張永波

【摘要】 盡管5G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)尚未面世，但相關(guān)的技術(shù)脈絡(luò)已然日漸清晰。本文分析了未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三個(gè)重要特征，并對(duì)其基本原理、功能及實(shí)際意義作了簡(jiǎn)要介紹。

【關(guān)鍵詞】 5G 大規(guī)模MIMO 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) SDN

一、引言

隨著信息社會(huì)的深入發(fā)展，移動(dòng)接入端的數(shù)量和流量均呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)越來(lái)越難以滿足用戶需求。在這種情況下，各主要國(guó)家、行業(yè)組織、相關(guān)企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)紛紛投入大量人力和財(cái)力進(jìn)行下一代移動(dòng)通信（5G）的研發(fā)工作，并且已取得可觀進(jìn)展。

業(yè)內(nèi)普遍預(yù)計(jì)，5G網(wǎng)絡(luò)有望于2020年左右正式部署，屆時(shí)將極大地改善用戶的移動(dòng)上網(wǎng)體驗(yàn)，并且能夠有力地支持物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

二、5G網(wǎng)絡(luò)特征

2.1 大規(guī)模MIMO天線陣列

MIMO天線技術(shù)在4G網(wǎng)絡(luò)中就已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用了，在基站端設(shè)置多部天線，通過(guò)空分復(fù)用或空間分集，可以明顯提高系統(tǒng)容量或可靠性。

但受制于基站空間大小，天線數(shù)不可能太大，一般為2～8，這樣就形成了傳輸速率上限。為了突破這一瓶頸，研究人員提出了大規(guī)模MIMO技術(shù)。根據(jù)理論分析，當(dāng)基站天線數(shù)趨向于無(wú)窮大時(shí)，不同用戶信道間的相關(guān)性將趨向于0，也就是所謂的“信道硬化”，這樣不僅可以大幅度提升傳輸速率，而且采用最簡(jiǎn)單的匹配濾波檢測(cè)就能消除用戶間干擾[1]。

2.2 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

在傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)中，當(dāng)某小區(qū)用戶數(shù)超過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)容量時(shí)，最直接有效的方法就是小區(qū)分裂，通過(guò)縮小小區(qū)覆蓋面積、增加小區(qū)數(shù)來(lái)容納更多用戶。這一策略在5G時(shí)代仍將有效，由于5G信號(hào)速率較之于4G會(huì)有明顯提升，不可避免要占據(jù)更高頻譜，這樣一來(lái)，無(wú)線信號(hào)的覆蓋半徑就會(huì)自然減小。因此，超密集微小區(qū)結(jié)構(gòu)將是5G網(wǎng)絡(luò)的一大特征。

在5G時(shí)代，一方面，隨著越來(lái)越多的有線互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移擴(kuò)展至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，各種針對(duì)用戶位置移動(dòng)開(kāi)發(fā)的移動(dòng)端應(yīng)用軟件也層出不窮，再加上方興未艾的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，這些都要求移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具備高速率和低時(shí)延，目前得到廣泛應(yīng)用的一些短距離無(wú)線局域網(wǎng)如WiFi等完全可以勝任。另一方面，一些傳統(tǒng)的移動(dòng)業(yè)務(wù)如語(yǔ)音通信、短消息等對(duì)網(wǎng)絡(luò)的速率、時(shí)延沒(méi)有太高要求，但需要良好的移動(dòng)性和較大的覆蓋范圍，這類業(yè)務(wù)完全可以利用現(xiàn)有的4G乃至2G、3G網(wǎng)絡(luò)。因此，由運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的基礎(chǔ)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和各類組織、個(gè)人自建的無(wú)線局域網(wǎng)等不同類型的網(wǎng)絡(luò)將長(zhǎng)期共存、相互融合，共同為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)[2]。

2.3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN），就是用軟件來(lái)調(diào)度和管理網(wǎng)絡(luò)，是由美國(guó)斯坦福大學(xué)教授Nick Mckeown等人首先提出的概念。

SDN是一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它具有三層結(jié)構(gòu)：從上至下依次為應(yīng)用層、控制層和數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層對(duì)應(yīng)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的物理傳輸；

控制層向上為用戶開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)的編程接口，向下提供了開(kāi)放的設(shè)備管理接口；

應(yīng)用層面向用戶，用戶可以通過(guò)應(yīng)用軟件來(lái)定義網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)，而無(wú)須關(guān)注底層的實(shí)體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

SDN將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與控制徹底分離，由控制層對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度與管理[3]，控制層相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，用戶通過(guò)應(yīng)用軟件可以靈活地定義網(wǎng)絡(luò)路徑、調(diào)配物理資源。借助這一結(jié)構(gòu)，未來(lái)的移動(dòng)網(wǎng)應(yīng)用有望變得像互聯(lián)網(wǎng)一樣便捷多樣。

三、總結(jié)

由以上三個(gè)特征可以看出：未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)并不是簡(jiǎn)單地提升傳輸速率，也不是對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的完全取代，而是充分借鑒、融合了現(xiàn)有的無(wú)線技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了必要的創(chuàng)新，以更好地滿足消費(fèi)者和產(chǎn)業(yè)界的多樣化需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] J. Hoydis， S. Brink， M. Debbah. Massive MIMO： How many antennas do we need？ In Proceedings of Conference on Communication， Control， & Computing， 2011， 545-550.

[2] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等﹒5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J]﹒中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2014，44 （5）：551-563.

[3] 劉旭，李俠宇，朱浩﹒5G中的SDN/NFV和云計(jì)算[J]﹒電信網(wǎng)技術(shù)，2015，（5）：1-5.