5G网络愿景与面临的挑战

董春利 王莉

摘 要：SG网络具有3个独特的特点：无处不在的连通性，非常低的延迟和非常高速的数据传输。文章阐述了SG网络的愿景，主要有海量数据流和高数据速率，无处不在的连接和零延迟。此外，从可扩展性和灵活性，低延迟和高可靠性，网络性能优化和服务质量等方面，讨论了SG网络面临的挑战。

关键词：SG网络；高数据速率；低延迟；网络性能优化

4G网络不足以支持具有低延迟和显著频谱效率的大规模连接设备，这对未来的通信和计算将是至关重要的。一些文献讨论了传统蜂窝网络远远落后的关键方面，从而激励了5G网络的演进。

对于大量数据传输而言，用户数量的增加和相应的带宽需求激增，势必要对当前技术进行新颖的增强。本文重点讨论未来SG网络的愿景和面临的挑战。

1 5G网络的愿景

设备可扩展性急剧上升。预计智能手机、游戏机、高分辨率电视机、照相机、家用电器、笔记本电脑、连接运输系统、视频监控系统、机器人、传感器和可穿戴设备（手表和眼镜）的快速增长有望在不远的将来持续呈指数增长。因此，5G网络被认为支持大规模连接的设备。

1.1 海量数据流和高数据速率

大量无线设备的大幅增长当然会导致更多的数据交易（例如视频、音频、网页浏览、社交媒体数据、游戏、实时信号、照片、突发数据和多媒体），这将比2014年增加100倍，并会使当前的网络负担过重。因此，在新的架构、方法、技术以及室内和室外用户的数据分布方面，必须具有匹配的数据传输能力。

1.2 频谱利用率

从频谱利用的角度来看，两个不同的信道，一个用于上行信道（Uplink Channel，UL），另一个用于下行信道（Downlink Channel，DL），似乎是多余的。此外，目前分配的频谱其重要的部分有利用不足的问题。因此，有必要开发一种可以提高频谱利用率的接入控制方法。此外，频谱利用率和效率已经达到最大，它明确要求频谱展宽（高于3 GHz）以及新的频谱利用技术。

1.3 无处不在的连接

由于全球不相同的操作频带，无处不在的连接要求用户支持各种无线电，多无线电接入技术和频带。另外，时分双工（例如印度和中国）与频分双工（例如美国和欧洲）之间的主要市场分裂，使得用户需要支持不同的双工选项。因此，5G网络被设想为通过异构网络的用户提供无缝连接。

1.4 零延迟

未来移动蜂窝网络有望协助众多实时应用，触觉互联网，服务各不相同的服务质量（QoS）（在带宽、延迟、抖动、分组丢失和数据包延迟）和QoE（就用户和网络提供商的服务满意度与反馈而言）。因此，5G网络被设想为实现具有最优的QoS和QoE体验的实时和延迟有限的服务。

2 5G网络面临的挑战

5G网络的愿景并不是微不足道的，存在一些挑战，如下所述。

2.1 数据速率和网络容量扩展以及能量优化

在一个地理区域内部署更多的基站，使用更高频率的频段，以及链路改善可支持网络容量扩展，数十亿个用户，高数据速率，高数据量以及有效的回程数据传输到核心网络。然而，这些解决方案的实施在经济和能量摄入方面是一项麻烦的工作。因此，网络容量需要显著增加，严格控制能源消耗和成本。

2.2 可扩展性和灵活性是未来移动通信最突出的特点

未来的蜂窝基础设施和方法必须设计为在异构无线网络中工作。而且，大量的潜在用户可能同时请求一组服务。因此，5G网络必须足够强大，以支持整个覆盖区域的可扩展用户需求。

2.3 UL和DL的单通道

全双工无线电仅使用单个信道以相同的时间和频率发送和接收信号。因此，全双工系统具有与不同的UL和DL信道相同的性能，从而增加了连接容量，节省频谱和成本。然而，全双工系统的实现并不是微不足道的，因为现在无线电必须使用复杂的协议来处理物理层和数据链路层，以及去除干扰影响的机制。

2.4 处理干扰

处理通信设备间的干扰是无线通信中众所周知的挑战。由于越来越多的用户、技术（如HetNet，CRN，全双工和D2D通信）和应用，SG网络中的干扰也会增加，并且最先进的技术对未来的蜂窝网络，可能无法很好地发挥作用。在5G网络中，用户可能接收来自多个宏小区基站（MultipleBase Stations，MBS）各种用户和微小区基站（Small BaseStations，SBS）的干扰。因此，需要开发一个有效的（在避免网络过载方面）以及可靠的（在完善的干扰检测和解码方面）干扰管理技术用于信道分配、功率控制、小区关联、负载均衡等。

2.5 环保

目前的无线接入网络（Radio Access Network，RAN）消耗总功率的70%～80%。无线技术消耗大量的能量，导致巨大的二氧化碳排放量和成本，这是对环境的严重威胁。因此，需要开发高效节能的通信系统、硬件和技术，使网络吞吐量和能源消耗之间的比例公平。

2.6 低延迟和高可靠性

在一些实时应用中，低延迟和高可靠性非常关键，例如机器人监控病人，生命安全系统，基于云的游戏，核反应堆，传感器，无人机和联网的运输系统的信息传输。然而，由于它需要开发提供快速连接，快速切换和高数据传输速率的技术，并且不增加网络基础设施成本，这将是大规模网络数据传输的低延迟性和高可靠性的极大挑战。

2.7 网络性能优化

诸如峰值数据速率，地理覆盖范围，频谱效率，QoS，QoE，连通性，节能，延迟，可靠性，用户公平性和实现复杂性等性能参数对蜂窝网络至关重要。因此，5G网络的总体框架应该大大优化这些参数。然而，在所有参数之间存在一些折衷，这进一步强调了联合优化算法的需要。

2.8 经济影响

未来移动通信技术的革命性变化是对用户参与的部署和激励产生极大的经济影响。由于经济的提升，提供全新的基础设施至关重要。因此，基础设施的部署、维护、管理和运行成本必须由政府、管理机构和网络运营商承担。同样，使用D2D通信的成本也应该是可行的，所以涉及D2D通信的设备不应该比使用BS的服务收费更多。此外，預计的收入增长要远远低于交通增长。因此，开发5G网络，网络运营商和用户都需要亲手参与。

2.9 高移动性和切换

5G无线用户意味着频繁地从一个小区移动到另一个小区，或者从一个多无线电接入技术（Radio AccessTechnology，RAT）（例如3G，4G，SG，WiFi，蓝牙和WLAN）移动到另一个时，维持一个活动的服务连接。当用户在移动车辆内，即使在非常高的速度下，为无线服务的流动适应性也不应退避。而且，在特定的时间间隔内，许多用户从一个地方移动到另一个地方。例如早上从住宅区移到办公室。因此，SG网络设想以最好的方式使用频谱，并能应对设备移动的速度。

2.10 服务质量

5G网络中的QoS保证具有固有的困难，如节点移动性、多跳通信、资源分配以及缺乏中心协调。另外，在5G网络中，大量的突发和多媒体数据，多RAT以及针对不同应用和服务的低延迟限制，是实现期望的QoS的主要障碍。因此，设计快速有效的算法来保持实时的QoS，而不会过载某个BS是具有挑战性的。

3 结语

SG网络的革命性视野及其后发优势，需要新的架构、方法和技术。SG网络不会仅仅是按照附加容量的4G网络的增强，它们将包含一个系统架构，可视化、概念化和重新设计的通信层。