《5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)問題研究12000字（論文）》

引言5G技術(shù)在2020年正式上市，目前標(biāo)準(zhǔn)化工作如火如荼，5G網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)就是為了給用戶提供更高的Gbps速率，最大速率的時候能超出4G的10倍，端到端的延遲較之前相比，可以降低到0.1秒內(nèi)，用戶體驗更快的速度。在未來，5G需求的領(lǐng)域也會越來越多，智能家居與物聯(lián)網(wǎng)以及AI技術(shù)等都將與5G息息相關(guān)，是主要的研究方向。隨著信息網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展，對移動通信網(wǎng)絡(luò)的要求逐漸增加。為了滿足公眾的實際需求，在原始移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了該團(tuán)隊的5G移動通信網(wǎng)絡(luò)。與4G移動通信網(wǎng)絡(luò)相比，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的傳播速度大大提高。同時，通過提高頻譜利用率，可以進(jìn)一步提高信息資源的利用率，信息空間通信的優(yōu)勢更加明顯。為此，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有效應(yīng)用可以進(jìn)一步提高信息發(fā)布的速度，滿足現(xiàn)代人的在線需求，并進(jìn)一步提高信號覆蓋率以確保穩(wěn)定性。移動信號。5G移動通信作為新時代網(wǎng)絡(luò)通信的研究對象，以4G移動網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，繼續(xù)致力于無線信號覆蓋的研究工作，致力于信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，并結(jié)合智能技術(shù)的應(yīng)用，具有可變性，未來的發(fā)展趨勢更加智能。總而言之，互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展導(dǎo)致了移動網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的出現(xiàn)。現(xiàn)代人對通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，必須保證移動信號的穩(wěn)定性和信息傳輸?shù)乃俣?。為此?G移動通信網(wǎng)絡(luò)的搜索速度正在加快。在新的傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了更加實用的移動網(wǎng)絡(luò)，以促進(jìn)移動通信的發(fā)展，使其變得更加智能，并開創(chuàng)了更加現(xiàn)實的移動通信時代。25G新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究2.15G新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)歐盟METIS項目團(tuán)隊在對5G進(jìn)行藍(lán)圖展望時，認(rèn)為在2020年5G可以開始投入市場進(jìn)行商業(yè)化，從個人信息使用逐漸增加到其他行業(yè)，研發(fā)5G時主要目標(biāo)是改進(jìn)移動寬帶（eMBB），高可靠性和低延遲通信（uRLLC）以及大型機(jī)器通信（mMTC）的開發(fā)類型。2.1.15G相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在這個互聯(lián)網(wǎng)占據(jù)我們生活大部分的社會背景下，對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群途W(wǎng)絡(luò)的要求越來越高也也來越嚴(yán)格，5G要在市場上占據(jù)地位，解決數(shù)據(jù)傳輸問題和網(wǎng)絡(luò)問題是基本的技術(shù)要求，由于物理層技術(shù)的改進(jìn)，移動通信系統(tǒng)的容量已經(jīng)提高了近5倍，而更多的改進(jìn)是由于小區(qū)劃分即，細(xì)胞的致密化近來已提高了1600倍。小區(qū)之間可以復(fù)用的頻率越來越小，因而導(dǎo)致頻率的相對提高，真?zhèn)€系統(tǒng)的速度和容量較之前大大增加，但網(wǎng)絡(luò)之間的致密性增加后也會帶來一些問題，相互之間干擾的頻率較之前增加，導(dǎo)致總功率也增加，這回提高運(yùn)行成本。為了降低運(yùn)行成本，解決這些問題，5G在使用中應(yīng)當(dāng)使用分層的網(wǎng)絡(luò)模塊，這樣的結(jié)構(gòu)下，各個微基站所承受的能力較低，還能有余力支持一些大型的寬帶的使用。理論雖通透，在實際操作過程中也會有各種挑戰(zhàn)，微基站的能力和容量較小，當(dāng)使用的要求超過一個微基站的能力時，還需要更換微基站，這回影響使用速度，另外大量的建立各個微基站，彼此之間密度過大，也會產(chǎn)生互相干擾的后果。以5G為主的未來移動通訊，將會要求更高的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，例如軟件定義的網(wǎng)絡(luò)?；舅枷胧浅橄罂刂破矫?，即將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離。所謂的控制平面是信令。對于在小區(qū)之間高速旅行的用戶，僅應(yīng)切換用戶數(shù)據(jù)鏈路，而無需切換信令鏈路。另外，微電池的數(shù)量正在增加，并且不能由電池獨立地管理，并且小的分組是必要的，因此非晶電池將在未來出現(xiàn)。其中，用戶的上，下信號和數(shù)據(jù)不必在同一小區(qū)中發(fā)送，并且獨立于用戶信號和數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)移動通信在同一小區(qū)中。在5G中，信令和用戶數(shù)據(jù)傳輸路徑可以不同，上游的傳輸路徑也可以區(qū)別于下游的獲取方式，這樣就增加了數(shù)據(jù)運(yùn)輸?shù)撵`活性，控制平面與數(shù)據(jù)平面之間也可以相互分開，使用不同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且上行鏈路和下行鏈路傳輸鏈路也彼此分開。也將基于關(guān)于信道狀態(tài)的特定信息來確定不同傳輸鏈路的選擇，達(dá)到最佳傳輸能力。系統(tǒng)在使用時需要消耗大量的IT資源，折舊需要云計算的技術(shù)服務(wù)支持，協(xié)調(diào)多個微基站。云計算服務(wù)技術(shù)也是當(dāng)前較為熱點的研究問題。在5G的研究與發(fā)展中，云計算也成為支持5G發(fā)展的一項重要技術(shù)，我們要解決寬帶訪問云服務(wù)時造成的延遲問題。例如一些遠(yuǎn)程辦公的行業(yè)對此的要求是非常高的，例如醫(yī)療行業(yè)就特別的敏感，當(dāng)前并沒有穩(wěn)定合適的云服務(wù)以提供這一需求。在此問題上，思科全球研發(fā)中心總裁FlavioBonomi又新提出了一個霧計算的概念。霧計算的概念與云計算是類似的，采用的是處于云計算和計算機(jī)服務(wù)終端的中間介質(zhì)狀態(tài)。實際上，計算機(jī)迷霧正在削弱移動通信系統(tǒng)中的某些云計算功能。5G的出現(xiàn)進(jìn)一步削弱了稱為MEC技術(shù)的這些功能。將來，將密集部署5G中小型基站。這些設(shè)備必須連接到中央計算機(jī)室才能訪問中央網(wǎng)絡(luò)。在目前的實施的現(xiàn)狀中，鏈路主要由回程光纖構(gòu)成。微蜂窩的設(shè)計理念會導(dǎo)致光纖鋪設(shè)的密集程度增加，結(jié)構(gòu)設(shè)計和維護(hù)成本也相應(yīng)增加了很多。為了解決這一方案，增加小區(qū)之間的靈活性，網(wǎng)絡(luò)的使用通信需要將鏈路和無線中繼鏈路相結(jié)合，以降低運(yùn)營成本?？紤]到當(dāng)前的市場發(fā)展，毫米波連接是一個不錯的解決方案。目前移動通信現(xiàn)存在的微波頻帶是600MHz的帶寬，但使用5G則需要大概而1GHz的帶寬要求。因此，尋找到合適的新的頻帶資源是使用5G技術(shù)要解決的一個關(guān)鍵點。毫米波可以提供更高的系統(tǒng)容量，在未來具有巨大的發(fā)展空間。5G的發(fā)展是一種超密集的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，無線超高技術(shù)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是支持5G的技術(shù)要求，大規(guī)模使用先進(jìn)空中接口與無線傳輸技術(shù)在未來將能大量的增加寬帶系統(tǒng)。該技術(shù)也有難題，主要為大型的建模與控制性，PD技術(shù)的使用將會在未來數(shù)據(jù)連接時提高頻譜效率。學(xué)術(shù)界對于超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN）的發(fā)展與研究非常的關(guān)注，如何提高UDN網(wǎng)絡(luò)容量是非常關(guān)注的問題，一般可采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和干擾控制等核心技術(shù)來解決。2.1.25GNR架構(gòu)演進(jìn)NR體系結(jié)構(gòu)發(fā)展在5G的發(fā)展中可分為獨立網(wǎng)絡(luò)（SA）和非獨立網(wǎng)絡(luò)（NSA）兩個階段，圖2.1中說明了兩種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較。其中，非獨立網(wǎng)絡(luò)主要用于5GeMBB場景。它的優(yōu)勢在于它可以依靠原始4G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和原本的設(shè)施，將5G的網(wǎng)絡(luò)接入即可增強(qiáng)傳輸能力，這樣操作也具有缺點，需要復(fù)雜的適應(yīng)性和與標(biāo)準(zhǔn)4G核心網(wǎng)絡(luò)接口的互操作性，因此它適合5G部署開始時某些運(yùn)營商對5G的最初要求。圖2.15GNSA和SA標(biāo)準(zhǔn)對比5GNSA標(biāo)準(zhǔn)的正式版本在2017年12月18日舉行的第78屆3GPPRAN全體會議上發(fā)布。如表2.1所示，2017年12月到2018年9月之間，不斷地出臺了5G的標(biāo)準(zhǔn)，5G的主要研發(fā)部分應(yīng)該跟隨標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，不斷前進(jìn)，運(yùn)營商在NSA和SA這兩個標(biāo)準(zhǔn)中如何選擇標(biāo)準(zhǔn)，主要受一下的因素指導(dǎo)：1）LTE能夠?qū)崟r實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，具有快速實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，在尋求初始投資時，NSA的需求量低于SA。2）對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的需求。如果將5G將來成為互聯(lián)網(wǎng)的主要載體，則只能考慮采用SA標(biāo)準(zhǔn)去構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。3）5G頻譜的分配。如果采用的是分配給更高的頻率，那么會增加覆蓋成本，此時NSA可能更加適合，網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建逐步升級。在日本和韓國，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的5G的接入點會選擇采用NSA，2018年的韓國冬季奧運(yùn)會以及即將舉行的2020年日本奧運(yùn)會都采用了NSA5G標(biāo)準(zhǔn)。相較于北美、韓國與日本會采用NSA標(biāo)準(zhǔn)，我國則相反，更傾向于實施SA標(biāo)準(zhǔn)。表2.15G重要事件時間分布表時間事件關(guān)鍵點2017年12月在3GPPRAN第78次全會上確立了SGNSA標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)2017年12月開始SG研發(fā)試驗的第三階段試驗2018年02月在平昌冬奧會上首次使用SG服務(wù)首次使用2018年03月將NSA標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，不再使用凍結(jié)2018年06月發(fā)布SA標(biāo)準(zhǔn)SA標(biāo)準(zhǔn)2018年09月SA標(biāo)準(zhǔn)被凍結(jié)，中國推出商用產(chǎn)品中國產(chǎn)品NSA標(biāo)準(zhǔn)一般擁有三種技術(shù)途徑，分別為Option3/3a，Option7/7a和Option4/4a，如圖2.2所示。這三種不同的技術(shù)路徑的特征如下：1）Option3/3a：無需重新添加5G網(wǎng)絡(luò)是該途徑的優(yōu)點，該途徑可以利用現(xiàn)存的4GLTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在較短時間內(nèi)部署好5G網(wǎng)絡(luò)。相反的缺點為所構(gòu)建的5G通道都采用原來的4G通道，可能存在原有通道不能承載的風(fēng)險。2）Option7/7a：Option7/7a的優(yōu)勢是能解決Option3/3a不能承載的風(fēng)險問題，解決承載問題就是建立屬于5G本身的核心通道，不使用原有4G的渠道，增加通道容量。主要針對eMBB場景。3）選項4/4a：這個方案主要是為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)時代的網(wǎng)絡(luò)多樣性，適用于eMBB，uRLLC和mMTC應(yīng)用場景。由于這三種技術(shù)解決方案的特性不同，在實施5GNSA標(biāo)準(zhǔn)時，它可以按照Option3/3a，Option7/7a和Option4/4a的順序發(fā)展。圖2.25GNSA的演進(jìn)當(dāng)前，在NSA分類中，選項3被認(rèn)為是最理想的選擇，而選項7也是替代選擇。在選項3中，保留4GEPC核心網(wǎng)絡(luò)和4G接入網(wǎng)絡(luò)，并且優(yōu)選地部署5G接入網(wǎng)絡(luò)，然后部署5G核心網(wǎng)絡(luò)。選項7中在5G接入網(wǎng)出現(xiàn)的情況下保留了4G接入網(wǎng)，兩者進(jìn)行同時部署，運(yùn)營商可根據(jù)自身的需求進(jìn)行不同順序的網(wǎng)絡(luò)部署計劃。2.2移動邊緣計算技術(shù)當(dāng)前增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（AugmentedReality，AR）和虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality，VR）也受到了人們的追捧，在這基礎(chǔ)上衍生了大量的AR和VR產(chǎn)品。這些產(chǎn)品對于市場的沖擊也增加了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的服務(wù)支持要求，用戶對于網(wǎng)絡(luò)的要求程度越來越高，要快，要穩(wěn)定，而傳統(tǒng)的移動通訊應(yīng)對這爆炸式的需求增長是不足以應(yīng)對的。為了緩和當(dāng)前的問題，移動采用了部署微蜂窩的方案來增加系統(tǒng)的容量，以暫時滿足用戶的要求。但是這只是暫時性的解決問題，根本上我們應(yīng)該構(gòu)建新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高根本的網(wǎng)絡(luò)容量，才能滿足用戶對于網(wǎng)絡(luò)的要求。傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)，所有的資源都會集中部署在數(shù)據(jù)服務(wù)中心上，用戶在請求使用時就需要接入一個數(shù)據(jù)中心，來獲取資源，這會造成延時，而MEC技術(shù)能解決這一難題的一項技術(shù)，采用分布式的存儲方式，用戶可以就近進(jìn)入最近的部署計劃，從而減少等待的時間和延遲。2.2.1MEC在5G中的應(yīng)用場景CEM的概念最早出現(xiàn)于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)中，其基本結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。為了滿足擴(kuò)展終端計算機(jī)的需求問題，CEM采用減少外圍網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的方式，減少IT需求，在這過程中還解決了傳統(tǒng)云計算能力不足的問題。下文從不同的方面對MEC與5G發(fā)展關(guān)系進(jìn)行分析，包括MEC涉及的關(guān)鍵技術(shù)，例如用戶和服務(wù)感知以及跨層優(yōu)化。首先是企業(yè)和用戶的看法。傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)是“愚蠢的通道”。定價和業(yè)務(wù)模型相對簡單，缺乏感知和控制業(yè)務(wù)和用戶的能力。響應(yīng)于此問題，內(nèi)容知識是5G通信網(wǎng)絡(luò)智能發(fā)展趨勢的重要特征。得益于對內(nèi)容的了解和對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的分析，可以改善數(shù)據(jù)粘附性。MEC在解決問題時，非常看重對公司和用戶的感知。在設(shè)計時發(fā)現(xiàn)如果降低外圍設(shè)備的計算能力，可以快速的識別到用戶的信息和使用的數(shù)據(jù)流量。這有助于商業(yè)數(shù)據(jù)的獲取和商業(yè)信息的分析。根據(jù)用戶信息對他們提供差細(xì)化的系統(tǒng)服務(wù)，增強(qiáng)用戶的服務(wù)體驗。圖2.3MEC系統(tǒng)基本架構(gòu)現(xiàn)階段，有些運(yùn)營商在研究中不斷嘗試深度數(shù)據(jù)包分析（DeepPacketInspection，DPI）與其他技術(shù)的結(jié)合使用，相比之下，MEC所采用的無線端的數(shù)據(jù)效果更加用戶化，更加符合用戶資源的需求，用戶的體驗較好，不過MEC也存在一些問題，MEC服務(wù)器的計算能力不如與IT資源和核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)備的計算能力，數(shù)據(jù)運(yùn)行分析受到了限制。據(jù)此，MEC的內(nèi)容感知技術(shù)在當(dāng)前的研究中還具有非常大的進(jìn)步空間。5G的智能化發(fā)展也能刺激通訊系統(tǒng)的管網(wǎng)鋪設(shè)能力。跨層優(yōu)化，是一項為了提高網(wǎng)絡(luò)性能，而對通信系統(tǒng)之間的不同層（例如物理層和網(wǎng)絡(luò)層）進(jìn)行整體協(xié)調(diào)與規(guī)劃。學(xué)術(shù)界對于跨層優(yōu)化的研究熱情也很高漲，在當(dāng)前只停留在學(xué)術(shù)階段，實際網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)使用中運(yùn)用并不多，畢竟不同層級之間的聯(lián)通變動挑戰(zhàn)還是非常大的。為了解決這個問題，MEC幾經(jīng)研究提出了解決方案，MEC可以將獲得的應(yīng)用層數(shù)據(jù)部署在無線側(cè)，這有利于用戶獲得有關(guān)物理層數(shù)據(jù)的信息。各層之間的數(shù)據(jù)傳輸與寫作進(jìn)行不斷優(yōu)化，是解決資源分配與增強(qiáng)數(shù)據(jù)使用效率的高效方法。不同層級的優(yōu)化可以分為視頻優(yōu)化，TCP優(yōu)化和其他領(lǐng)域這幾個方面。視頻優(yōu)化的采用主要是通過無線端的MEC服務(wù)器去接收和處理所接收到的信息，再根據(jù)需求選擇合適的分辨率，據(jù)此找出比特率，這個過程中可以有效的減少信息之間干擾與減少視頻延遲概率，極大地提高了用戶的舒適度。TCP優(yōu)化是為了解決網(wǎng)絡(luò)堵塞時無法進(jìn)行數(shù)據(jù)計算的問題，在實際運(yùn)用中，無線數(shù)據(jù)的變化非常的快，信道的信息狀態(tài)難以預(yù)測，而采用MEC技術(shù)可以在網(wǎng)絡(luò)擁堵時獲得物理層的信息，通過對傳統(tǒng)運(yùn)算的改進(jìn)可以降低控制算法的擁堵率，提高通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c可靠性。2.2.2MEC部署實現(xiàn)基于當(dāng)前的4GEPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為了實現(xiàn)一個MEC服務(wù)器同時為好幾個基站服務(wù)，應(yīng)當(dāng)將MEC服務(wù)器布置在如下位置：即4GeNodeB基站與多個基站聚集的節(jié)點的后面，以及服務(wù)網(wǎng)關(guān)（簡稱SCW）的前面。MEC的形式多變，既可以是一個個體元素，又可以融合至聚集節(jié)點或者基站中成為它們的一部分。LTE網(wǎng)絡(luò)的S1接口是其作用位置。它分析用戶請求以獲取特定服務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包的SPI/DPI消息，并確定是否必須將服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)組EC服務(wù)器以進(jìn)行本地分發(fā)。如果不必要，則將數(shù)據(jù)透明地傳輸?shù)絊GW，然后傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)絡(luò)。具體的部署結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4MEC部署示意圖在部署和實施特定設(shè)備時，應(yīng)注意以下問題：首先，從虛擬化角度出發(fā)，MEC盡可能依賴于那些普遍適用的平臺。為了在提升網(wǎng)絡(luò)的級別時能夠基于軟件的優(yōu)化提升來較為平穩(wěn)的達(dá)成，要盡量減少對于基本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的更改。其次，在開展網(wǎng)絡(luò)安置工作時，要根據(jù)特定的業(yè)務(wù)情況，針對不同的場景進(jìn)行不同的布屬。對于那些時延要求低和數(shù)據(jù)量龐大的業(yè)務(wù)，最好將MEC服務(wù)器部署為本地IT卸載，以確保低延遲要求和用戶體驗，并在一定程度上減輕核心網(wǎng)絡(luò)的壓力。第三，對于新的LTE基站，如果對卸載服務(wù)有特定需求，則基站和MEC服務(wù)器的同時部署可以提供入站和統(tǒng)一的單個窗口管理。對于現(xiàn)有的LTE基站，在安置MEC服務(wù)器時，一般用切斷位于中心網(wǎng)絡(luò)和基站兩者間的S1接口的方法來實現(xiàn)。此外，這樣的結(jié)構(gòu)布置同樣是有某些問題的。例如，EPC中的網(wǎng)關(guān)無法按照分布式方式來布置，這是由于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在實時4G的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的固有特性決定的。所以，MEC必須布置在網(wǎng)關(guān)的前面，緊接著便引發(fā)了MEC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量被計費的情況出現(xiàn)。為了處理這樣的情況，當(dāng)前的方式是MEC自行計算自身產(chǎn)生的流量，然后將其具體數(shù)值報告給主網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)行統(tǒng)一計費。另外，MEC技術(shù)的規(guī)范尚未實現(xiàn)一致，由不同的生產(chǎn)商生產(chǎn)的設(shè)備，在接口上存在差異，不能良好對接，因此運(yùn)營商的選擇面較窄?，F(xiàn)如今，為了解決上述問題，優(yōu)化接口對接，統(tǒng)一的規(guī)范正在制定中?？偟膩碚f，MEC技術(shù)在促進(jìn)5G發(fā)展中起著非常重要的作用。2.3自回程技術(shù)超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前5G技術(shù)中的重點內(nèi)容，它的通信吞吐量非常之大，這是通過龐大的微型蜂窩的布置對頻帶反復(fù)使用來實現(xiàn)的。圖2.5展示了超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)形式?；趥鹘y(tǒng)宏小區(qū)部署密集分布微小區(qū)，以向?qū)儆谄浞秶鷥?nèi)的廣大用戶服務(wù)。此外，它基于鏈接的形式達(dá)成與宏基站之間的通訊，然后借由宏基站來訪問中央網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在那些用戶比較集中的地方被廣泛使用。由于微蜂窩的密集部署以及微蜂窩之間頻率資源的復(fù)用，整個系統(tǒng)的吞吐量都得到了巨大的提升。微蜂窩一般布置在那些成本和功率都比較低的基站，是因為它們的用戶密度和負(fù)載都較其他地方要高，同時也更接近于最終用戶。這樣的方式加大了地區(qū)的吞吐量，而且能夠有效降低宏基站的負(fù)載壓力。然而，在微蜂窩布置不斷延伸的過程中，鏈路問題變得尤為重要?；趥鹘y(tǒng)的解決方式，兩者之間的通訊線路材料是光纖材料，而且這些線路需要集中布置，因此微蜂窩將不可避免地導(dǎo)致光纖密集鋪設(shè)，使得成本支出巨大。圖2.5超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)形式由上述可知，通信網(wǎng)絡(luò)布置時得滿足無線中繼鏈路的要求，以減輕以往對于電纜傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)的依附，由此便可以方便實現(xiàn)該形式的網(wǎng)絡(luò)體系在5G的NR小區(qū)間切實可行的布置。5GNR小區(qū)的帶寬是比LTE的要大的，特別是毫米波段的研發(fā)應(yīng)用上更加明顯。加之MIMO以及多波束系統(tǒng)的大量布置，產(chǎn)生了集成的無線接入方案。此方案也叫作自返回，它允許本就分布較為稠密的5G的NR小區(qū)的布置能夠更進(jìn)一步的集中且布置方式更加靈活多變。在無線和鏈路訪問鏈路集合的網(wǎng)絡(luò)中，時域，頻域和空間域中都會有5G中繼節(jié)點，它可以完美支撐多個無線和回程鏈路。自動回程模型的接入和回程兩條鏈路在頻帶選擇和采用時沒有特別的要求，是否相同均可。頻帶相同時為In-Band（后文簡稱IB）模式，頻帶不同時為Out-Band（后文簡稱OB）模式。其中，OB對于接入和回程鏈路的頻帶或時間間隙有規(guī)定，即頻帶需是互為正交或時間間隙要是一致的?；谶@樣的情況，能夠較好地避免兩條鏈路間的干擾產(chǎn)生。然而，由于大部分的資源都被回程鏈路所占據(jù)，便大大減小的頻帶的使用率。IB中接入和回程鏈路兩者的頻帶是相互分享的，其中微基站是FD基站，并且可以為鏈路接入和連接分配相同的時頻資源塊。這樣，將大大改善頻帶的使用，但是會導(dǎo)致在同一信道中產(chǎn)生干擾。同一通道中的干擾由兩方面組成，一方面來自于FD的發(fā)射與接收天線間的干擾。移除后，將殘留一些殘余干擾。另一部分是接入鏈路與相鄰小區(qū)之間的鏈路之間的同頻干擾。具體的干擾產(chǎn)生情況如圖2.6所示。近年來，對于自動干擾進(jìn)行消除的技術(shù)在迅速提高，以FD為基礎(chǔ)的自動回傳技術(shù)發(fā)展前景十分廣闊。圖2.6FD自回程系統(tǒng)自干擾模型毫米波通信是5G發(fā)展領(lǐng)域的重要內(nèi)容，其發(fā)展有助于抑制頻帶資源缺乏的問題，同時其在自檢鏈接中的使用也是十分有利的。雖然毫米波的帶寬最高為273.5GHz，但是一般取用28GHz附近的頻帶特別適合。在硬件上直接布置天線的方法能夠極大減弱天線與射頻電路兩者間的損耗率。將自動鏈接和毫米波通信兩種關(guān)鍵技術(shù)組合使用，通過結(jié)合毫米波通信技術(shù)和自動鏈接技術(shù)，不僅頻帶資源壓力得以減輕，其部署也顯得更加方便靈活，因此對于電纜傳輸網(wǎng)絡(luò)的依賴性也大大降低。2.4MIMO技術(shù)2.4.1MIMO技術(shù)原理空間多徑、波束成型是MIMO的兩個核心技術(shù)，對于其發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。由圖2.7可知，可以假設(shè)基站和最終的客戶端的天線數(shù)量分別是根和根。則在上行和下行鏈路中，（發(fā)射器）分別指的是用戶和基站，而（接收器）正好與的情況相反。圖2.7點到點MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖若以上系統(tǒng)中發(fā)送信號的帶寬非常小，則我們有理由認(rèn)定傳輸通道是平滑的，此時無論輸入的信號的頻率為何值，信號衰落并不受其影響。所以，該系統(tǒng)矩陣可由下式表示（2.1）式2.1中的定義為發(fā)射（i）和接收（j）兩者在信號傳遞時的衰減系數(shù)，其由下式確定（2.2）在LOS環(huán)境中被認(rèn)為是瑞利分布中的隨機(jī)變量。所以，在t時接收器的信號為（2.3）其中，為t時的接收信號，為t時的發(fā)射信號，兩者都由列向量組成，為形式，即，為形式，即。為t時的信號噪聲，其與、一樣，也是一個列向量，形式為。假設(shè)是由發(fā)射器發(fā)出的信號的總功率，那么平均到每一根天線的功率即為（總功率/信號噪聲）。假設(shè)與發(fā)射對應(yīng)的接收到的可用信號的功率是，噪聲功率是，同理接收天線的。則該系統(tǒng)的信道容量可由式2.4計算：（2.4）式中，子信道的帶寬用表示，r代表的是矩陣H的秩。將2.4式進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化，可轉(zhuǎn)化為由發(fā)射功率來求解的形式：（2.5）式中，指的是H的第i個特征值。根據(jù)2.5式的表達(dá)形式可以清楚的看到，該系統(tǒng)的C值與H的秩為正相關(guān)歡喜，即C值隨著r值的增大而增大。該系統(tǒng)就是通過使天線距離超半波長時不再有相關(guān)關(guān)系來增大了H中的r，實現(xiàn)了在和帶寬不變的情況下，C值與通信效果顯著升。2.4.2大規(guī)模MIMO技術(shù)在5G中的應(yīng)用根據(jù)MIMO系統(tǒng)的理論性能，隨著天線數(shù)量的增加，其頻譜效率和可靠性將得到改善。尤其是當(dāng)發(fā)射和接收天線的數(shù)量非常高（數(shù)百個）時，隨著發(fā)射和接收的天線的數(shù)量的最小值的增加，大規(guī)模MIMO容量顯示出近似線性的增長趨勢。因此，理論上大規(guī)模天線陣列的部署可以大大增加系統(tǒng)容量。然而，在實際布置和施用大規(guī)模天線時由于某些技術(shù)原因無法實現(xiàn)，因此MIMO系統(tǒng)中天線的真實數(shù)量并不會是一個很大的值。例如，該值在LTE和LTE-A中分別僅為4和8。盡管存在很多局限性，但大規(guī)模MIMO技術(shù)仍具有巨大的研究價值，可以顯著提高系統(tǒng)的容量和可靠性。大規(guī)模的MIMO的發(fā)射器和接收器都安裝了大型的天線，這樣的技術(shù)形式使得能夠在一個視頻上同時對眾多用戶提供服務(wù)。具體地，這些天線可以同時在基站也就是說在中央同時配置。它也可以分布到多個基站節(jié)點以形成分布式配置。其中，海量分布式MIMO對于研究更為寶貴。通常，大規(guī)模MIMO技術(shù)的突出特點可總結(jié)如下：首先，從空間分辨率角度來看，該技術(shù)較傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的優(yōu)勢凸顯，而且其對空間資源的利用效率更高。其次，該系統(tǒng)發(fā)射出的波束更多更密集，這樣可以顯著減小波束的干擾，進(jìn)而使得接收裝置在對信號恢復(fù)時的難度得以降低。第三，從功耗角度來看，該系統(tǒng)僅需很低的功率其發(fā)射器即可工作，因此系統(tǒng)總的效率迅速提升，最高大約提升了三個量級。最后，該系統(tǒng)中天線數(shù)量龐大，因此信號噪聲和干擾便不能對系統(tǒng)整體形成太大的影響，此外，接收裝置的處理性能變得越發(fā)強(qiáng)大。盡管該該技術(shù)在具體的部署時面臨了許多挑戰(zhàn)和約束，但在進(jìn)一步的研究之后，這些約束將不可避免地被沖破。該技術(shù)在5G中的應(yīng)用將會越來月普遍，必然會伴隨著5G的普及程度而突飛猛進(jìn)的發(fā)展，成為5G的核心。2.5單信道全雙工技術(shù)2.5.1FD系統(tǒng)性能指標(biāo)如何使用頻帶中的有限資源來實現(xiàn)頻帶的更高使用一直是移動通信發(fā)展既不的中心問題。響應(yīng)于該問題，某些技術(shù)解決方案繼續(xù)出現(xiàn)并被應(yīng)用，例如OFDM技術(shù)，QAM調(diào)制技術(shù)和MIMO技術(shù)。在眾多技術(shù)解決方案中，F(xiàn)D技術(shù)在大學(xué)環(huán)境中受到了極大的關(guān)注。FD技術(shù)的中心思想可以表示為：大多數(shù)現(xiàn)代通信系統(tǒng)都包含既是信號發(fā)送器又是接收器的終端設(shè)備（例如基站，中繼站和移動終端等）。以往的系統(tǒng)當(dāng)中，這些終端以帶外高清或全雙工模式運(yùn)行，這表明信號的傳達(dá)和接收的頻帶和時間間隙是不同的。而如果這兩者是相同的話，則頻帶的整體使用可以增加通信系統(tǒng)的兩倍頻率。該技術(shù)稱為FD技術(shù)。FD技術(shù)具有顯著提高帶寬利用率的潛力，因此其是目前通信領(lǐng)域最有發(fā)展?jié)撃艿募夹g(shù)之一。FD和HD的頻帶利用率、擁塞、中斷概率、誤碼率等9個技術(shù)指標(biāo)列入了表2.2中?，F(xiàn)有研究指出，F(xiàn)D受到包括干擾信號在內(nèi)的很多因素的影響。在理論層面來說，信道容量上FD幾乎是HD的兩倍，但在實際應(yīng)用層面，受到干擾作用FD的容量并不會達(dá)到那么大的值。甚至在自身消除干擾的效果不佳時，F(xiàn)D的性能反而低于HD，而且FD中的硬件更為復(fù)雜，還需對其進(jìn)行全方位的檢查。雖然FD受到的影響較大，但其自身具有一定的處理該信號干擾的能力。因此，只要受到的干擾信號控制在其能夠處理的范圍之內(nèi)，那么FD的系統(tǒng)容量就可以顯著高于HD。在FD中繼系統(tǒng)中，當(dāng)使用放大中繼（AF）中繼時，在任何SNR環(huán)境中FD的模式系統(tǒng)容量均比HD模式的大，但需要滿足信號強(qiáng)度低于背景噪音這個條件。源頭與中繼兩節(jié)點間的信號與噪聲的比例較低時，中繼節(jié)點的信號和干擾的比值將會被干擾信號的強(qiáng)度重點影響。表2.2FD與HD技術(shù)指標(biāo)對比技術(shù)指標(biāo)頻帶利用率擁塞情況中斷概率誤碼率碰撞避免終端問題延遲率主接收機(jī)鏈路可靠HD模式較低較高信噪比高時較低信噪比高時較低載波檢測未得到良好解決較高不可靠可靠FD模式約為HD模式的2倍較低中低信噪比時較低中低信噪比時較低無載波檢測無較低可靠不太可靠2.5.2自干擾消除技術(shù)如何把干擾給消掉是FD模式要重點關(guān)注的問題。自干擾信號在雙向的端到端、中繼和蜂窩系統(tǒng)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中都會對FD模式的性能產(chǎn)生不利影響。若FD系統(tǒng)中的自干擾強(qiáng)度被限制住，然后其殘留功率比背景噪聲的功率低3分貝左右，則其殘留信號便不會對系統(tǒng)的功能產(chǎn)生不利影響?；诋?dāng)前的研究，可以將干擾消除技術(shù)分成主動的和被動的兩類。接下來，依次對這兩類干擾消除的原理進(jìn)行講述。主動型，即有源干擾消除技術(shù)的原理：有源干擾的消除技術(shù)包括模擬域和數(shù)字域兩個方面的應(yīng)用。在模擬域中應(yīng)用時的主要作用是將基帶等存在的自干擾信號清除。而在數(shù)字域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在通過ADC的信號的消除上，借助的技術(shù)方法是DSP數(shù)字信號處理技術(shù)，這一應(yīng)用對于自干擾信道的標(biāo)準(zhǔn)要求很高。在模擬領(lǐng)域?qū)⒅c射頻干擾消除組合使用的方法，可以助力衰落信號的性能增加，在ADC還未到達(dá)的時候，便可以消除掉自動干擾信號，從而基帶中的噪聲非常小。圖2.8FD模式在中繼、雙向通信、蜂窩通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用模擬自動干擾消除根據(jù)FD系統(tǒng)在實際應(yīng)用時布置的天線的多少，可以分成單向輸入單向輸出（簡稱為SISO）和前文所述的MIMO兩大類。在SISO和MIMO當(dāng)中使用某些時域的經(jīng)典有效的算法，對于模擬域的自動干擾消除也能有所作用。除了時域和模擬域外，數(shù)字域當(dāng)然也有其自干擾清除的算法，它們是基于最小軍方誤差（簡稱MMSE）及其濾波器、以及零強(qiáng)迫和空間投影等來消除干擾的。另外，前人的研究還指出，干擾消除方案在模擬域和數(shù)字域中的實際效果具有“折中”的效果，也就是說，當(dāng)兩者結(jié)合使用時，可以提高性能。一方取消干擾的行為將導(dǎo)致另一方的表現(xiàn)降低。被動式自動干擾消除技術(shù)的原理：被動式自動干擾消除系統(tǒng)在于干擾信號準(zhǔn)備輸入接收環(huán)路的前一步將其削弱。經(jīng)過被動式消除后，進(jìn)入ADC的信號的強(qiáng)度大大降低，進(jìn)一步使得與接收信號相關(guān)的振蕩幅度減弱。采用發(fā)射與接收器兩者間的路徑損耗來消除干擾信號是被動式消除的方法中最簡單直接的一種。路徑損耗的具體量取決于電線所處的位置以及發(fā)射處與接收處的兩天線的距離長短。大量研究指出，全向和定向兩類天線可以削弱的自干擾信號的強(qiáng)度分別約為65dB和72dB。被動式自動干擾消除又可稱為無源自動干擾消除，其比較經(jīng)典的方法是（1）循環(huán)隔離法，（2）天線去耦法和（3）極化去耦法。方法（1）對FD模式下的單獨的天線發(fā)出和接受的信號起到隔離的效果。方法（2）和（3）主要通過減弱FD模式下各天線間的耦合作用實現(xiàn)對自干擾的無源抑制。35G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢3.1統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了事物之間，人與人之間以及人與人之間的互連和直接通信。未來，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢是建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這也是重要的發(fā)展趨勢。通過構(gòu)建全球統(tǒng)一的技術(shù)，可以降低終端設(shè)備的成本，并在世界范圍內(nèi)實現(xiàn)國際漫游。在未來的發(fā)展過程中，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將進(jìn)一步增強(qiáng)通信效果并樹立專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來加速技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，并進(jìn)一步降低終端建設(shè)和全球漫游的成本。今天，中國已經(jīng)制定了國際5G標(biāo)準(zhǔn)，并積極開展了5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)評估。此外，電子和電氣工程師應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以為實際應(yīng)用提供一些幫助。因此，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群托Ч?，并獲得更多的數(shù)據(jù)流量。3.2構(gòu)建體系架構(gòu)在未來的應(yīng)用過程中，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將具有更新的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)真正的工作效率。在短時間內(nèi)，用戶可以獲得很多信息。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在重新定義豐富的業(yè)務(wù)場景和新的業(yè)務(wù)指標(biāo)。5G系統(tǒng)除了提高峰值速率和替代技術(shù)外，還必須構(gòu)建全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以顯著提高移動通信系統(tǒng)的速度。在這一點上，4G網(wǎng)絡(luò)在單一控制和集中切換方面仍然面臨局限性。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有高速，多連接的特點，容易造成網(wǎng)絡(luò)過載和擁塞的風(fēng)險。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以通過應(yīng)用功能平面系統(tǒng)有效地進(jìn)行重組，使其與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能分離，并將其劃分為三個不同的功能平面，包括數(shù)據(jù)平面和控制計劃。和檢修飛機(jī)。在飛機(jī)上，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)計劃之間的去耦將更加充分，聚合程度將更高。其中，控制平面負(fù)責(zé)服務(wù)的編排邏輯，網(wǎng)絡(luò)管理指令和生成信令的控制。數(shù)據(jù)計劃和訪問計劃的主要功能是執(zhí)行服務(wù)流的傳輸和執(zhí)行控制命令。3.3智能交互無論是人工智能交互還是無人駕駛汽車之間的數(shù)據(jù)交換，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都必須在其高效率和巨大吞吐量的基礎(chǔ)上進(jìn)行有效應(yīng)用。數(shù)據(jù)。在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境中，由于僅1毫秒的延遲時間，要求超高速網(wǎng)絡(luò)速度和精確時間的遠(yuǎn)程醫(yī)療和無人駕駛汽車等技術(shù)將進(jìn)一步普及。強(qiáng)大的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必須支持智慧城市，虛擬現(xiàn)實游戲和實時VR廣播等應(yīng)用，以改變?nèi)藗兊奈磥砩?。除了計算機(jī)和手機(jī)之外，通過5G網(wǎng)