​5G无线接入技术的顶层设计有哪些？

5G无线接入技术的顶层设计有哪些？

文章来源：上海情报服务平台 李远东

文章关键词导读：5G、通讯基站、频谱、毫米波、物联网、传感器、芯片、PCBA线路板

1、总体

为了最终实现未来的第五代移动通信系统，需要研发先进的无线接入网络技术。在以下的章节之中，将会对5G移动通信网络的架构考量以及无线频谱情况等研发新兴5G无线接入技术的前提进行总结。此外，该白皮书的“附录A”部分还将对相关的潜在候选技术进行详细的描述。

2、5G移动通信网络的架构

考虑到要达到以下的目标，需要研发新型的移动通信网络架构：

1）巨大的网络容量以及近乎“海”量的终端设备接入能力；

2）可能智能地控制的虚拟化网络，以提供灵活性以及资源管理功能；

3）融合的“云”网络计算以及对于移动通信回传的聚合；

4）与包括数据卸载/分流网络在内的多种无线接入网络互联互通。

以下章节将对达到上述目标所需采取的技术措施的可能解决方案进行探讨。

2.1 总体网络理念以及架构

在未来的5G移动通信时代，相比于此前的各代移动通信系统，下一代的移动通信网络架构应该演进至支持对于更强可管理性以及可扩展性、巨大的网络能力的提供。为了达到这一目标，可引入集中化的、基于软件的移动通信网络控制架构，用以支持各种类型的移动通信服务。同时，只要能针对相关的移动通信服务提供所需的质量要求，诸如3G、4G等传统的移动通信网络架构仍将会得到沿用。

为了演进IMT移动通信系统以及研发创新型的空口技术，未来的5G移动通信将对自适应的网络解决方案有所需求。可编程的操作、功能的虚拟化以及网络服务技术将会重塑未来的整个移动通信系统，由此，5G移动通信将会促进大规模移动通信服务及应用的创建。

图1  下一代移动通信网络的理念

编译自日本电波产业协会于2014年10月8日发布的5G白皮书Mobile Communications Systems for 2020 and beyond上图描述了基于SDN（Software-Defined Networking，软件定义网络）三层架构的下一代移动通信系统的模式。

其中，最上层包含了应用以及服务。包括系统管理支持等各种类型的服务均可被传输至单个公众用户、企业客户以及移动通信基础网络运营商。移动通信应用与网络相关的操作可以通过网络控制层的编程而进行。

最中间的一层是网络控制平台，其为上层的各类移动通信应用服务，执行面向应用系统的网络控制功能。此外，该控制器层也为底层的移动通信基础网络提供相关的服务。由于网络控制编程在软件定义的基础之上是可以配置的，从而具有自动化、动态化、灵活化、智能化以及可扩展化的网络操作优势。其中，通过层间接口来传输数据传送网络协议控制信息。

最下面的一层架构所代表的是移动通信基础网络，主要是为移动通信核心网络以及无线接入网络提供端到端的数据传输支持。在移动通信核心网络，一些数据处理功能、组建以及操作参数可以通过一个共用的软件平台进行配置，这就是所谓的NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）。NFV机制可提供智能化的解决方案：对于SDN架构灵活及最优的网络控制的实现，NFV操作系统可进行相应的智能化管理。

日本电波产业协会的这份5G白皮书紧接着总结到：未来以软件为导向的组网方式，加上基于“云”的各类服务，将为用户带来最好的QoS（服务质量）以及QoE（体验质量），同时，还可降低移动通信基础网络运营商的网络建设成本以及网络维护成本，并可起到节能降耗之效。

2.2 5G移动通信无线接入网概述

无线接入网以及对于移动通信回程的汇聚支持数据传送、无线传输及接收的能力。为了应对来自“海”量的数据容量及终端设备接入的挑战，同时提供更好的用户体验质量，在未来的5G移动通信时代，上述能力需要得到极大程度的提高。该白皮书的“附录A”部分会详细地介绍面向2020年及未来，可以提高下一代移动通信系统系能的多项创新型技术。其中的一些技术已在图2之中列出。不过需要指出的是，这些技术并非是穷尽的，而是被选择用以描述面向5G的潜在候选无线接入技术。

图2  用于未来5G移动通信系统的无线接入技术

编译自日本电波产业协会于2014年10月8日发布的5G白皮书Mobile Communications Systems for 2020 and beyond

在第五代移动通信系统容量，将同时存在多种无线接入技术、物理频段以及相互异构的网络层次。5G网络对于它们的综合协调，既可以通过C-RAN（Cloud RAN，“云”无线接入网）架构来实现，也可以通过D-RAN（Distributed RAN，分布式无线接入网）架构来实现。另一方面，未来的移动通信无线接入网络也将变得更为简化、扁平以及灵活，甚至有可能被虚拟化地实现。传统上，根据覆盖半径的大小，小区的分类包括宏小区、微小区、皮小区、家庭小区等。同时，新的无线覆盖机制也可能将考虑窄波束机制。包括更高物理频段（比如毫米波频段）在内的更宽范围的无线频谱，将取决于无线电环境以及具体的移动通信网络部署场景。另一方面，未来的5G移动通信无线接入网络还可以与早期所部属的3G或/及4G移动通信系统以及其他诸如无线局域网RLAN、无线宽带接入系统BWA等陆地无线电系统互联互通。此外，例如，未来的5G还可考虑利用卫星移动通信系统实现对诸多孤立区域的覆盖。一些新兴的移动通信无线接入技术需要引入诸如新的信道编码与调制技术、新的 干扰消除技术、先进的多天线系统、灵活的频谱管理技术等。而在用户的移动通信终端侧，还将可在用户终端设备之间临时地组织新的网络拓扑结构——例如，基于D2D终端之间直接通信的增强组网等。

3、用于5G移动通信的无线频谱

一方面，无线移动宽带通信网络中的数据流量几乎正在呈现出指数级的增长态势。另一方面，移动通信网络正面临无线频谱被用尽的问题。此外，移动通信行业正在尽其所能，持续地为极大程度地提高移动通信系统容量而努力：其中的一大工作方向是，通过研发并部署CA（载波聚合）技术，将已有的频段/无线信道聚合起来，成为新的、更宽的连续可用频谱。图3举出了一个相应的用户终端配置的示例。左手侧的配置所代表的是具有载波聚合功能的用户终端设备（通过部署双工器，聚合多个载波，实现更宽的无线频谱）。目前，此种配置将会导致下行方向及上行方向过度的信号强度衰减，增大了能耗，并对用户终端设备的物理尺寸产生影响。如果如图3中右手侧的更宽物理带宽的无线频谱聚合得以实现，则将可提供更为简单的用户终端架构以及性能方面与终端设备物理尺寸方面更具吸引力的属性。

图3  用户终端设备的配置示例：具有载波聚合功能的用户终端设备以及可在单个更宽带宽物理频段上通信的用户终端设备。编译自日本电波产业协会于2014年10月8日发布的5G白皮书Mobile Communications Systems for 2020 and beyond

考虑到上述的背景，获得更高网络容量的途径之一就是利用高频段的优势，把曾经在过去所考虑到的将更高频率的物理频段应用于未来的移动通信系统。毫米波段以及厘米波段（该白皮书中将其统称之“mmWave”）已经引起整个移动通信行业越来越大的兴趣，主要是因为mmWave具有以下三大优势：（1）可应用于更小覆盖范围内的致密网络系统中，小区间干扰小；（2）由于频点更高，可用的物理带宽就更大；（3）在高频段部署大规模MIMO技术以及波束成形技术后，可获得更高的频谱效率。但是另一方面，即使将mmWave频段作为潜在的候选频段，移动通信行业从一开始就青睐有加的UHF频段应该仍被作为未来5G移动通信系统的关键频段。

在移动通信系统架构的设计方面，无线传播特性有着重大的考量影响。与UHF频段相比，除了自由空间的路径损耗，在mmWave频段，诸如氧分子、水蒸气以及其他气态的大气成分的无线电波吸收损耗也是非常的显著。业界对于厘米波段的无线传播特性的研究已经持续了非常长的时间。关于这些大气吸收损耗的详细计算结果被首次发表于1940年，而且CCIR还发布了一个有关该话题的相关报告。其后，ITU-R还发布了一个推荐报告，即该白皮书的参考文献[3]。正如参考文献[4]的研究成果所示，雨衰的大小取决于无线频率的大小以及每小时的降水量多少。根据参考文献[5]的研究成果，树林/植物对于厘米波段的衰减也很大。对于NLOS（Non-Line-Of-Sight，非视距的）无线传播，无线电波一般通过反射、衍射或者折射向前传播。如同光波，由于波长短这一天然属性，mmWave频段对于障碍物和反射较为敏感，常通过衍射进行传播。短波长的电波在反射物的表面常会导致扩散。然而，根据参考文献[4]的研究成果，直接反射通常是NLOS的最大“贡献者”。

基于mmWave频段的移动通信系统的设计应该综合地考虑到上述各个无线传播特性。考虑到移动通信基站以及用户终端设备的能量效率问题，最基本的方式将是避免使用mmWave频段中的某些衰减值大的特定频段。