5G网络的分层架构及突破性技术

5G网络的分层架构及突破性技术

摘要：近几年，移动通信和无线网络获得了显著的发展。用户数、流量数及网络速率均呈现急剧增长趋势。这些因素都推动着5G网络的快速实现。5G网络不是4G网络的简单延伸，而是一次全新的技术革新。本文从5G网络的分层架构入手，讲解5G网络的分层架构及其突破性技术。关键词：5G，分层架构，毫米波，MassiveMIMO一、5G网络的概念5G网络即第五代移动通信网络，其主要特点是理论峰值传输速率可达每秒数十Gb，端到端时延1ms，每平方公里用户数达百万级。二、5G网络的分层架构5G的各项特点要求其结构要尽量简化。相对于国际标准OSI七层网络架构，5G网络使用了四个基本层：即开放式无线架构层、网络层、开放式传输协议层及应用层。其中网络层又分为上/下层网络层。如图1所示。其中5G中的开放式无线架构层对应于OSI模型的物理层和数据链路层。5G的网络层分为上层和下层，对应OSI模型的网络层。该层是基于IP的。目前全球广泛应用的是IPV4，但IPV4本身有其缺陷，例如地址枯竭和安全服务质量难以保障。后续的IPV6虽然解决了IPV4的这些问题，却带来了更大的分组报头。此外，移动性仍然是一个难题。5G提出了移动IP标准及微移动性解决方案。该方案要求所有的移动网络在5G中均使用移动IP，且每一个终端设备均为一个外部代理（FA），维护其固定IPv6地址与当前无线网络的转交地址（CoA）之间的地址映射。移动设备可同时连接到多个移动或无线网络。5G的开放式传输协议层相当于OSI模型中的传输层和会话层。在OSI传输层TCP协议中，我们常假设丢包主要由网络拥塞引起。但在无线网络中，由于无线接口的高误码率，丢包也可能发生在无线接口处。因此，在移动无线网络中，TCP协议需要重新修订，针对损坏的TCP分段，我们在无线链路上需要建立重传机制。未来的5G网络必须有可供终端下载和安装各类协议的传输层。5G终端也须有能力根据安装在接入基站上的不同无线技术从传输层下载并安装与之匹配的协议版本。这就是所谓的开放式传输协议（OTP）。5G和OSI模型的最后一层均为应用层。5G移动终端设备的终极需求是希望网络能够提供多种智能QOS管理。目前的移动电话均需用户手动选择用于特定因特网服务的无线接口，而不具备使用QoS历史信息来为给定服务选择最佳无线连接的能力。未来5G电话将拥有服务质量测试和在移动终端信息数据库中存储测量信息的可能性。QoS参数如延迟、抖动、损耗、带宽及可靠性，将被存储在5G移动电话的数据库中，并且可以被移动终端中的智能算法用作系统处理，最终将根据网络需要的QoS和个人成本限制条件计算出最佳的无线连接。5G技术将推动一系列新的服务和模型产生，我们将在实践中进一步这些服务与模型与5G系统结构的接口是否匹配。因此，未来的无线网络需具备以下两个特点：网络实现的低复杂性及终端用户与无线基础设施之间的有效协议手段。三、5G的突破性技术3.1以设备为中心的体系架构在5G通信中，蜂窝移动通信中的BS体系架构将发生变化。为了获得用于不同目的和不同节点集较好的信息流路由，我们将不得不重新审视控制信道、数据信道、上行链路及下行链路的概念。蜂窝设计通常依赖于蜂窝单元的硬件部分，即无线接入系统内的关键单元。设备通过建立携带有BS命令小区控制和数据流量的上下行链路连接来获取基站服务。在过去的几年中，这种以小区为中心的结构正逐渐被破坏。进入5G通信，异构系统数量将快速增加，这就决定了5G网络的BS密度将迅速扩大。在4G通信中，对异构系统实行制度化，4G网络并没有打算在本地支持异构系统。异构系统的致密化迫切的需要5G网络架构做出改变。大量智能设备的使用会影响无线接入系统。具体而言，设备到设备（D2D）和智能缓存调用都需要重新定义设计，从而迫使系统重心从中心设备转移到边缘设备上。鉴于以上这些发展趋势，我们希望网络逐步由以小区为中心发展为以设备为中心。3.2毫米波随着通信行业的发展，全球带宽资源日益短缺。进入5G时代，场景复杂且种类众多，需要更宽的微波频谱，因此运营商启用了600MHZ毫米波段。目前有两种增加毫米波的方法：第一，频谱重耕。这已经在世界范围内通过农村宽带接入应用的电视频谱的重耕实现；然而，重耕并没有提供更多的频谱：仅80兆赫兹左右，且成本极高。第二，使用认知无线电技术共享频谱。人们最初对认知无线电寄予厚望，但由于现有无线电使用者不完全愿意合作，影响了二级用户频谱效率的共享。总的来说，在微波频率下，加倍当前的蜂窝带宽是最好的方法。更重要的是，可用于蜂窝通信的毫米波频谱范围为3至300千兆赫。可以预期，5G可接入数千兆赫兹。3.3MassiveMIMO大规模MIMO是指大型天线系统，即基站的天线数量比每个信令资源连接的设备要大得多。在亨德森-克拉克系统中，我们认为大规模的MIMO是5G的颠覆性技术，首先这是一种节点级可扩展技术。在大规模MIMO中，由于使用时分双工技术增强上行链路导频信道估计，因此BSS上可安装天线数量是没有上限的。其次它支持新的体系结构和部署。能够快速部署网络。3.4智能设备5G时代，终端设备将发挥更重要的作用，5G系统如何设计能够提高设备的智能性。各类研究集中在以下三个不同技术上：D2D、高级干扰抑制和本地缓存。设备到设备通信（D2D）会话的数据直接在终端之间进行传输，不需要通过基站转发，而相关的控制信令，如会话的建立、维持、无线资源分配以及计费、鉴权、识别、移动性管理等仍由蜂窝网络负责。蜂窝网络引入D2D通信，可以减轻基站负担，降低端到端的传输时延，提升频谱效率，降低终端发射功率。当无线通信基础设施损坏，或者在无线网络的覆盖盲区，终端可借助D2D实现端到端通信甚至接入蜂窝网络。在5G网络中，既可以在授权频段部署D2D通信，也可在非授权频段部署。3.5M2M通信M2M通信技术有三大优点：支持大量的低速率设备，维持可忽略的数据速率以及低延迟数据传输。目前无线通信日益商品化，这种商品化提供了一系列具有先决条件的新型服务。例如大量连接的设备，非常高的链路可靠性，低延迟和实时操作。四、结束语5G网络场景众多、终端形态各异，这就注定5G网络结构更为复杂，使用技术更加多变。参考文献：[1]5G的五大颠覆性关