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首页5G移动通信网络关键技术综述_赵国锋.pdf
为适应未来海量移动数据的爆炸式增长,加快新业务新应用的开发,第五代移动通信(fifth generation mobile communication network,5G)网络应运而生。目前,国内外已经逐渐明确了5G的愿景和需求,如何将现有技术和多种潜在的新技术进行融合以实现5G网络成为下一步的研究与发展重点。面向未来5G的技术发展,介绍5G的概念、应用场景以及终端用户对5G的相关需求;然后,重点阐述5G在无线网络方面具有发展前景的10大关键技术,包括:超密集异构网络、自组织网络、D2D(device-to-device)通信、M2M(machine-to-machine)通信、软件定义无线网络、信息中心网络、内容分发网络、移动云计算、软件定义网络/网络功能虚拟化、情景感知技术。给出了每种技术的基本概念或原理,以及应用到5G网络时潜在的研究问题。最后概述了5G的发展趋势及存在的难点。
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第
27
卷第
4
期 重庆邮电大学学报
(
自然科学版
) Vol. 27 No. 4
2015
年
8
月
Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications( Natural Science Edition) Aug. 2015
DOI:10. 3979 /j . issn. 1673-825X. 2015. 04. 003
5G
移动通信网络关键技术综述
收稿日期
: 2015-06-28
修订日期
: 2015-07-08
通讯作者
:
赵国锋
zhaogf@ cqupt. edu. cn
基金项目
:
国家自然科学基金青年基金
( 61402065) ;
江苏省未来网络创新研究院
‘
未来网络前瞻性研究
’( BY2013095-2-03,
BY2013095-5-07)
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China ( 61402065) ; The‘Future Network Prospective Research Pro-
ject’of Future Network Innovation Institute in Jiangsu Province ( BY2013095-2-03,BY2013095-5-07)
赵国锋
,
陈 婧
,
韩远兵
,
徐 川
(
重庆邮电大学未来网络研究中心 重庆
400065)
摘 要
:
为适应未来海量移动数据的爆炸式增长
,
加快新业务新应用的开发
,
第五代移动通信
( fifth generation mo-
bile communication network,5G)
网络应运而生
。
目前
,
国内外已经逐渐明确了
5G
的愿景和需求
,
如何将现有技术和
多种潜在的新技术进行融合以实现
5G
网络成为下一步的研究与发展重点
。
面向未来
5G
的技术发展
,
介绍
5G
的
概念
、
应用场景以及终端用户对
5G
的相关需求
;
然后
,
重点阐述
5G
在无线网络方面具有发展前景的
10
大关键技
术
,
包括
:
超密集异构网络
、
自组织网络
、D2D( device-to-device)
通信
、M2M( machine-to-machine)
通信
、
软件定义无线
网络
、
信息中心网络
、
内容分发网络
、
移动云计算
、
软件定义网络
/
网络功能虚拟化
、
情景感知技术
。
给出了每种技
术的基本概念或原理
,
以及应用到
5G
网络时潜在的研究问题
。
最后概述了
5G
的发展趋势及存在的难点
。
关键词
: 5G;
无线网络
;
关键技术
;
发展趋势
中图分类号
: TN929. 5
文献标识码
: A
文章编号
: 1673-825X( 2015) 04-0441-12
Prospective network techniques for 5G mobile communication: A survey
ZHAO Guofeng,CHEN Jing,HAN Yuanbing,XU Chuan
( Future Networks Research Center,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,P. R. China)
Abstract: In order to solve the explosive growth of mobile data traffic,massive terminals,new emerging businesses and va-
rieties of novel services scenarios
,the fifth generation mobile communication network (5G) is proposed and becoming a hot
topic in academical and industrial field. Now,many countries or communities have completed the first step of 5G develop-
ment which clarified the users’requirements and future vision of 5G . Therefore,when facing the 5G requirements into
2020,combine the existing and potential new technologies to implement the 5G network is now put on table. In this paper,
we first introduce the concept of 5G,and some use cases and user-driven requirements. Then,we mainly focus on ten pro-
spective key techniques of wireless networking,and they involve ultra-dense networking (UDN),self-organizing networking
(SON),software-defined wireless networking (SDWN),content distribution network (CDN),information-centric networ-
king (ICN),device-to-device (D2D) communication,machine-to-machine (M2M) communication,mobile cloud compu-
ting,software-defined networking /network function virtualization,and context-aware networking (CND). We present the
fundamental concept or thought for each technique,and show the research topics when it is to be applied to 5G. Finally,
we briefly discuss the future problems towards 5G.
Key words:5G;wireless network;key techniques;development
0
引 言
在过去
40
年的时间里
,
移动通信经历了飞跃式
发展
,
给人们生活方式
、
工作模式以及政治
、
经济等
方面带来了深刻影响
,
人们一直在追求更高性能的
移动 通 信 网 络
。2012
年
,
欧 盟 正 式 启 动
METIS
(mobile and wireless communications enables for the
2020 information society
)
项目
[1]
,
进行
5G
移动通信
网络的研究
。
除了
METIS
之外
,
欧盟启动了规模更
大的科研项目
5G-PPP,
旨在加速欧盟
5G
研究和创
新
,
确立欧盟在
5G
领域的主导地位
;
英国政府联合
多家企业在
Surrey
大学成立
5G
研发中心
,
致力于
5G
的 研 究
[2-5]
。
在 亚 洲
,
韩 国 于
2013
年 开 启 了
“GIGA Korea”5G
项目
,
中国
IMT-2020
推进组也于
同年成立
,
团结亚洲地区的
5G
研究力量
,
共同推进
5G
技术标准的发展
[6]
。
可见
,5G
已成为国内外移
动通信领域的研究热点
。
1 5G
概述
5G
作为新一代无线移动通信网络
,
主要用于满
足
2020
年以后的移动通信需求
。
在高速发展的移
动互联网和不断增长的物联网业务需求共同推动
下
,
要求
5G
具备低成本
、
低能耗
、
安全可靠的特点
,
同时传输速率提升
10
到
100
倍
,
峰值传输速率达到
10 Gbit /s,
端到端时延达到
ms
级
,
连接设备密度增加
10
到
100
倍
,
流量密度提升
1 000
倍
,
频谱效率提升
5
到
10
倍
,
能够在
500 km /h
的速度下保证用户体
验
[7-9]
。5G
将使信息通信突破时空限制
,
给用户带来
极佳的交互体验
;
极大缩短人与物之间的距离
,
并快
速地实现人与万物的互通互联
[8]
。
1. 1 5G
的应用场景
3G
与
4G
主要聚焦于
“
移动宽带
”
这一应用场
景
,
致力于给用户提供更高的系统容量以及更快的
无线接入速率
。
预计到
2020
年
,
各种物联网应用将
得到广泛普及
,
智能电网
、
智慧城市
、
移动医疗
、
车载
娱乐
、
运动健身
,
未来
5G
网络支持虚拟现实
、
超清
视频以及移动游戏等应用服务
,
这类移动交互式应
用对无线接入带宽和通信延迟有很高的需求
[9]
。
在公共安全方面
,
如
:
紧急语音通话
、
无人机远程监
测
、
入侵监测
、
急救人员跟踪等场景
,5G
通信系统需
要具有
“
零延迟
”、
高可靠性的特点
。
1. 2
用户终端对
5G
的需求
未来
5G
网络主要面向以终端用户为中心的通
信服务
,
注重提供更好的用户体验
。
面向
2020
年及
以后
,
超高清视频
、
增强现实
、
云存储
、
在线游戏等业
务均要求
5G
网络提供比现有网络更高的无线接入
宽带和
“
无感知
”
的时延
。
未来
5G
网络必须具备在
自然灾害
、
战争
、
病疫等发生之前能够实时提供准确
的应急通信服务
。
在高速的移动实体
,
如
:
高铁
、
飞
机等交通工具中
,5G
网络必须要具有非常好的移动
性支持
,
为用户提供实时网络接入
,
邮件收发
、
娱乐
等服务
。“
游牧式
”
的移动终端设备对移动性能要
求不高
,
但在网络可靠性以及弹性方面有很高的要
求
。
目前
,
对于能量利用效率与能耗的重视程度越
来越高
,
网络功能的执行不应该过度地消耗能量
,
5G
应能支持更低功耗
,
成为更加绿色环保的移动通
信网络
。
2 5G
网络关键技术
目前
,5G
网络关键技术仍处于研究阶段
,
究竟
何种关键技术在未来能够适应
5G
的需求
,
仍是一
个未知数
。
本文结合
5G
发展的基本需求
、
发展趋
势
,
从无线网络方面重点综述
10
项富有发展前景的
5G
无线网络关键技术
。
2. 1
超密集异构网络
未来
5G
网络正朝着网络多元化
、
宽带化
、
综合
化
、
智能化的方向发展
。
随着各种智能终端的普及
,
面向
2020
年及以后
,
移动数据流量将呈现爆炸式增
长
。
在未来
5G
网络中
,
减小小区半径
,
增加低功率
节点数量
,
是保证未来
5G
网络支持
1 000
倍流量增
长的核心技术之一
[10-12]
。
因此
,
超密集异构网络成
为未来
5G
网络提高数据流量的关键技术
。
未来无线网络将部署超过现有站点
10
倍以上
的各种无线节点
,
在宏站覆盖区内
,
站点间距离将保
持
10 m
以内
,
并且支持在每
1 km
2
范围内为
25 000
个用户提供服务
[13-15]
。
同时也可能出现活跃用户
数和站点数的比例达到
1∶ 1
的现象
,
即用户与服务
节点一一对应
[16-17]
。
密集部署的网络拉近了终端
与节点间的距离
,
使得网络的功率和频谱效率大幅
度提高
,
同时也扩大了网络覆盖范围
,
扩展了系统容
量
,
并且增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次
间的灵活性
。
虽然超密集异构网络架构在
5G
中有
很大的发展前景
,
但是节点间距离的减少
,
越发密集
的网络部署将使得网络拓扑更加复杂
,
从而容易出
现与现有移动通信系统不兼容的问题
。
在
5G
移动
通信网络中
,
干扰是一个必须解决的问题
。
网络中
·244·
重庆邮电大学学报
(
自然科学版
)
第
27
卷
的干扰主要有
:
同频干扰
,
共享频谱资源干扰
,
不同
覆盖层次间的干扰等
[18-20]
。
现有通信系统的干扰
协调算法只能解决单个干扰源问题
,
而在
5G
网络
中
,
相邻节点的传输损耗一般差别不大
,
这将导致多
个干扰源强度相近
,
进一步恶化网络性能
,
使得现有
协调算法难以应对
。
此外
,
由于业务和用户对
QoS
需求的差异性很大
,5G
网络需要采用一些列措施来
保障系统 性能
,
主要有
:
不同业务在网络中的实
现
[21-22]
,
各种节点间的协调方案
,
网络的选择
[23]
,
以
及节能配置方法
[24]
等
。
准确有效地感知相邻节点
[25]
是实现大规模节
点协作的前提条件
。
在超密集网络中
,
密集地部署
使得小区边界数量剧增
,
加之形状的不规则
,
导致频
繁复杂的切换
。
为了满足移动性需求
,
势必出现新
的切换算法
[26]
;
另外
,
网络动态部署技术
[27-28]
也是
研究的重点
。
由于用户部署的大量节点的开启和关
闭具有突发性和随机性
,
使得网络拓扑和干扰具有
大范围动态变化特性
;
而各小站中较少的服务用户
数也容易导致业务的空间和时间分布出现剧烈的动
态变化
。
2. 2
自组织网络
传统移动通信网络中
,
主要依靠人工方式完成
网络部署及运维
,
既耗费大量人力资源又增加运行
成本
,
而且网络优化也不理想
[8]
。
在未来
5G
网络
中
,
将面临网络的部署
、
运营及维护的挑战
,
这主要
是由于网络存在各种无线接入技术
,
且网络节点覆
盖能力各不相同
,
它们之间的关系错综复杂
。
因此
,
自组织网络
(self-organizing network,SON)
的智能化
将成为
5G
网络必不可少的一项关键技术
[29-34]
。
自组织网络技术解决的关键问题主要有以下
2
点
:
①网络部署阶段的自规划和自配置
;
②网络维护
阶段的自优化和自愈合
[31]
。
自配置即新增网络节
点的配置可实现即插即用
,
具有低成本
、
安装简易等
优点
。
自优化的目的是减少业务工作量
,
达到提升
网络质量及性能的效果
[32]
,
其方法是通过
UE
和
eNB
测量
,
在本地
eNB
或网络管理方面进行参数自
优化
。
自愈合指系统能自动检测问题
、
定位问题和
排除故障
,
大大减少维护成本并避免对网络质量和
用户体验的影响
。
自规划的目的是动态进行网络规
划并执行
,
同时满足系统的容量扩展
、
业务监测或优
化结果等方面的需求
。
目前
,
主要有集中式
、
分布式
以及混合式
3
种自组织网络架构
。
其中
,
基于网管
系统实现的集中式架构具有控制范围广
、
冲突小等
优点
,
但也存在着运行速度慢
、
算法复杂度高等方面
的不足
;
而分布式恰恰相反
,
主要通过
SON
分布在
eNB
上来实现
,
效率和响应速度高
,
网络扩展性较
好
,
对系统依懒性小
,
缺点是协调困难
;
混合式结合
集中式和分布式
2
种架构的优点
,
缺点是设计复杂
。
SON
技术应用于移动通信网络时
,
其优势体现在网
络效率和维护方面
,
同时减少了运营商的资本性支
出和运营成本投入
。
由于现有的
SON
技术都是从
各自网络的角度出发
,
自部署
、
自配置
、
自优化和自
愈合等操作具有独立性和封闭性
,
在多网络之间缺
乏协作
。
因此
,
研究支持异构网络协作的
SON
技术
具有深远意义
。
2. 3
内容分发网络
在未来
5G
中
,
面向大规模用户的音频
、
视频
、
图像等业务急剧增长
,
网络流量的爆炸式增长会极
大地影响用户访问互联网的服务质量
[31]
。
如何有
效地分发大流量的业务内容
,
降低用户获取信息的
时延
,
成为网络运营商和内容提供商面临的一大难
题
。
仅仅依靠增加带宽并不能解决问题
,
它还受到
传输中路由阻塞和延迟
、
网站服务器的处理能力等
因素的影响
,
这些问题的出现与用户服务器之间的
距离有密切关系
。
内容分发网络
(content distributi-
on network,CDN)
会对未来
5G
网络的容量与用户
访问具有重要的支撑作用
[35-37]
。
内容分发网络是在传统网络中添加新的层次
,
即智能虚拟网络
。CDN
系统综合考虑各节点连接
状态
、
负载情况以及用户距离等信息
,
通过将相关内
容分发至靠近用户的
CDN
代理服务器上
,
实现用户
就近获取所需的信息
,
使得网络拥塞状况得以缓解
,
降低响应时间
,
提高响应速度
。CDN
网络架构如图
1
所示
[36]
,
在用户侧与源
server
之间构建多个
CDN
代理
server,
可以降低延迟
、
提高
QoS(quality of serv-
ice)。
当用户对所需内容发送请求时
,
如果源服务
器之前接收到相同内容的请求
,
则该请求被
DNS
重
定向到离用户最近的
CDN
代理服务器上
,
由该代理
服务器发送相应内容给用户
。
因此
,
源服务器只需
要将内容发给各个代理服务器
,
便于用户从就近的
带宽充足的代理服务器上获取内容
,
降低网络时延
并提高用户体验
。
随着云计算
、
移动互联网及动态
网络内容技术的推进
,
内容分发技术逐步趋向于专
业化
、
定制化
,
在内容路由
、
管理
、
推送以及安全性方
面都面临新的挑战
[37]
。
在未来
5G
网络中
,
随着智能移动终端的不断
·344·
第
4
期 赵国锋
,
等
:5G
移动通信网络关键技术综述
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