5G关键技术与挑战综述

谭嵋

【摘要】随着当今社会信息技术的快速发展，5G技术将渗透于未来社会的各个方面，极大地影响人们的生活方式。5G技术虽已进入标准制定与技术验证的关键阶段，仍有诸多问题亟待解决。基于此，文章先介绍了移动通信系统的发展和5G的网络结构以及网络部署。其次文章并从5G关键技术中探究5G技术存在的挑战，即安全问题和频率资源有限的问题。

【关键词】5G;扁平IP网络;认知无线电;安全;有限的频率资源

5G作为下一代移动通信系统的关键技术，具有高带宽、低延时、大连接特性的优点，与人工智能、移动互联网、物联网紧密结合，促进各行各业智能化的巨大转型，成为全球关注的焦点和竞争对象。本文将从移动通信系统的发展、5G网络网络结构以及网络部署、基于扁平IP网络和认知无线电的5G关键技术及其存在的安全问题和频率资源有限的问题四个方面进行简要的阐述。

1. 移动通信系统的发展

20世纪80年代，基于模拟信号传输的第一代移动通信系统（1G）的诞生让人民不再受固定电话的限制。1G的出现彻底地改变了人们的生活方式，并为移动通信系统的发展奠定了基础。数字信号处理技术推动了移动通信系统从1G到2G的变革，既解决了模拟信号处理技术中终端设备庞大、服务成本高、网络覆盖不连续、频谱使用效率低等问题，又满足了人们对移动电话的需求。基于时分多址技术（TDMA， Time Division Multiple Access），有效地解决了1G网络的局限性;基于码分多址的2G通信制式（CDMA， Code Division Multiple Access），大幅度增加了将可支持的语音呼叫数量，扩充了2G网络的容量。而CDMA因此受到了广泛关注，成为3G CDMA2000和宽带码分多址（WCDMA， Wideband CDMA）的基础。

3G不仅增加了语音容量，而且实现了优化移动网络的数据服务的模式转变，使得3G用户获得移动语音服务的同时，享受利用网络查询移动设备上的天气和新闻等人性化服务，更是为移动宽带奠定了基础，促进了智能手机时代的到来。

4G LTE（Long Term Evolution）通过全新的全IP、扁平化的网络架构为用户带来了更优质的移动宽带体验。LTE底层采用了基于正交频分复用波形（OFDM， Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和多址接入的新物理空口设计。此后的演进过程中，LTE不断引入多输入多输出（MIMO， Multiple-Input and Multiple-Output）、载波聚合、高阶调制等多种新技术，达到了超高速率的无线数据传输的目的，并有效地增加网络容量。

不难发现，目前一些应用如增强现实、虚拟现实、移动多媒体、远程教育服务等已经受到了4G能力的限制，需要改进网络性能，即增加网络带宽以及超低的端到端延迟，才能带来更好的用户体验。为此，5G网络应运而生。

从1G发展到4G，现有的移动通信系统旨在提供更快、更好的语音和数据传输服务，实现人与人之间的联系。而5G时代，移动通信系统将会产生数量庞大的多样性无线连接，重新定义各行各业的创新平台，实现万物互联。

2. 5G网络结构

5G网络将会满足高速移动和全面连接的社会要求，通过连接对象和设备的激增为各种新型服务和相关业务模式带来便利，实现各行业和垂直市场的自动化（例如电子医疗、联网汽车、智慧城市等）。5G不仅支持以人为中心的应用如虚拟和增强现实，也将支持机器对机器（M2M，Machine-to-Machine）和机器对人类（M2H，Machine-to-Human）应用的通信需求，使我们的生活更安全、更方便。为此，5G网络必须具有多样化的功能，满足全面的关键性能指标（KPI，Key Performance Indicator）要求。

为了实现上述功能，3GPP在5G网络整体架构设计中通过引入网络切片技术满足灵活性灵活性。首先，3GPP向运营商提供“面向客户”的按需网络切片，满足垂直行业对专用电信网络服务的需求。其次，将这种以客户为中心的服务水平协议（SLA，Service Level Agreement）映射到面向资源的网络切片描述的需求变得明显。以往，运营商在有限数量的服务/片类型（移动宽带、语音服务和短信服务）上以手动方式执行这种映射。随着此类客户请求数量以及相应切片的增加，移动网络管理和控制框架必须对网络切片实例的整个生命周期管理实现高度自动化。最后，利用多域数据源的数据分析算法，结合安全机制，实现在公共基础架构上部署具有不同虚拟化网络功能的定制网络服务。

过去，新一代移动通信系统的网络部署完全是独立进行的，并不會对已建移动通信系统加以考虑。到了5G时代，由于5G将长期与4G共存甚至紧密合作，因而4G与5G的联合部署成为网络部署策略研究中的重点。2016年6月5G的3GPP Joint RAN/SA Meeting提案中涉及8类备选方案（option1～8），共12接种5G网络部署模式。其中的option6（独立部署，5GNR接入署4GEPC）和option8（非独立部署，5GNR作为主节点接入4GEPC）只在理论上成立、不具有实际意义，因而在2016年12月的3GPPTSG-RAN第72次全体大会上确定标准将不对option6和option8进行进一步研究。其中，option3/option4/option7是在3GPP TR38.801中重点介绍的LTE与NR双连接的网络部署架构选项。

未来，5G网络部署备选方案可分为两大类：独立部署（SA）和非独立部署（NSA）。NSA架构构建在LTE-NR双连接技术的基础之上，用户终端须同时连接一个LTE节点和一个NR节点，其中一个节点作为主节点，负责控制面信令的传递;另一个节点作为辅节点，辅助用户面数据的转发。option3/option4/ option7是基于NSA架构的备选方案，区别在于LTE节点和NR节点承担不同的角色，以及部署的核心网不同。SA架构中无线侧只存在一类节点，不同部零模式（option1/option2/option5）的区别在于选取的无线接入网节点和核心网不同。

3. 5G关键技术

3.1 基于扁平IP的网络

Toni提出了5G移动网络的基本概念，规定5G移动网络是以用户为中心的，不同于3G中以运营商为中心，或4G中以服务为中心。

5G网络的网络层被划分为若干子层，以便随时随地提供全IP连接。由于IP系统是现今最好、最常用支持和扩展网络层的系统，因此，在网络层中使用IP是不可避免的。

自LTE作为3GPP系统的一种演进发展以来，全IP网络（AIPN）系统已经有了良好的开端。扁平IP网络在5G关键技术中是一个重要概念。扁平IP体系结构提供了一种使用符号名称来标识每个设备的方法，不同与通常IP地址中常用的分层体系结构。随着向扁平IP架构的转变，移动运营商将能够通过如下措施创建一个使移动宽带运营商能够在价格和性能方面与有线网络竞争的平台。

①减少数据路径中的网络元素数量，从而降低运营成本和资本支出;②将服务交付成本从发送的将基础设施功能与新兴应用程序的需求等同起来的数据量中分离出来;③最小化系统延迟，使应用程序具有较低的延迟容忍度;未来无线电路延迟增强也可以完全实现;④开发彼此独立的无线接入和分组核心网络以谋求更大的发展，并在网络规划和部署方面具有更好的灵活性;⑤开发一个灵活的核心网络作为移动和通用IP接入网络的创新服务的基础;

IPv6是最有可能支持5G技术实现的扁平IP网络的系统，并且是IP系统的最新修订版，克服了IPv4的缺点。然而，每个设备都有一个固定的IPv6地址，以及多个地址管理地址（CoA）。设备CoA的数量取决于设备连接的接入网络的数量。网络层分为三个子层：底层网络层、中间层和上层网络。下层网络层使用CoA，中间网络层将CoA转换为IPv6，上层网络层使用IPv6地址。

设备将会提供多種选择以便根据设备类型和当前网络条件获得最佳的无线连接。QoS参数如延迟时间、抖动、带宽、可靠性等都会存储在一个数据库中，用来在移动终端训练智能算法，因此5G技术可以在给定的时间和条件下为设备选择最佳连接。

3.2 认知无线电

对于移动和无线通信技术来说，自从4G时代以来，互操作性就成为一个重要的问题，5G时代也同样如此。互操作性系统意味着任何一个具有不同技术的系统都可以协同工作、相互通信。5G移动系统的网络架构由一个用户终端和若干个独立自主的无线电接入技术组成。在每个终端中，每个无线接入技术被视为连接到外部互联网世界的IP链路。随着认知无线电终端的使用，5G可以实现互操作性，并具有良好的服务质量。在认知系统中，系统通过识别网络的位置、条件来确定网络的最佳选择。通过该系统，用户可以选择合适的网络进行通信，不同的无线网络可以通过认知无线电设备进行集成和通信。

认知无线电是一种感知周围环境（即外部世界）的智能通信系统，并通过Understanding-by-building方法从环境中学习，并实时地通过工作参数如发射功率、载波频率和调制策略的相应变化使其内部状态能够适应输入射频刺激中的统计变化。认识无线电的两个主要目标是任何时间任何需要地点的高可靠通信以及有效利用无线电频谱。

根据这个定义，认知终端是一个智能终端，能够从所有现有的无线网络中基于一些信息，如时间、需求和资源选择合适的网络。5G技术提出了一种通用终端，该终端应将所有无线前置功能包含在一个设备中。这种终端融合得到用户的强烈支持，因此，认知无线电是最理想的5G终端。

4. 5G技术面临的挑战

通过对5G的关键技术的了解，我们也认识到5G技术面临的挑战，主要是安全问题和有限的频率资源。

4.1 安全问题

新的、实时的认知无线电技术将能够适应各种各样的无线电干扰条件，并自适应地选择最有效的通信机制，如能够扫描可用频谱并从广泛的工作频率中选择、调整调制波形并执行自适应资源分配等。然而，认知无线电技术仍有许多与安全相关的挑战，特别是在认知无线电终端方面。认知无线电系统的范式对安全性提出了新的威胁，如自私的错误行为、有害的干扰、授权用户仿真、授权用户之间的竞争和窃听。

为此，有的研究学者提出开发一个能够防止在提供给无线电接口的高度开放和细粒度控制中的误用的系统。TRIESTE是用于增强频谱礼仪的可信无线电基础设施的短期框架，能够确保无线电设备只能以符合其特权的方式访问和使用频谱。

4.2 有限的频率资源

有限的频谱资源给移动和无线技术带来了重大挑战。这些有限的频率和时间被分为多个用户使用。为了达到提高效率以提高系统的容量和质量的目的，目前使用的多址技术有时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）、正交频分多址（OFDMA）等。然而，在目前使用的所有多址系统中，移动通信系统的容量取决于时间和频率。这就给多址接入系统的开发带来了挑战，该系统能够解决容量对有限频谱的依赖性。韩国研发部门建议将BDMA作为5G的无线接口，它不依赖于频率/时间资源。

BDMA技术根据移动站的定位分配天线波束，使移动站提供多个接入，从而显著增加系统的容量。在这种概念中，移动站和基地站在一条视线状态（LOS）中，因此它们准确地知道其他的位置。在这种情况下，它们可以直接传输到每个其他的“位置”，而不干扰在细胞边缘的移动站。

为了使BDMA系统适应5G，需要发展相控阵天线以及能够切换波束的智能天线。交换波束天线支持通过从基站和移动台收集的到达角（AOA）信息进行无线电定位。自适应天线阵列的使用是显示出改进能力的机会的一个领域。

5. 结语

本文从移动通信系统的发展、5G的网络结构和网络部署、5G中基于扁平IP网络和认知无线电的关键技术以及5G关键技术中存在的挑战四个方面进行阐述。

参考文献：

[1]3GPP.Procedures for the 5G System; Stage 2.TS 23.501， Dec 2018.

[2]3GPP System Architecture for the 5G System;Stage 2.TS 23.501， Dec 2018.

[3]BUSAN，S.SP-160464/RP-16126.5G Architecture for Options-Full Set. Joint RAN/SA Meeting， Korea， June 2016.

[4]PATIL S， PATIL V. BHAT P.“AReview 5G” International Journal of and Innovative Technology， vol 1， January 2012.

[5]TUDZAROV A， JANEVSKI T. “Functional Architecture for 5G Mobile Networks” International Journal of Advanced Science and Technology， vol 32， August 2011

[6]CHEN K.C， PRASAD R. Cognitive radio networks. New York： Wiley. 2009.

[7]JANEVSKI T. “5G Mobile Phone Concept” IEEE 6th Consumer Communications and Networking Conference. 2009.

[8]XU W， KAMAT P， TRAPPE W. TRIESTE： A Trusted Radio Infrastructure for Enforcing SpecTrum Etiquettes. Networking Technologies Radio Networks， 2006. SDR '06. 1st IEEE Workshop pp.101-109， 25-25 September. 2006.

[9]SAFDAR G. A， O NEILL M. “Common Control Channel security Framework for Cognitive Radio Networks” IEEE 69th Vehicular Technology Conference. 2009.