唐子行　鄒麗萍　丁曉桐

摘要：為了更好地滿足多樣化的通信業(yè)務(wù)需求，第五代移動通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而出。本文首先介紹了移動通信的發(fā)展以及技術(shù)演進(jìn)，其次對5G中所應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)——軟定義網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模MIMO與超密集組網(wǎng)進(jìn)行了綜合性闡述。

關(guān)鍵詞：移動通信5G SDN大規(guī)模MIMO超密集組網(wǎng)

引言

在瞬息萬變的信息時(shí)代背景下，萬物互聯(lián)概念的提出、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型的多樣化等，對通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、有效性有了更高的要求。而現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)難以滿足這樣的需求，因此需研發(fā)具有更高通信效率以及更大通信容量的5G移動通信系統(tǒng)。

1移動通信系統(tǒng)演進(jìn)

20世紀(jì)80年代大哥大的出現(xiàn)標(biāo)志了第一代移動通信技術(shù)的誕生，1G通信以模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，僅供語音信號的傳輸，且通信容量有限，通信設(shè)備昂貴笨重。相較于第一代，2G GSM系統(tǒng)增加了短信業(yè)務(wù)，信息傳輸速率為9.6-14.4kbps。3G系統(tǒng)讓無線通信和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸完美結(jié)合在一起，速率一般在幾百kbps以上，可以同時(shí)傳輸語音和數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，為用戶提供了除短信、語音業(yè)務(wù)外的多媒體業(yè)務(wù)，并能夠在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)無限漫游。第四代移動通信技術(shù)，相比之前的技術(shù)而言，4G具有超高數(shù)據(jù)傳輸速度，下載速度達(dá)到lOOMbps，上傳的速度可以到20Mbps，可以滿足大部分用戶對于無線聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的要求。

移動通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)的增加性能的提高都是基于其標(biāo)準(zhǔn)的改變，具體有：

（1）多址技術(shù)

1G系統(tǒng)采用頻分多址（FDMA）的模擬調(diào)制方式，將介于300Hz到3400Hz的語音信號調(diào)制到高頻的載波頻率上;2G系統(tǒng)以后均采用數(shù)字調(diào)制的方式，采用時(shí)分多址（TDMA）以及碼分多址（CDMA）技術(shù);3G采用WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流無線接口標(biāo)準(zhǔn)，其中TD-SCDMA為中國自主研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn);4G可分為FD-LTE和FDD-LTE兩大類別，改進(jìn)并增強(qiáng)了3G空中接入技術(shù)，采用非正交多址（OFDMA）大幅度提高了頻譜利用效率。

（2）信道編碼

在GSM系統(tǒng)中，移動通信系統(tǒng)采用卷積碼與交織，在保證了一定信息傳輸速率的前提下，服務(wù)質(zhì)量（QoS）得到很好的改善。3G系統(tǒng)相較于2G系統(tǒng)可以提供更加多樣化的業(yè)務(wù)，對信道編碼提出更高要求，因此在3G系統(tǒng)中，采用卷積碼用于語音和低速率數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)編碼，而把Tu rbo碼和交織技術(shù)作為高數(shù)據(jù)的信道編碼方案。4G系統(tǒng)考慮到上下行鏈路以及發(fā)信設(shè)備的差別，上行采用分組Turbo碼，下行采用LDPC編碼方式。

另外，從3G系統(tǒng)便采用了擴(kuò)頻技術(shù)，提高了信號的抗干擾能力，極大改善了CDMA系統(tǒng)的性能。4G系統(tǒng)后出現(xiàn)的MIMO技術(shù)允許多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空間方位的信號，提供空間復(fù)用增益及空間分集增益，提高了信道的容量以及可靠性。相較于前4代移動通信系統(tǒng)，5G移動系統(tǒng)具有高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時(shí)延、萬物互聯(lián)5個(gè)典型特點(diǎn)。峰值速率在靜止或低速狀態(tài)下達(dá)到lOGbps，在高速移動（移速大于300km/h）或用戶處于邊緣時(shí)保證lGbps，特定場景下甚至可達(dá)20Gbps[3]。5G系統(tǒng)下的時(shí)延可降至Ims，為無人駕駛提供了更加可靠的發(fā)展條件。5G系統(tǒng)采用非正交多址接人（NOMA），再次有效提高了頻譜利用效率。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1軟定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）

相較于傳統(tǒng)的基于硬件實(shí)現(xiàn)的移動網(wǎng)絡(luò)，SDN具有邏輯集中控制、可編程性、靈活性高、網(wǎng)絡(luò)自管理、低成本等特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)可編程性與通用應(yīng)用程序編程接口加快了移動網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)創(chuàng)新，操作員可以靈活地在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)上創(chuàng)新以及測試各種控制應(yīng)用程序。與當(dāng)今基于硬件的應(yīng)用程序的部署方式相比，基于軟件的應(yīng)用程序部署方式更加快捷方便。

SDN將控制面與數(shù)據(jù)面相分離，并允許通過集中控制器控制網(wǎng)絡(luò)，有利于移動網(wǎng)絡(luò)的安全性管理以及引入新的基于SDN的安全機(jī)制。SDN架構(gòu)中回程設(shè)備減少了控制面功能，PCRF、HSS、MME等網(wǎng)元可以在應(yīng)用層以軟定義方式實(shí)現(xiàn)，因此SDN交換機(jī)不需要具有高處理能力的硬件'僅需采用低成本交換機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行低量處理。另外，基于流量的控制模型支持粒度流控制策略，且控制器可以基于網(wǎng)絡(luò)行為動態(tài)地調(diào)整這些控制策略。

SDN與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）相適應(yīng)，虛擬化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可在需要時(shí)按需配置資源，并擴(kuò)展資源以滿足需求。

2.2大規(guī)模MIMO天線與3D-MIMO

為了滿足5G移動網(wǎng)絡(luò)中對更高頻譜效率的需求。大規(guī)模MIMO技術(shù)被運(yùn)用到5G基站中，預(yù)計(jì)有源天線數(shù)可達(dá)64或128個(gè)。通過在基站端配置大量天線來服務(wù)于多個(gè)用戶，大規(guī)模MIMO技術(shù)能增加系統(tǒng)容量，提升能量效率和頻譜效率。由隨機(jī)矩陣?yán)碚摲治隹芍?，隨著基站天線數(shù)量的增加，系統(tǒng)將不再受非相干噪聲與快衰落的影響。

大規(guī)模天線系統(tǒng)中的天線數(shù)是與用戶數(shù)量呈正比的，而隨著天線數(shù)量的增加，如果天線依然僅放置在一條水平線上，集成天線板的面積將會相當(dāng)大。因此考慮依照二維網(wǎng)格的方式放置，這種天線系統(tǒng)又被稱為3D-MIMO。3D-MIMO技術(shù)不僅具備大規(guī)模發(fā)射天線的空間自由度，更重要的是其可以調(diào)整波束的水平與垂直方向，更強(qiáng)的波束賦性能力進(jìn)一步提高了空間復(fù)用的復(fù)用率，同時(shí)有利于減小小區(qū)間干擾。

3D MIMO的一項(xiàng)核心技術(shù)即所謂的有源天線系統(tǒng)（AAS）。AAS技術(shù)將射頻元件（功率放大器和收發(fā)器嶼天線元件集成在一起。以這種方式，可以電子控制每個(gè)天線元件的信號的相位和幅度，從而有助于更靈活和智能的波束賦形，增加系統(tǒng)容量和覆蓋范圍。

2.5超密集組網(wǎng)

目前針對超密集組網(wǎng)超密集組網(wǎng)的量化定義主要有兩種：一種定義為網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)數(shù)多于活躍用戶數(shù);另一種定義為該網(wǎng)絡(luò)的密度大于[（l0）]°3（小區(qū)數(shù)/平方公里）。超密集組網(wǎng)基本思想即使接入站點(diǎn)盡可能接近用戶端。

與傳統(tǒng)組網(wǎng)方式相比，超密集組網(wǎng)系統(tǒng)容量更大，頻譜利用率更高。同時(shí)，在超密集組網(wǎng)中，可以利用微小區(qū)對邊緣、陰影地區(qū)實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋，改善用戶體驗(yàn)。

另一方面，小區(qū)部署的密集化也通信系統(tǒng)帶來了新的問題：

（1）干擾管理

由于小區(qū)的微小型化，無線密集網(wǎng)絡(luò)中將存在大量同頻小區(qū)，一個(gè)小區(qū)周圍存在大量鄰接小區(qū)，這給協(xié)調(diào)干擾管理帶來挑戰(zhàn)。目前有人提出采用多域（時(shí)域、頻域、空間域）干擾管理解決這一問題。

（2）發(fā)現(xiàn)小小區(qū)

密集網(wǎng)絡(luò)中大量小小區(qū)均位于用戶附近，用戶處在多個(gè)小小區(qū)的干擾范圍內(nèi)，使得小區(qū)檢測難度提高。

（3）回傳線路

廣泛部署密集網(wǎng)絡(luò)的瓶頸之一就是回程線路，隨著密集網(wǎng)絡(luò)中接人節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，如何優(yōu)化回程網(wǎng)絡(luò)的問題也愈發(fā)突出，其中無線回程成為一種可行方案。

參考文獻(xiàn)

[1]李建東，郭梯云，鄔國揚(yáng).移動通信[M].第四版，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006：220 226.

[2]李兆玉，何維，戴翠琴.移動通信[M].電子工業(yè)出版社，2017

[3] Liyanage M， Abro A B，Ylianttila M， et al. Opportunitiesand Challenges of Software-Defined Mobile Networks in NetworkSecurity[J].IEEE Security&Privacy， 2016， 14（4）：34-44.