5G移动通信组网关键技术研究综述*

王渤茹 ， 范 菁 ， 单 泽 ，朱泽贤

（1.云南民族大学电气信息工程学院，云南 昆明 650504；2.云南省高校信息与通信安全灾备重点实验室， 云南 昆明 650504；3.云南省高校无线传感器网络重点实验室，云南 昆明 650504）

0 引 言

2008年4G通信系统进入我们的生活，LTEAdvanced也进入商业运营。随着4G的普及，我们的生活越来越便利。与此同时4G时代依旧存在诸如无线频谱资源的严重短缺、用户数目的无限制增加、数据流量的爆炸式增长等悬而未决的问题，促使着研究人员不得不思考“5G移动通信系统”[1]。如今人们对于高质量的通信系统需求促进5G关键技术的发展和日渐成熟。5G通信系统是为了满足全球通信现状的需求，是一个真正意义上的融合网络。这个网络使人与人、人与物、物与物之间连接的更高速，更安全，更自由[2]。

1 国内外5G发展现状

目前，韩国、美国、日本、欧洲等电信发达国家均积极加大在5G领域的战略投资，并在频谱规划、专项资金扶持等方面实施重要举措，并开展5G试验，以推进5G产业加快发展和成熟，以期按目标时间实现5G商用部署[3]。同时各国都积极的参与5G的研发工作并积极的向相关国际标准组织提交5G标准方案。各国表示会遵守统一标准制定5G技术标准。在信息化的时代中，只有始终走在信息技术发展的前列，才会在通信行业中占领一席之地，从而提高本国的国际影响力。

工信部在2016年2月的国务院新闻办举行的发布会上表示，我国已于2016年初正式启动5G研发试验。2018年，我国5G技术研发试验开始进入第三阶段。第五代（5G）无线网络技术将于2020年标准化，其主要目标是提高容量、可靠性和能源效率，同时减少延迟和大幅度增加连接密度[4]。

2 基于结构组网关键技术

基于结构组网关键技术从基础设施方面来对5G的组网关键技术进行探讨。从基础设施采用的关键技术来看，大规模MIMO（Massive MIMO)技术可以提高频谱的利用率。波束赋形技术使信号传输可靠和稳定。在人口密集，高容量的地方使用的超密集组网技术，使信息传输速率高。可以从集中式和分布式两个方面对5G的关键技术进行探讨。

2.1 集中式-波束赋形技术

当今移动通信的频谱资源难以适应快速增长的数据流量，毫米波的使用让30 GHz以上的频谱资源可以得到利用。由于毫米波在空间传播过程中会有很大的路径损耗，就需要采用波束赋形技术来弥补这一部分损耗[5]。

波束赋形技术是将能量集中到很小的区域，并获得较高的增益，可以解决自由空间传播损耗较大的问题。系统中波束赋形处理的模型框如图1所示。

图1 波束赋形处理模型

波束赋形技术是发送数据经天线（大规模MIMO）发送之前最后一个环节，发送端可以把它作是信道影响的一部分。虽然实际信道人为不可改变，但是波束赋形矩阵可以根据实际的信道状态人为的进行设计，可以通过对波束赋形加权矢量的设计人为的改变等效信道矩阵，达到系统要求的性能，从而更有利于通信的实现。波束赋形将根据特定场景自适应的调整天线阵列的辐射图。

2.1.1 波束赋形技术优势

波束赋形技术对于大规模MIMO技术至关重要，它具有如下优势：

（1）波束赋形技术是使信号传输可靠和稳定的一项关键技术。随着更多的无线应用得到开发，波束赋形技术带来的可靠性变得更为重要。

（2）波束赋形技术在扩大覆盖范围、抑制干扰等方面都具有很大的优势。波束赋形技术通过对发射信号和接收信号进行必要的处理，使得信噪比显著增加，以此提升系统容量和抑制干扰。

2.1.2 波束赋形技术挑战

波束赋形技术有效的提高信号传输的稳定性，同时波束赋形技术也存在以下的挑战：

（1）合适的波束赋形器至关重要。数字波束赋形器中，每个天线单元都有其相应的基带端口，这样提供了最大的灵活性，但是数字模拟转换器是非常耗电的[6]。而模拟波束赋形器只支持简单的波束形状，不能支持灵活的波束形状，如在发射、接收方向产生特定的零陷波，因此波束之间的干扰可能是巨大的[7]。

混合波束赋形是数字、模拟波束方案的折中，它可以降低复杂度，也有很大的灵活性，所以预期早期的通信系统使用模拟或混合波束赋形架构。在5G混合波束形成系统中，采用大量天线阵，可以获得极窄的波束来聚焦能量，减轻干扰[8]。

（2）发射器和接收器的发射和接收波束方向必须对齐。由于波束窄，若出现轻微的方向不对齐，信噪比会急剧下降。针对发射器和接收器的发射和接收波束方向正确对齐的问题，有效的波束发现机制在毫米波通信中很重要，如线性波束扫描，树扫描，随机激励等[7]。

2.2 集中式-超密集组网

超密集组网在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升，是未来5G通信系统的主要技术之一。为了承担2020年以及以后的移动网络数据流量，除了增加频谱带宽和提高频谱利用率外，网络密集化是不可避免的过程。因为毫米波波长短，原件可以做得很小，所以部署大量小基站成为可能。

超密集组网是通过减小小区半径，增加低功率节点的数目的方式来进行组网。超密集组网能够满足5G的爆炸性数据速率要求，实现了小区基站的密集部署[9]。超密集组网中进行控制承载分离和簇化集中控制，实现业务需求的灵活扩展。

2.2.1 超密集组网的优势

超密集组网技术的使用使人口密集的区域也能高速上网，如购物中心，密集住宅区和交通枢纽等地方。超密集技术的优点如下：

（1）与4G网络中的大型基站相比，5G采用大量小基站方式部署网络，可以缩小发送端到接收端之间的距离，更加密集的小基站使无线资源得到更有效的利用，系统容量显著增加。

（2）采用大量的小型基站可以改变过去对大型基站的高度依赖，使组网更具弹性，从而提高网络密度和覆盖范围。

（3）超密集组网采用频谱资源的空间复用可以使频谱效率大幅度提高。

2.2.2 超密集组网的技术挑战

提高用户在人口密集区域的体验感和使万物更好的上网是超密集组网技术的目标。若用户体验感不好，使用超密集组网也没任何意义。目前超密集组网技术存在以下挑战：

（1）在超密集组网中，随着小区的密集部署，小区间的干扰问题逐渐突出[10]。只有控制信道的干扰问题，整个系统的传输才具有可靠性。

对于干扰问题，可以采用小区间的干扰协调技术进行处理。随着小区密度增加，仅靠小区中的基站解决小区间的干扰变得越来越难。采用多小区协调技术来对多个小区的基站进行协调，从而有效降低小区间的干扰。

（2）使用大量的小基站，每个小基站的覆盖范围较小导致用户移动时切换频繁，降低网络容量和影响小区用户体验。

针对5G用户移动性从而产生的频繁切换问题，5G网络可以采用以用户为中心的虚拟化技术，实质是按照用户的需求分配资源。无论用户在什么位置，都能根据业务体验质量来获得可靠的通信服务。同时无论用户是否移动，都能保证用户有稳定的服务体验。用户移动性是一个非常具有挑战性的问题。幸运的是，依靠机器学习的大数据正趋于成熟，它可以跟踪用户的移动性，进而预测用户的未来 位置[11]。

2.3 分布式-集中式大规模MIMO技术

毫米波的小波长使得将大量天线放置在非常有限的空间内成为可能，大天线阵可以提供足够的阵列增益来补偿由于路径损耗、穿透损耗、降雨效应和大气吸收造成的严重信号衰减[12]。因此，大规模多输入多输出（MIMO）技术是未来毫米波无线通信系统中一种很有前途的技术。

大规模MIMO系统是指在无线通信链路的一侧使用大量可以单独控制的天线元件的系统。大规模MIMO网络利用天线提供空间自由度，以相同的时间——频率资源上为多个用户复用消息。大规模MIMO技术跳出了以前单点对单点的通信模式。将单一的点对点信道变成多个并行的信道来处理。

大规模MIMO技术可以分为集中式MIMO技术和分布式MIMO技术。集中式MIMO技术是多个基站天线集中排列形成天线阵列，分布式MIMO是基站的多个天线分散放置覆盖小区。其中，集中式MIMO技术的优势在于不需要同分布式MIMO技术一样，放置多个地理位置，并且避免光纤数据汇总时的同步问题。而分布式MIMO技术的优点在于它可以形成多个独立的传输信道，避免天线配置过于紧密导致信道相关性过强。

2.3.1 大规模MIMO技术的优势

大规模MIMO技术是MIMO技术的优化和延伸。与传统的MIMO技术相比，大规模MIMO具有以下几点优势：

（1）使用大规模MIMO技术可以提高系统容量。相对于通过减小小区尺寸的方式来提高系统容量，大规模MIMO系统可以直接通过增加基站天线数目来提高系统容量，降低了实现复杂度，较大幅度地提高了系统容量[13]。

（2）降低了发射功率消耗和产品代价。大量天线的使用，使得阵列增益大大增加，从而有效降低发射端的功耗。系统可以采用价格低廉、输出功率在毫瓦级别的放大器元件来搭建，降低了发射功率消耗和产品代价[14]。

（3）系统具有很好的鲁棒性。大规模MIMO可以在很窄的范围内集中波形，极大提高了空间分辨率。理论证实，当天线数量足够大时，噪声和不相关干扰都可忽略不计，并且最简单的线性预编码和译码算法趋于最优。此外，更多天线数目提供了更多的选择性和灵活性，系统具有更高处理突发问题的能力。

（4）使用大规模MIMO技术能有效的提高频谱效率[15]。大规模MIMO技术使空间维度深度挖掘，在不增加基站密度，宽带的条件下，频谱效率也可以提高。频谱效率基本取决于并行信道的数目。

（5）使用大规模MIMO技术可以进一步改善信号的覆盖能力。毫米波作为5G扩展频段技术，工作区域在较高的频段。一般而言，如果采用相同数量的天线，频率越高，覆盖范围越小。要达到相同的覆盖距离，可以增加天线数量。高频毫米波技术与大规模MIMO天线技术相结合能进一步改善信号覆盖能力。

（6）MIMO系统可以在有限的功率和带宽范围内增加数据速率[16]。

2.3.2 大规模MIMO技术的挑战

大规模MIMO极大增加频谱效率，尤其是容量需求大和覆盖范围较广时，可以更好的满足网络增长的需求，但是它也存在如下挑战：

（1）发射机侧需要准确的信道状态的信息。频谱和能量的效率在很大程度上依赖于信道状态信息，尤其是在正交频分复用和大规模多天线系统中，信道估计因此尤为重要，所以在发射机侧需要准确的信道状态的信息。

（2）使用导频复用技术估计信道通常会造成导频污染。当BS天线的数目增加到无穷大时，导频污染使信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）饱和，若不存在导频污染，SINR随着基站（Base Station，BS）天线的数量线性增加，所以导频污染问题也是一项重要的技术 挑战。

（3）移动终端中的耦合。由于移动终端设备体积有限，天线元件之间的强耦合不可避免，这就影响了天线的效率，也影响了天线的相关性[17]。因此，应用解耦是非常重要的。

2.4 基于结构组网的关键技术间的对比

基于结构组网的关键技术都是从基础设施方面对4G的基础设施实行改进，都是以扩大移动通信系统的容量、扩大信号的覆盖范围、提高移动通信系统的频谱利用率等为目标的，并且这些技术的使用在一定程度上都与毫米波有一定关系。

超密集组网技术和大规模MIMO技术这两种技术在一定程度上都提高了频谱利用率且皆通过增大基础设施（如基站、收发天线）的数量来扩大信号覆盖范围，其中超密集组网技术增加基站的数量，大规模MIMO技术是增加大收发天线的数量。两种技术不同之处在于超密集组网技术是通过减小小区半径提高系统容量，大规模MIMO技术是通过增加天线的数目提高系统容量。

波束赋形技术和大规模MIMO技术的使用在一定程度上都是因为毫米波在空间使信号衰减，使用这两种技术可以扩大信号的覆盖范围并且降低干扰，提高信号传输可靠性和稳定性。基于结构组网关键技术间的对比如表1所示。

表1 基于结构组网关键技术间的对比

3 基于功能组网关键技术

基于功能组网关键技术从网络虚拟化的角度探讨5G采用的关键技术。日益复杂的网络使得管理和控制越来越多连接设备的信息的任务变得越来越复杂和专业化[18]。基于功能组网关键技术使网络更加灵活，使各种不同用户的需求得以实现，也使基础设施的构建更加标准化。

面对性能要求不同的应用，网络虚拟化可以很好的解决万物上网所需要的各种硬件资源问题。在该模型中，物理资源能够集中管理。虚拟化后采用的网络切片技术，通过计算网络资源的隔离，动态调配和迁移，实现动态网络的虚拟资源按照相应的资源分配算法向业务提供商分配。网络切片技术可以根据具体的应用的场景切出相应的虚拟子网络，这大大有利于各种应用的发展，接入网、核心网之间的配对通过基于SDN/NFV的编排器完成。

3.1 络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）

传统网络服务高度依赖于物理拓扑和特定的供应商硬件。软件定义网络（Software Defined Network，SDN)和 网 络 功 能 虚 拟 化（Network Function Virtualization，NFV）越来越普遍采用设计新的平台来创建，管理和按需扩展网络服务，并使资源优化[19]。

NFV已被业界普遍认定为下一代网络的主要方向，也是通信网络发展基础性的关键技术，可满足运营商低成本、灵活性和开放性的诉求[20]。NFV的目标将专用网络设备整合到工业标准大量服务器上，也就是将网络功能从专用设备迁移到通用服务器运行的虚拟机或容器中。NFV的核心是虚拟网络功能，NFV利用虚拟化技术为未来网络提供了一种新的网络设计思路。网络功能虚拟化体系结构如 图2所示。NFV把逻辑上的网络从实体硬件设备之中解耦出去，以期获得较低的网络建设成本与运营成本。NFV依赖于传统的服务器虚拟化，但又不同于传统的服务器虚拟化，不同之处在于虚拟网络功能（Virtual network function，VNF）可能由一个或多个虚拟机构成。通常情况下需要多个VNF依次使用，才能够为用户提供有用的服务。为取代专用的硬件设备，虚拟机需要运行不同的软件和进程。

图2 网络功能虚拟化体系结构

软件定义网络是另一项解决传统网络僵化问题的关键技术。软件定义网络通过集中式的控制器提高了网络的可编程性，成为近年来网络领域非常热门的话题。软件定义网络体系结构如图3所示。SDN本质上是一种集中式网络模式，其中控制平面集中在一个或一组控制实体上，而数据转发平面被简化并抽象为通过SDN控制器请求的应用程序和网络服务[21]。SDN的主要目的是分离控制平面和数据中心。SDN分为三个部分，其中应用层主要是业务和应用的集合，控制层主要由具有逻辑中心化和可编程的控制器组成，可掌握全局网络信息，方便配置网络和部署新协议。SDN的基础设施层主要由交换机组成，其仅提供数据转发，可快速处理和匹配数据包。

图3 软件定义网络体系结构

SDN/NFV具有相同的目标，都致力于网络更加灵活，SDN和NFV不相互依赖，但能实现技术互补。两者的互补性体现在SDN能增强NFV的兼容、易操作等性能，而NFV通过虚拟化及编排等技术能提高SDN的灵活性。SDN/NFV成为网络虚拟化，云化的关键技术。

3.1.1 SDN/NFV技术优势

SDN/NFV是网络发展演进的新方向，是学术界和工业界值得不断探索的新技术。SDN/NFV技术具有以下几个优势：

（1）将有效促进未来网络部署能力的提升、网络部署成本的降低和运营能力的增强。

（2）在网络硬件方面，对硬件进行统一的标准，把逻辑上的网络从实体硬件设备之中解耦出去，从而降低了引入专用的硬件设施的费用。

（3）网络功能实现方面，利用可编程软件平台就可以实现虚拟化的网络功能。对控制面和数据转发面进行分离，可以实现整体网络的灵活管理。当节点发生故障时，也可以通过控制器快速的定位和修复节点。

3.1.2 SDN/NFV技术挑战

虽然SDN/NFV技术提高了5G网络的灵活性，但它依旧存在下列挑战：

（1）虽然SDN/NFV技术可能性众所周知，但是具体的控制和编排仍在设计之中，很少有原型验证可用。

（2）实现高效，快速，可扩展的资源配置满足网络的要求，这个问题是NFV部署的一个重要挑战。NFV架构中编排器进行资源配置包括三个阶段，即虚拟网络功能链的构建、虚拟网络转发图的映射和虚拟网络功能的调度资源配置[22]。三个阶段之间的协调，动态资源之间的配置，虚拟网络安全性，强容错能力，负载均衡等问题都应该考虑相关的策略来实现。5G技术涉及的一系列的资源分配问题，包括：时频资源分配，正交导频资源分配，波束分配，大规模MIMO多用户聚类，及无线网络虚拟化资源池调配等，AI（人工智能）技术为5G系统的设计与优化提供了一个超越传统性能的可能性[23]。以网络功能虚拟化为例，必须使其核心决策算法能够自动匹配当前的无线、用户以及流量条件，以实现计算资源的动态分配。而在这方面，人工智能是最佳候选技术，可以为当前的系统提供更敏捷和健壮的复杂决策能力。

（3）SDN网络核心控制器作为网络集中化控制的实现部分，存在网络易受攻击的安全性问题[24]。面对网络集中化控制易受攻击的问题，需要建立防护，备份，隔离等措施使网络系统安全的运行。AI技术也为故障的自动检测与定位的问题提供可能。

（4）SDN/NFV中有关软件，接口，控制架构体系等方面没有实现标准化，并且难以进行相关部署。在现实中，从遗留网络过渡到SDN网络并不是一蹴而就的。过渡需要大量部署费用且SDN有其自身的局限性，OpenFlow协议也不够成熟，商用SDN交换机和控制器不完全可靠等这些因素减缓了SDN部署步骤[25]。

3.2 网络切片技术

另一个与SDN/NFV并行而来的是网络切片。面对复杂的5G应用场景，网络切片已经成为5G的核心。网络切片把网络划分为多个端到端的平行的虚拟子网络来应对各种不同的应用场景，每个网络切片在设备、接入网、传输网以及核心网方面实现逻辑隔离，适配各种类型服务并满足用户的不同需求。这意味着一个多用途、灵活和可编程的传输网络，能够以端到端的方式动态地编排资源[26]。

SDN/NFV技术是切片技术的前提，可以使用SDN和NFV等技术灵活地构造切片。网络切片技术要容纳在虚拟化的管理体系中。与传统的通信网络相比，使用网络切片技术可以为不同的场景切出相应的虚拟子网络[27]。4G网络和5G网络切片如 图4所示。

图4 4G网络和5G网络切片

3.2.1 网络切片的优势

网络切片技术用于满足5G中各种不同的应用场景。网络切片技术具有如下优势：

（1）通过网络切片技术在一个独立的物理网络上切出多个逻辑网络，减少许多基础设施的构建。

（2）基于NFV/SDN的网络切片的每个网络切片在控制面，转发面，管理面实现了逻辑隔离。切片之间相互隔离，若其中一个切片网络发生错误，不会影响其他切片网络[28]。

（3）对每一个网络切片而言，网络带宽、服务质量、安全性等专属资源都可以得到充分保证。

（4）针对不同的应用场景提供专属的网络控制功能和性能保证，网络可以根据业务需求进行 重构[29]。

（5）切片网具有与虚拟网络相同的性质，都是向上层业务提供网络资源，对物理网进行虚拟化，并屏蔽了切片与物理网络的差异。同时使用的SDN技术可以简化业务的部署，有利于网络的管理。

3.2.2 网络切片的挑战

网络切片技术虽然使各种不同的应用更好的连接在网络上。但它的技术目前还没成熟，具有如下挑战：

（1）制定标准化的5G切片方案。目前网络切片的标准还在制定和完善，网络切片的研究也处于测试阶段，网络切片标准要考虑网络切片的划分粒度合适，切片粒度过大和过小对网络系统来说都不适合。

（2）切片的后向兼容性问题，从4G网络时代过渡到5G时代需要一个过程，4G网络是否作为5G网络一个的切面来管理。

（3）端到端切片的实现问题。目前的切片技术针对核心网的用户面和控制面的切片，而无线侧的切片并没有很好的实现，只有对核心网的切片而没有实现端到端的切片并不能满足应用场景差异化的需求，不能很好的体现切片的价值和优势。

（4）每个切片的资源配置问题。其中最大的挑战是获得一种切片隔离的机制[30]。

3.3 基于功能组网关键技术的特点对比

NFV/SDN和网络切片技术都解决了传统网络中的僵化问题，都是从逻辑方面来对网络功能进行提高和改善，使5G中万物互联成为可能。

SDN和NFV的设计思想其实都是通过解耦来提高系统的灵活性，让系统变得更加智能，从设计思想上来说是非常接近的。SDN跟NFV最明显的区别是，SDN解耦的是控制平面与数据平面;NFV主要是软硬件解耦。在数据中心的实施中，SDN和NFV 技术可以共存，各自发挥作用。

NFV/SDN和网络切片技术都减少了资源。NFV/SDN减少网络层数和池化资源数，网络切片技术把一个独立的物理网络切出多个逻辑网络，也减少许多基础设施构建。若NFV/SDN从纵向出发减少网络资源数的，那么网络切片技术就是从横向出发来对网络资源数进行较少。

NFV/SDN是网络切片的基础，网络切片技术是在网络虚拟化后对5G复杂的应用场景进行的思考和研究。基于功能组网关键技术间的对比如表2所示。5G组网关键技术的总框架如图5所示。

表2 基于功能组网关键技术间的对比

图5 5G组网关键技术的总框架

4 结 语

本文从基于结构组网和基于功能组网两个方面对5G组网关键技术进行研究。本文中大规模MIMO技术，波束赋形技术，超密集组网技术，SDN/NFV，网络切片技术等技术共同促进5G移动通信的发展。

在基于结构组网关键技术中，大规模MIMO技术是近十几年来无线通信领域重大的技术突破，准确的信道状态的信息和导频污染的是大规模MIMO技术目前重点解决的问题。大规模MIMO技术的使用一定程度上需要波束赋形技术支撑，波束赋形技术中波束赋形器和有效的波束发现机制在毫米波通信中很重要。超密集组网技术使容量受限问题得到解决，让人们在各种应用场合的通信体验越来越好。超密集组网关键技术中控制小区间的信道干扰问题和使用大量的小基站导致用户切换频繁问题等成为目前重点解决的问题。

在基于功能组网的关键技术中，NFV技术使通用性硬件虚拟化，降低了传统网络昂贵的设备成本，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源配置问题是NFV技术目前亟待解决的问题。SDN技术将控制层与数据层的分离，使网络更加灵活，网络核心控制器中网络安全问题和SDN的部署问题是目前需要解决的关键性问题。网络切片技术为了满足各种不同应用场景而提出的，切片的标准化和相关的部署及技术后向兼容性问题是目前需要解决 的问题。