5G移动通信网络结构浅析

【摘要】 尽管5G移动通信标准尚未面世，但相关的技术脉络已然日渐清晰。本文分析了未来5G网络结构的三个重要特征，并对其基本原理、功能及实际意义作了简要介绍。

【关键词】 5G 大规模MIMO 超密集异构网络 SDN

一、引言

随着信息社会的深入发展，移动接入端的数量和流量均呈现爆发式增长，现有的4G网络已经越来越难以满足用户需求。在这种情况下，各主要国家、行业组织、相关企业和研发机构纷纷投入大量人力和财力进行下一代移动通信（5G）的研发工作，并且已取得可观进展。

业内普遍预计，5G网络有望于2020年左右正式部署，届时将极大地改善用户的移动上网体验，并且能够有力地支持物联网产业的发展。

二、5G网络特征

2.1 大规模MIMO天线阵列

MIMO天线技术在4G网络中就已经得到广泛应用了，在基站端设置多部天线，通过空分复用或空间分集，可以明显提高系统容量或可靠性。

但受制于基站空间大小，天线数不可能太大，一般为2～8，这样就形成了传输速率上限。为了突破这一瓶颈，研究人员提出了大规模MIMO技术。根据理论分析，当基站天线数趋向于无穷大时，不同用户信道间的相关性将趋向于0，也就是所谓的“信道硬化”，这样不仅可以大幅度提升传输速率，而且采用最简单的匹配滤波检测就能消除用户间干扰[1]。

2.2 超密集异构网络

在传统移动通信系统中，当某小区用户数超过现有网络容量时，最直接有效的方法就是小区分裂，通过缩小小区覆盖面积、增加小区数来容纳更多用户。这一策略在5G时代仍将有效，由于5G信号速率较之于4G会有明显提升，不可避免要占据更高频谱，这样一来，无线信号的覆盖半径就会自然减小。因此，超密集微小区结构将是5G网络的一大特征。

在5G时代，一方面，随着越来越多的有线互联网业务转移扩展至无线网络，各种针对用户位置移动开发的移动端应用软件也层出不穷，再加上方兴未艾的物联网产业，这些都要求移动网络同时具备高速率和低时延，目前得到广泛应用的一些短距离无线局域网如WiFi等完全可以胜任。另一方面，一些传统的移动业务如语音通信、短消息等对网络的速率、时延没有太高要求，但需要良好的移动性和较大的覆盖范围，这类业务完全可以利用现有的4G乃至2G、3G网络。因此，由运营商建设的基础移动网络和各类组织、个人自建的无线局域网等不同类型的网络将长期共存、相互融合，共同为用户提供优质服务[2]。

2.3 软件定义网络

软件定义网络（Software Defined Network，SDN），就是用软件来调度和管理网络，是由美国斯坦福大学教授Nick Mckeown等人首先提出的概念。

SDN是一种新型网络架构，它具有三层结构：从上至下依次为应用层、控制层和数据层。

数据层对应实体网络，负责数据的物理传输；

控制层向上为用户开发各种应用程序提供标准的编程接口，向下提供了开放的设备管理接口；

应用层面向用户，用户可以通过应用软件来定义网络的逻辑结构，而无须关注底层的实体网络拓扑。

SDN将数据转发与控制彻底分离，由控制层对网络设备进行统一调度与管理[3]，控制层相当于一个网络操作系统，用户通过应用软件可以灵活地定义网络路径、调配物理资源。借助这一结构，未来的移动网应用有望变得像互联网一样便捷多样。

三、总结

由以上三个特征可以看出：未淼5G网络并不是简单地提升传输速率，也不是对现有网络的完全取代，而是充分借鉴、融合了现有的无线技术和互联网技术，并在此基础上进行了必要的创新，以更好地满足消费者和产业界的多样化需求。

参 考 文 献

[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q5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]q中国科学：信息科学，2014，44 （5）：551-563.

[3] 刘旭，李侠宇，朱浩q5G中的SDN/NFV和云计算[J]q电信网技术，2015，（5）：1-5.