5g通信系統(tǒng)的分析與研究

5g通信系統(tǒng)的分析與研究

1g網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是作為用戶中心的智能彈性網(wǎng)絡(luò)第五個(gè)通信系統(tǒng)（5g）是一個(gè)用于2020年信息社會(huì)服務(wù)的無(wú)線通信系統(tǒng)。日本ntt公司于2001年提出了這個(gè)概念，中國(guó)的5g概念于2012年8月在中國(guó)國(guó)際通信理事會(huì)上提出。目前,雖然5G通信技術(shù)還沒(méi)有統(tǒng)一的制式標(biāo)準(zhǔn),但其相關(guān)概念及趨勢(shì)已經(jīng)得到業(yè)界的認(rèn)可。移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)生態(tài)的變化,使未來(lái)移動(dòng)通信不再僅僅追求更高速率、更大帶寬、更強(qiáng)能力的空中接口技術(shù),而是以用戶為中心的智能彈性網(wǎng)絡(luò)。未來(lái),人們之間的通信速率可以在任何時(shí)間,任何地點(diǎn)達(dá)到1Gbit/s,峰值速率甚至能到達(dá)50Gbit/s(下行)。此外,用戶還能獲得更高的移動(dòng)數(shù)據(jù)容量(1000倍)、更長(zhǎng)的電池使用壽命、更低的功耗的設(shè)備(10倍以上)、更多的終端連接設(shè)備(100倍)、更低的時(shí)延(小于1ms)以及在500km/h高速行駛的火車上體驗(yàn)類似于靜止的通信體驗(yàn)。5G網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)完整的無(wú)線通信系統(tǒng),沒(méi)有任何限制,因此,也有人將5G網(wǎng)絡(luò)稱為真正的無(wú)線世界或者世界級(jí)無(wú)線網(wǎng)(WWWW:WorldWideWirelessWeb)。與目前的4G網(wǎng)絡(luò)相比,5G網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上有著更高的標(biāo)準(zhǔn)(如表1所示)。25g+“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境信息采集5G網(wǎng)絡(luò)不僅傳輸速率更高,而且在傳輸中呈現(xiàn)出低時(shí)延、高可靠、低功耗的特點(diǎn),低功耗能更好地支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,如智慧醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)等。5G網(wǎng)絡(luò)使人與人之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接,還可以進(jìn)一步加強(qiáng)人與物、物與物之間的高速連接。未來(lái)的應(yīng)用將在多平臺(tái)環(huán)境下開(kāi)發(fā),基于5G網(wǎng)絡(luò)超高的數(shù)據(jù)傳輸及無(wú)感知的時(shí)延,會(huì)給人們帶來(lái)全新的體驗(yàn)。虛擬導(dǎo)航:用戶可以實(shí)時(shí)訪問(wèn)城市街道和建筑物實(shí)景等大型地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。移動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療:用戶可以在高速行駛的列車上通過(guò)視頻系統(tǒng)獲得醫(yī)生的協(xié)助。環(huán)境監(jiān)測(cè)和智慧農(nóng)業(yè):通過(guò)5G時(shí)代“萬(wàn)物互聯(lián)”的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及邊緣地區(qū)的無(wú)縫覆蓋,人們能對(duì)聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)植物、山川、水域等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,以獲取最新的環(huán)境數(shù)據(jù),并時(shí)刻掌握環(huán)境變化動(dòng)態(tài)。農(nóng)民可從衛(wèi)星圖片上查看全球農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì),還可以觀察田間病蟲(chóng)害及旱澇情況,并對(duì)產(chǎn)量作出預(yù)測(cè)。應(yīng)急通信:自然災(zāi)害將導(dǎo)致通信系統(tǒng)的癱瘓。而5G網(wǎng)絡(luò)能使癱瘓的通信系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù)工作。針對(duì)5G的愿景與需求,同時(shí)借鑒目前通信行業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn),表2列出了未來(lái)可能應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。35基于網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)充性能在目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,UE更改分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(P-GW)及IP地址時(shí),只能通過(guò)重新附著的方式,無(wú)法支持頻繁的網(wǎng)間切換。同時(shí),固定錨定點(diǎn)的使用,也造成了核心網(wǎng)路由的低效率。如果所有運(yùn)營(yíng)商都能通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)連接到一個(gè)擁有巨大容量的超級(jí)核心網(wǎng)絡(luò),則能大大減少連接成本,降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性,同時(shí)可以減少端到端連接的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。未來(lái),5G網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)基于全I(xiàn)P和納米核心網(wǎng)技術(shù)的扁平化移動(dòng)通信系統(tǒng),新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能給UE帶來(lái)GW之間的無(wú)縫切換,而不受GW獨(dú)立性限制。此外,在5G通信系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還包含一種用戶終端和各種獨(dú)立的、自動(dòng)無(wú)線接入技術(shù)(RAT)。3.1扁平化ip架構(gòu)在5G時(shí)代,基站將更加小型化,具備更強(qiáng)大的功能,可以安裝在各種場(chǎng)景,并與周圍環(huán)境更好地融合;對(duì)用戶而言,無(wú)論何時(shí)何地,都可隨意接入網(wǎng)絡(luò),并保持永遠(yuǎn)在線。但在現(xiàn)階段,由于EPC網(wǎng)絡(luò)使用固定網(wǎng)元P-GW作為分層結(jié)構(gòu),不能靈活拓展,無(wú)法適應(yīng)未來(lái)超高速的流量增長(zhǎng)。因此,在未來(lái)的通信系統(tǒng)中,將引入扁平化IP架構(gòu)。扁平化IP架構(gòu)提供了一個(gè)能夠通過(guò)名稱而不是IP地址來(lái)識(shí)別終端的方法,并根據(jù)M-ICT時(shí)代的業(yè)務(wù)特性進(jìn)行扁平化改造。如圖1所示,扁平化IP架構(gòu)通過(guò)分布云的移動(dòng)核心信息傳遞功能、分布式軟件架構(gòu)和邏輯GW及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù),將垂直的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)為分布式的水平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。扁平化IP架構(gòu)的轉(zhuǎn)變,將使運(yùn)營(yíng)商在性能和價(jià)格方面,獲得一個(gè)更具競(jìng)爭(zhēng)力的平臺(tái)。例如,扁平化的IP架構(gòu)可以減少數(shù)據(jù)通道中的網(wǎng)元數(shù)量,降低運(yùn)營(yíng)商的CAPEX和OPEX;減少數(shù)據(jù)信息在傳輸過(guò)程中的損耗;最大限度地縮短整個(gè)通信系統(tǒng)的時(shí)延,使系統(tǒng)夠完整識(shí)別無(wú)線鏈路的任何時(shí)延;可以獨(dú)立維護(hù)和改善無(wú)線網(wǎng)及核心網(wǎng),在規(guī)劃和部署網(wǎng)絡(luò)時(shí),具有更好的拓展性和靈活性。3.2納米核心網(wǎng)技術(shù)如圖2所示,納米核心網(wǎng)是納米技術(shù)、云計(jì)算、全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的融合。(1)nm范圍納米技術(shù)指的是將納米科學(xué)運(yùn)用在操作控制上,將精度控制在0.1~100nm的范圍之內(nèi)。納米技術(shù)將成為通信行業(yè)迅速轉(zhuǎn)向下一代的里程碑技術(shù)。在5G通信中,移動(dòng)終端將被植入納米技術(shù)的芯片,稱之為“納米終端”,將具有前所未有的前所未有的感應(yīng)、計(jì)算和通信等能力。(2)g專網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)目前,網(wǎng)絡(luò)中存在諸多問(wèn)題,例如:現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)導(dǎo)致新業(yè)務(wù)的需求日益增多,但是卻不易部署(包括IMS平臺(tái)及第三方業(yè)務(wù));寬帶業(yè)務(wù)和移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)日趨成熟,但無(wú)論是固網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商還是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商,卻都面臨著“比特管道”、高CAPEX和OPEX的壓力;同時(shí),大量多媒體內(nèi)容呈爆炸式增長(zhǎng),但其帶來(lái)的移動(dòng)核心網(wǎng)瓶頸和傳輸時(shí)延,卻造成大量無(wú)效的內(nèi)容分發(fā)等。而5G網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)基于云計(jì)算的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。由于在引入無(wú)線新技術(shù)的同時(shí)必須滿足對(duì)現(xiàn)存制式的接入控制,因此,需要建立一種新的控制機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)各種制式之間、頻段之間以及小區(qū)之間的無(wú)線資源,以顯著提升用戶在各種場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)接入能力。通過(guò)將無(wú)線資源的管理和調(diào)度功能云化,按需進(jìn)行資源劃分和管理,同時(shí),通過(guò)云端將無(wú)線接入和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)虛擬化,利用智能的內(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)SDN(如DASH、LBS),將大大降低網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和管理成本,最終實(shí)現(xiàn)5G及現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)。(3)pp構(gòu)建思想的形成如前文所述,在5G網(wǎng)絡(luò)中,扁平化的IP結(jié)構(gòu)將扮演著至關(guān)重要的角色。全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建思想最早由3GPP在R4版本中提出,并在后續(xù)版本中得到更為直觀地闡述。全I(xiàn)P網(wǎng)極大地滿足了無(wú)線通信業(yè)務(wù)發(fā)展的需求,使用戶可以隨時(shí)隨地地通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲數(shù)據(jù)應(yīng)用,為運(yùn)營(yíng)商提供一個(gè)持續(xù)的革新方案和優(yōu)化方案,使其在產(chǎn)品的性能和價(jià)格上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。3.3控制層bs-gw圖2為5G核心網(wǎng)的典型架構(gòu),該架構(gòu)還具有以下幾個(gè)特點(diǎn):采用聚合的接入方式,集成多種接入技術(shù)(Wi-Fi、藍(lán)牙、WCDMA、LTE、5G)以提供統(tǒng)一的通信解決方案;縮短動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間以確保高質(zhì)量的用戶體驗(yàn);通過(guò)虛擬的應(yīng)用模式,將控制層從數(shù)據(jù)層分離;采用簡(jiǎn)單的層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)完全分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),以獲得高效的無(wú)線資源管理及GW-GW之間的無(wú)縫切換;使用各種無(wú)線接入技術(shù)給用戶提供各種業(yè)務(wù);BS和GW共用內(nèi)容/業(yè)務(wù)緩存,大大減少時(shí)延。目前,多種無(wú)線接入技術(shù)擁有相互獨(dú)立的ID和獨(dú)立的鑒權(quán)方式,加上GW邊緣的各種認(rèn)證和私密會(huì)話業(yè)務(wù),因此,在每一種無(wú)線接入中,都有獨(dú)立的無(wú)線資源管理,之間難以進(jìn)行互通。而在5G網(wǎng)絡(luò)中,將優(yōu)化功能塊設(shè)計(jì),融合各種接入技術(shù),實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接入控制、鑒權(quán)、安全密鑰分發(fā)等。此外,5G網(wǎng)絡(luò)中還將采用GW級(jí)別的多路徑管理機(jī)制,使用獨(dú)立的數(shù)據(jù)路徑和會(huì)話管理、半靜態(tài)多無(wú)線資源/會(huì)話管理、多技術(shù)載波聚合等方式,實(shí)現(xiàn)多無(wú)線接入技術(shù)之間的無(wú)損切換和