分配给设备的正交导频序列的数量有限。而且，导频序列的复用会造成导频污染和相干干扰，并随着天线数目的增加而加重。从实现的角度来看，大规模MIMO可以通过每个低成本、低功耗天线模块的半自治功能实现，但仍需相当大的努力，以证明该解决方案的成本效益。

根据上面的分析，可以认为，5G采用大规模MIMO对目前系统的设计是一个重大的飞跃。此方向的支持者会努力解决存在的问题，并通过理论、模拟及测试等研究方法来展示实际的性能改进，证实未来5G中大规模MIMO应用的必要性。

3.4 绿色通信

智能化的引入，能够在保障用户体验的前提下为异构网络的部署提供节能的解决方案。统计结果表明，信息和通信技术产业占全球能源消耗的10%，而在无线网络中，基站的能源消耗占网络全部能耗的50%以上，因此绿色通信必定是5G的研究方向［41］，也是重中之重。

要实现绿色通信，首先要降低单个基站的能耗;其次，要从网络调度入手，使网络可以根据服务区内用户业务量的变化，动态地进行资源调度及功率控制;再者，就是要优化网络部署及网络拓扑结构。

目前国内外针对绿色通信有一些解决办法。文献［42］研究了MIMO－OFDMA系统中高能效的空时资源配置;文献［43］针对时延敏感和不敏感混合业务提出了基于CoMP的高能效－谱效基站协作休眠和空时资源分配，并利用层次迭代算法解决了优化问题;文献［44］针对波分复用光网络的节能需求，研究绿色网络解决方案，提出绿色共享通路保护算法;文献［45］提出回程的概念。随着异构网络的部署，回程的功耗可能成为未来5G绿色无线接入网的一大瓶颈。

上述简要地叙述了一些节能方案。但是，要实现绿色通信，高能效传输机制的实现是关键，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。因此，在5G中需要继续深入研究以下2个问题。

1 )网络能量高效的传输机制。

2 )以业务为中心的网络资源动态分配。

4 结束语

本文系统研究了5G的网络架构，并基于此架构探讨了四大研究方向，此研究方向被国内外大多数权威性组织认为是未来5G的关键技术。接着，简要描述了四大关键技术的已有研究成果和未来存在的挑战，具体研究有待后续加强。5G的研究和发展对提高我国在信息领域的国际地位，带动相关产业的全面发展具有重要的意义。

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(编辑:魏琴芳)