5G 异构网络融合关键技术探究

古孝红 王海涛

南京审计大学金审学院

0 引言

从1G 到4G，人与人之间的通信是移动通信的核心，伴随着互联网和物联网的不断发展，未来网络通信不再仅限于人与人之间，而是开始转向人与物之间的通信以及机器与机器的通信。5G 技术从研究走向落地应用是一个循序渐进的过程，不可避免地要考虑现有2G/3G/4G 移动通信网络和新部署的5G 移动网络的协同融合问题。5G 是基于SDN、NFV 等更加智能化、扁平化和开放性的网络系统。5G 的一个典型场景是长期共存的多种接入网络、多种频谱接入、热点区域密集部署的异构节点，和大规模设备等一起组合成了多层次的异构融合网络。5G 将渗透到未来生活的各个领域，未来5G 网络将应用在教育、工业、环境、交通、医疗等诸多方面，实现真正的全覆盖。针对5G网络架构，对不同功能平面进行划分，分成接入平面、控制平面和数据平面。异构网络支持不同的协议和技术，面向不同的应用场景和用户，其核心思想是让一切自由联通；多模终端可以在同一时刻下接入多个不同类型的网络，在不同网络之间进行切换，通常分为水平切换和垂直切换。从经济和技术两方面考虑，在今后一段时间内，不会由单一的网络满足用户对通信服务多种多样的需求。网络为用户提供了种类繁多的通信方式、接入手段和无处不在的接入服务，但是如果不能做到让用户有完美的端到端服务质量（QoS）体验，就说明不能充分利用不同类型的网络所具有的不同优势，就难以对异构无线网实现有机融合。所以对5G 异构网络的融合关键技术研究势在必行，异构网络融合将成为未来网络中信息通信发展的必然趋势。

早在2015 年6 月，国际电信联盟（ITU）正式确定了5G的概念和演进路线。当前，全球运营商都迅速开始5G 部署计划，5G 的发展速度和部署规模超乎想象。根据数据统计显示，全球的3G 移动用户累计达到5 亿规模用了10 年时间，而4G仅用了5 年，照此推论5G 只需3 年。异构网络融合的研究热点集中在（1）异构网络多模式的可配置性研究；（2）异构网络的鉴权、认证、安全；（3）异构无线接入网络的互联等。

要真正达到异构网络的高效无缝融合，还有诸多难题需要解决。本文对网络融合、终端融合、业务融合进行了探讨，并阐述了5G 异构网络融合涉及的关键技术。

1 异构网络融合模式

各种异构网络相互交叠，共同满足用户无缝接入的需求。在无线网络中，传统的WiFi 技术与5G 的融合将会极大提高信息传输的效率。对于5G 异构网络融合来说，主要分为三个方面网络融合、终端融合和业务融合。

1.1 网络融合

网络融合又包括三网融合、固定移动融合和异构无线网络融合。

三网融合指的是电信网、广播电视网、互联网在向下一代互联网演进过程中，三大网络通过改造，技术功能趋于一致，业务范围趋于相同。三网融合有很广泛的应用，比如智能家居、公共安全、政府工作、环境保护等。三网融合后，仅靠一个终端就能操作各种连接网络的设备，比如一个终端就能够完成通信、操作冰箱、开启热水器和空调、看电视、打电话等。

固定移动融合（FMC）是将固定和移动通信业务融合在一起的技术。对每一个用户来说，终端的移动性、便携性和网络速率等才是真正的需求。用户一方面希望移动终端有固网的高速率，另一方面希望使用便携式计算机时，能享受其无所不在的服务，而通过手机使用无线网的用户，将会随着未来网络的发展不断增加。用户对移动性有很大的期望，也同样期望得到和固定网络一样的速率。所以，用户对固定移动融合的需求是很强烈的。

通信发展到现在，从最初的电报到有线的电话，再到无线网络的出现，直到今天各类无线网络的互联互通，这些无线网络共同为用户提供多种类型的服务。在未来网络中，会由多类型的异构网络为用户提供通信服务需求。5G 与异构无线网络的无缝对接，能够更充分满足人类对未来网络的需求。

1.2 终端融合

未来无线通信网络将会是多重标准、多种制式。在此基础上用户可拥有的终端设备也会随着科技的发展而越来越丰富，不仅仅包括手机，甚至家电、汽车、公共服务设备等。在5G 网络出现之前的家居系统，只是简单的远程操控，不仅相当不稳定的，而且功能较少。随着5G 的演进，多种终端设备将接入网络，智能家居系统不再是凭空想象。

1.3 业务融合

从通信层面来说，业务融合最大的目的是让用户可以在任何地点、任何时间通过任何方式平滑地接入到不同类型的网络中，自由访问所签约的业务，提供用户需要的服务。目前比较常用的业务融合，一种是移动固定网络的融合，主要是不同接入方式的融合，连带解决移动、固网通信网络多年以来业务的差异化问题；另一种是通信和IP 网络的融合，主要是解决传统通信与IT 两个领域中业务模式的集成、融合。业务融合的通信网络是一个以业务为中心、以统一认证、授权及计费为支撑的开放网络。

2 5G 异构网络融合关键技术

2.1 异构网络融合系统架构

GSMA 认为到2025 年，5G 连接数将达到12 亿。所以在5G时代，大规模连接必不可少。如图1所示，在5G演进过程中，超密集网络、大规模连接、异构网络融合，各种有线、无线网络及多种设备等共同构成了多层次、高密度的异构网络融合系统架构。异构网络融合的关键技术主要包括无线传输技术、多址技术、调制编码技术、切换技术、资源管理技术等。

图1 多层次、高密度的异构融合网络系统架构

2.2 无线传输技术

近年来移动通信技术迅猛发展，人们更倾向于使用无线网络。使用无线传输技术有很多的好处，比如能摆脱线缆的束缚，在设备维护方面比较方便，设备安装周期较短，扩容性较强，并且适用于室外距离较远、施工条件比较艰苦的场景，维护费用低，前端设备即插即用，不需要为了传输而特意去铺设另外的网络线路、增加多余的设备。5G 通信是依靠无线接入的方式来实现万物互联，所以在5G 异构网络融合中无线传输技术是很重要的组成部分。

2.3 多址技术

2.4 调制编码技术

2G/3G/4G 每个阶段的调制编码技术都是不一样的。相关研究人员发现了两种比较适合5G 编码标准的信道编码技术，LDPC 码和Polar 码。由于LDPC 的译码器是基于高效的并行译码架构，所以在硬件实现复杂度以及功耗方面都比Turbo 码有优势。3GPP在5G时代选择了LDPC作为数据信道编码方案，Polar 作为广播和控制信道编码方案。

2.5 网络切换技术

多融合网络的情况下，用户需要考虑实际需求，优先选择适合的接入网络，以此提升网络性能，增强用网体验。网络切换分为垂直切换和水平切换两种，不过水平切换的限制性条件比较多，使用起来不灵活。用户在不同类型网络之间的切换被称为垂直切换，即在移动终端因为某些原因需要改变接入点时，还能继续维持用户通信的过程。在未来多种类型的无线网络共存的环境下，要达到用户对业务应用的高要求、严标准，必须要确保用户在异构网络中进行网络切换时能一直保持通信状态，这也对切换管理技术有了更高的要求。

2.6 资源管理技术

异构网络中资源管理技术的研究重点包括呼叫接入控制算法、垂直切换算法、异构资源分配算法和网络选择算法等四个方面。随着更多移动通信网络基础设施的大规模兴建，大量的能源消耗和环境污染已经成为通信界急需解决的问题。采用新的绿色无线资源管理技术能够更大程度地降低能耗，降低对生态系统和环境带来的负面影响。绿色和低碳一直以来都是社会所倡导的，相信在5G 时代无线资源管理技术也会有很大的发展空间。

2.6.1 呼叫接入控制

呼叫接入控制算法（CAC）直接关系到用户能否得到良好的服务质量，同时CAC 的有效性还在一定程度上对系统资源的利用率具有决定性作用。在异构网络融合系统中，每种网络的特性不一样，所以网络接入技术种类较为复杂。异构网络融合系统中，CAC 算法的研究应用主要集中在蜂窝/WLAN融合系统中的呼叫接入控制，结合目前业内传统的WLAN 优先的算法或蜂窝/WLAN 融合的CAC 算法，考虑各网络的异构特性、用户移动性、多种业务类型、跨层设计等。这说明随着网络技术的进一步发展，CAC 算法的研究与应用还将有其更广泛的发展空间。

2.6.2 异构资源分配

在异构网络融合系统中，目前用得比较多的是分布式动态信道资源分配算法。如果网络流畅，会自动给用户此时正在进行的业务（如呼叫）分配更多的信道资源，而其他的不需要更多流量的操作（如发信息）便可以适当减少信道资源的分配，从而减少信道带宽的占用，提升网络质量和用户的QoS 保证。当接入的用户过多，发生网络拥堵的时候，可以适当减少系统中本来就已经接入的呼叫，这样既可以减少信道资源的占用，也能够阻挡可能发生的通信中断的情况，防止其他用户的呼叫得不到接入，可以充分利用系统的资源使用率。

2.6.3 网络选择

在多种网络并存的环境下，怎样合理选择某一个或者多个网络进行接入使用，保证网络不卡顿，满足用户多种业务需求，同时保证服务质量，一直是研究的热点和难点。接入网络选择算法会细致分析异构网络环境中网络选择的需求和特点，采用多目标决策理论，考虑如何在有限资源的限制条件下，对比和衡量各类有效的方案，从中找到平衡方案。

2.7 网络切片技术

5G 切片就是将5G 网络切出多张虚拟网络，从而支持更多业务。网络切片最大的优点是能让网络运营商自己去定义或者去选择每个切片的特性，这样不仅能让运营商把网络切片运用得更灵活，占用的资源更少，而且还能提高业务服务的效率。网络切片还有一个优势，运营商不需要考虑网络其他部分的性能就可以对切片进行更改和增添。如图2 所示，可以分为三类切片，每两个切片之间互不影响，是完全独立的部分。5G 需要面向多连接与多样化业务，需要部署更灵活，还要有智能化的分类管理，网络切片就是这种按需组网的方式。

图2 网络切片示意图

3 5G 异构网络融合面临的问题

5G 异构网络融合中需要解决的难题主要是，异构无线网络在融合过程中涉及移动性管理、无线资源管理、服务质量以及网络安全等问题。

3.1 移动性管理

用户不可避免地会移动位置、更换业务，这就要求网络的稳定性比较高，无论用户位置如何变化，都能保证业务和通信质量的连续性。在5G 移动性管理中，最主要的问题就是由于切换而带来的中断时延。目前的移动网络中，各个区不能做到总是保持同步的状态，所以在需要网络切换的时候，必须得先进行目标区的下行同步。解决这个问题可以采取区下行同步的方案，如图3 所示，多个终端可以直接利用源区的同步信息进行接入，这样可以减少切换过程中发生的中断时延，也节约了时间。当然，如果在切换过程中发生切换失败的情况，就需要链路的一方及时准确地检测到，并在最快的时间内发起无线链路重建请求，对此可以提前建立备份链路以防止发生切换失败。

3.2 无线资源管理

5G 网络中，如果出现大规模连接，很可能会出现网络速率不均匀、负载控制不均衡等问题，此时无线资源管理的优势就显示了出来。无线资源管理会灵活合理地分配可用资源，让数据无障碍传输，最大程度地提高无线频谱利用率。最重要的是，能够有效防止因流量过多而导致的网络拥堵。为了合理防止网络拥塞，有效利用网络资源，需要设计出能够更好地解决这些问题的方法，比较常用的有联合无线资源管理和多无线资源管理。

3.3 服务质量

无论使用的是第几代的移动通信技术，都离不开服务质量（QoS）这个关键性话题，显然，作为一个用户，服务质量是其关注的首要问题，研究者们也在致力于保证用户的QoS。如果服务质量得不到保证，那么对于用户来说，就没有很好的体验感，也达不到服务商预期的效果。针对这个问题，有几种解决QoS 的算法，如TCP 连接分离方法、套接口网关解决方案、无线链路层解决方案等。

3.4 网络安全问题

对于5G 异构网络融合来说，虽然相关的工作和措施逐渐完善，并且考虑到了很多应用场景，但还是难以避免出现网络安全问题。比如融合技术的问题、干扰协调的复杂性问题、频谱资源问题、端到端数据通信过程中数据保密性问题等等。在网络环境下不存在绝对的安全，安全只是相对来说的，任何技术都有可能存在漏洞，5G 时代，网络安全问题又有了新的挑战。

4 结束语

未来网络是一种混合覆盖的异构网络，其中广域网覆盖区域大、传输带宽，局域网覆盖范围但是带宽高，正是因为不同异构网络的互补特性，各有优劣势，才使得异构网络融合成为移动通信发展演进过程中一个热门和有效的解决方案。本文讨论了异构网络融合的几个关键技术，还指出了在融合过程中可能会出现的问题及解决方法。异构网络资源的复杂性、网络状态的多样性、各网络的差异性等特点给研究带来了一定的挑战。然而，挑战与机遇并存，在不久的将来，异构网络融合关键技术的研究将会取得突破性进展。