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1、5g移动通信网络关键技术综述vol27no4第27卷第4期重庆邮电大学学报（自然科学版）2015年8月journalofchongqinguniversityofpostsandtelecommunications（naturalscienceedition）aug2015doi：103979/jissn1673-825x201504003赵国锋，陈婧，韩远兵，徐川（重庆邮电大学未来网络研究中心重庆400065）摘要：为适应未来海量移动数据的爆炸式增长，加快新业务新应用的开发，第五代移动通信(fifthgenerationmo-bilecommunicationnetwork，5g
4、nordertosolvetheexplosivegrowthofmobiledatatraffic，massiveterminals，newemergingbusinessesandva-rietiesofnovelservicesscenarios，thefifthgenerationmobilecommunicationnetwork（5g）isproposedandbecomingahottopicinacademicalandindustrialfieldnow，manycountriesorcommunitieshavecompletedthefirststepof5gdevelo
5、p-mentwhichclarifiedtheusersrequirementsandfuturevisionof5gtherefore，whenfacingthe5grequirementsinto2020，combinetheexistingandpotentialnewtechnologiestoimplementthe5gnetworkisnowputontableinthispaper，wefirstintroducetheconceptof5g，andsomeusecasesanduser-drivenrequirementsthen，wemainlyfocusontenpro-s
6、pectivekeytechniquesofwirelessnetworking，andtheyinvolveultra-densenetworking（udn），self-organizingnetworking（son），software-definedwirelessnetworking（sdwn），contentdistributionnetwork（cdn），information-centricnetwor-to-device（d2d）communication，machine-to-machine（m2m）communication，mobilecloudcompu-king（
7、icn），device-ting，software-definednetworking/networkfunctionvirtualization，andcontext-awarenetworking（cnd）wepresentthefundamentalconceptorthoughtforeachtechnique，andshowtheresearchtopicswhenitistobeappliedto5gfinally，webrieflydiscussthefutureproblemstowards5gkeywords：5g；wirelessnetwork；keytechnique
8、s；development06-28修订日期：2015-07-08通讯作者：赵国锋zhaogfcqupteducn收稿日期：2015-(by2013095-2-03，基金项目：国家自然科学基金青年基金(61402065);江苏省未来网络创新研究院未来网络前瞻性研究by2013095-5-07)foundationitems:thenationalnaturalsciencefoundationofchina(61402065);thefuturenetworkprospectiveesearchpro-jectoffuturenetworkinnovationinstituteinji
9、angsuprovince(by2013095-2-03，by2013095-5-07)442重庆邮电大学学报（自然科学版）第27卷0引言注重提供更好的用户体验。面向2020年及信服务，超高清视频、增强现实、云存储、在线游戏等业以后，务均要求5g网络提供比现有网络更高的无线接入“无感知”宽带和的时延。未来5g网络必须具备在自然灾害、战争、病疫等发生之前能够实时提供准确如：高铁、飞的应急通信服务。在高速的移动实体，5g网络必须要具有非常好的移动机等交通工具中，性支持，为用户提供实时网络接入，邮件收发、娱乐。“游牧式”等服务的移动终端设备对移动性能要求不高，但在网络可靠性以及弹性方
11、确立欧盟在5g领域的主导地位；英国政府联合多家企业在surrey大学成立5g研发中心，致力于5g的研究2-5。在亚洲，韩国于2013年开启了“gigakorea”5g项目，2020推进组也于中国imt-同年成立，团结亚洲地区的5g研究力量，共同推进5g技术标准的发展6。可见，5g已成为国内外移动通信领域的研究热点。25g网络关键技术15g概述5g作为新一代无线移动通信网络，主要用于满5g网络关键技术仍处于研究阶段，目前，究竟何种关键技术在未来能够适应5g的需求，仍是一个未知数。本文结合5g发展的基本需求、发展趋势，从无线网络方面重点综述10项富有发展前景的5g无线网络关键技术。21
12、超密集异构网络未来5g网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及，面向2020年及以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。在未来5g网络中，减小小区半径，增加低功率节点数量，是保证未来5g网络支持1000倍流量增10-12。因此，长的核心技术之一超密集异构网络成为未来5g网络提高数据流量的关键技术。未来无线网络将部署超过现有站点10倍以上在宏站覆盖区内，站点间距离将保的各种无线节点，2持10m以内，并且支持在每1km范围内为25000个用户提供服务13-15足2020年以后的移动通信需求。在高速发展的移动互联网和不断增长的物联网业务需求共同推动
13、下，要求5g具备低成本、低能耗、安全可靠的特点，同时传输速率提升10到100倍，峰值传输速率达到10gbit/s，端到端时延达到ms级，连接设备密度增加10到100倍，流量密度提升1000倍，频谱效率提升5到10倍，能够在500km/h的速度下保证用户体验7-9。5g将使信息通信突破时空限制，给用户带来极佳的交互体验；极大缩短人与物之间的距离，并快8速地实现人与万物的互通互联。115g的应用场景3g与4g主要聚焦于“移动宽带”这一应用场致力于给用户提供更高的系统容量以及更快的景，无线接入速率。预计到2020年，各种物联网应用将得到广泛普及，智能电网、智慧城市、移动医疗、车载运
14、动健身，未来5g网络支持虚拟现实、超清娱乐、视频以及移动游戏等应用服务，这类移动交互式应9用对无线接入带宽和通信延迟有很高的需求。在公共安全方面，如：紧急语音通话、无人机远程监5g通信系统需测、入侵监测、急救人员跟踪等场景，“零延迟”、要具有高可靠性的特点。12用户终端对5g的需求未来5g网络主要面向以终端用户为中心的通。同时也可能出现活跃用户即用户与服务数和站点数的比例达到11的现象，16-17。密集部署的网络拉近了终端节点一一对应使得网络的功率和频谱效率大幅与节点间的距离，度提高，同时也扩大了网络覆盖范围，扩展了系统容并且增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次量，间
15、的灵活性。虽然超密集异构网络架构在5g中有很大的发展前景，但是节点间距离的减少，越发密集的网络部署将使得网络拓扑更加复杂，从而容易出现与现有移动通信系统不兼容的问题。在5g移动通信网络中，干扰是一个必须解决的问题。网络中的干扰主要有：同频干扰，共享频谱资源干扰，不同18-20。现有通信系统的干扰覆盖层次间的干扰等协调算法只能解决单个干扰源问题，而在5g网络中，相邻节点的传输损耗一般差别不大，这将导致多进一步恶化网络性能，使得现有个干扰源强度相近，协调算法难以应对。此外，由于业务和用户对qos5g网络需要采用一些列措施来需求的差异性很大，保障系统性能，主要有：不同业务在网络中的实现
16、21-2223，各种节点间的协调方案，网络的选择，以24优点，但也存在着运行速度慢、算法复杂度高等方面主要通过son分布在的不足；而分布式恰恰相反，enb上来实现，效率和响应速度高，网络扩展性较好，对系统依懒性小，缺点是协调困难；混合式结合集中式和分布式2种架构的优点，缺点是设计复杂。son技术应用于移动通信网络时，其优势体现在网络效率和维护方面，同时减少了运营商的资本性支出和运营成本投入。由于现有的son技术都是从各自网络的角度出发，自部署、自配置、自优化和自愈合等操作具有独立性和封闭性，在多网络之间缺乏协作。因此，研究支持异构网络协作的son技术具有深远意义。23内容分发网
17、络及节能配置方法等。25准确有效地感知相邻节点是实现大规模节密集地部署点协作的前提条件。在超密集网络中，使得小区边界数量剧增，加之形状的不规则，导致频势必出现新繁复杂的切换。为了满足移动性需求，的切换算法26；另外，网络动态部署技术27-28也是在未来5g中，面向大规模用户的音频、视频、图像等业务急剧增长，网络流量的爆炸式增长会极31大地影响用户访问互联网的服务质量。如何有效地分发大流量的业务内容，降低用户获取信息的研究的重点。由于用户部署的大量节点的开启和关闭具有突发性和随机性，使得网络拓扑和干扰具有大范围动态变化特性；而各小站中较少的服务用户数也容易导致业务的
20、erver之间构建多个cdn代理server，可以降低延迟、提高qos（qualityofserv-ice）。当用户对所需内容发送请求时，如果源服务则该请求被dns重器之前接收到相同内容的请求，定向到离用户最近的cdn代理服务器上，由该代理服务器发送相应内容给用户。因此，源服务器只需要将内容发给各个代理服务器，便于用户从就近的降低网络时延带宽充足的代理服务器上获取内容，并提高用户体验。随着云计算、移动互联网及动态内容分发技术逐步趋向于专网络内容技术的推进，业化、定制化，在内容路由、管理、推送以及安全性方37面都面临新的挑战。在未来5g网络中，随着智能移动终端的不断。自配置即新增网络节
21、具有低成本、安装简易等点的配置可实现即插即用，优点。自优化的目的是减少业务工作量，达到提升32网络质量及性能的效果，其方法是通过ue和enb测量，在本地enb或网络管理方面进行参数自优化。自愈合指系统能自动检测问题、定位问题和排除故障，大大减少维护成本并避免对网络质量和用户体验的影响。自规划的目的是动态进行网络规划并执行，同时满足系统的容量扩展、业务监测或优化结果等方面的需求。目前，主要有集中式、分布式基于网管以及混合式3种自组织网络架构。其中，系统实现的集中式架构具有控制范围广、冲突小等444重庆邮电大学学报（自然科学版）第27卷普及和快速发展的应用服务，用户对移动数据业务对业
22、务服务质量的要求也不断需求量将不断增长，提升。cdn技术的优势正是为用户快速地提供信cdn息服务，同时有助于解决网络拥塞问题。因此，技术成为5g必备的关键技术之一。题，大量低成本终端通过d2d方式接入邻近的特殊通过特殊终端与蜂窝网络建立连接，这种方式终端，能够提高频谱效率，缓解基站的接入压力。图2图1fig1cdn网络架构fig2d2d通信系统d2dcommunicationsystemcdnnetworkarchitecture24d2d通信5g网络在引入d2d通信带来好处的同时，也面临一些挑战。当终端用户间的距离不足以维持近距离通信，或者d2d通信条件满足时
23、，如何进行d2d通信模式和蜂窝通信模式的最优选择以及通信模式的切换都需要思考解决。小区内或者小区之间进行d2d通信会对其它用户和小区基站造成不可避免的干扰，干扰协调机制的研究成为d2d通信d2d通信中的资源分配优的一个研究方向。此外，化算法也值得深入研究。25m2m通信m2m（machinetomachine，m2m）作为物联网在现阶段最常见的应用形式，在智能电网、安全监测、城市信息化、环境监测等领域实现了商业化应用。3gpp已经针对m2m网络制定了一些标准，并已立项开始研究m2m关键技术。根据美国咨询机构foeste预测估计，到2020年，全球物与物之44间的通信将是人与人之间通
26、网络中。m2m市场蕴藏着巨大的商机。因此，研究m2m技术对5g网络具有非比寻常的意义。m2m的定义主要有广义和狭义2种。广义的m2m主要是指机器对机器、人与机器间以及移动网络和机器之间的通信，它涵盖了所有实现人、机器、m2m仅仅指机系统之间通信的技术；从狭义上说，器与机器之间的通信。智能化、交互式是m2m有别于其它应用的典型特征，这一特征下的机器也被45“智慧”。m2m海量终端的特点决赋予了更多的定了其必须基于竞争的随机接入方式去获得信道资46关于m2m随机接入的算法成果较少，已有的源，随机接入协议包括完全随机多址接入协议（alo-ha），载波侦听多址接入协议（csma）。
29、会话级串联排队网络模型，分析了m2m通信业务49基于排队论理论，对网络的影响；文献分析了系统的网络时延、吞吐量以及丢包率等系统性能；文50中，ibp+mmbp/geo/1/k分析模型的建立献采用了休假排队网络理论，为h2h和m2m业务共存下的无线资源分配提供理论依据。m2m业务的不当前无线网络随着m2m终端、断涌入，正面临着前所未有的挑战。海量m2m终端接入时将引起无线网络过载和拥塞，不仅会影响移动用户的通信服务质量，还会造成用户难以接入网络等问题。因此，对自适应负荷控制机制的研究可以有效地解决m2m设备带来的无线网络拥塞问题。此外，在m2m通信中，充斥着大量小信息量数据包，这导致较低
31、这些片段信息的媒体通信等，icn的主要概念是信息的分发、总集合。因此，查找和传递，不再是维护目标主机的可连通性。不同于传统的以主机地址为中心的tcp/ip网络体系结icn采用的是以信息为中心的网络通信模型，构，忽略ip地址的作用，甚至只是将其作为一种传输标识。全新的网络协议栈能够实现网络层解析信息名称、路由缓存信息数据、多播传递信息等功能，从而较好地解决计算机网络中存在的扩展性、实时性以图3fig3信息中心网络information-centricnetwork尽管icn可以解决现有ip网络的固有问题，但在扩展性、数据移动性及大范围部署等方面存在不足，其中最为突出的是部署性问题。
32、由于现有ip网络拥有广泛的覆盖范围，且成功地运营了几十年，icn的提出无疑是对ip网络的挑战。因此，未来5g网络应更加注重icn与ip网络的结合，使得icn的发展更加实用。44627移动云计算重庆邮电大学学报（自然科学版）第27卷近年来，智能手机、平板电脑等移动设备的软硬件水平得到了极大地提高，支持大量的应用和服务，54为用户带来了很大的方便。在5g时代，全球将会出现500亿连接的万物互联服务，人们对智能终端的支持移动用户无缝地利用云服务而不会产生服务，延迟、抖动。移动云是一个云服务平台，支持多种移动应用场景，例如：移动学习，移动医疗，智能交通等。尽管移动云计算能够大大增强移动
33、终端的计算但是由于移动智能终端与云能力并降低终端能耗，计算中心的端到端网络传输时延与带宽具有不稳定性，移动云计算的通信通道传输时延无法保证。文60献结合无线接入网技术的特点，提出了一种分保证移动云计算的端到布式移动与计算协同架构，端服务质量。未来5g网络中，多种异构网络将会并存，不同的移动设备将使用不同的无线接入技术来访问云。因此，满足异构网络间服务的无缝交互是移动云计算面临的一个重要挑战。28sdn/nfv随着网络通信技术和计算机技术的发展，互联网+、三网融合、云计算服务等新兴产业对互联网在可扩展性、安全性、可控可管等方面提出了越来越高definednetworking，的要求
34、。sdn（software-软件定义网络功能网络）/nfv（networkfunctionvirtualization，虚拟化）作为一种新型的网络架构与构建技术，其倡导的控制与数据分离、软件化、虚拟化思想，为突破现有网络的困境带来了希望技术支撑未来5g网络发展。sdn架构的核心特点是开放性、灵活性和可编61程性。图5所示为onf组织提出的sdn架构。61-70计算能力以及服务质量的要求越来越高。移动云计算将成为5g网络创新服务的关键技术之一。移动云计算是一种全新的it资源或信息服务的交付与使用模式，它是在移动互联网中引入云计算的产物。移动网络中的移动智能终端以按需、易扩展的方式连接
36、发的规则处理和转发数据；中间层为控制层，该层主要负责对数据控制网络拓扑、收集全局状转发面的资源进行编排，态信息等；最上层为应用层，该层包括大量的应用服71通过开放的北向api对网络资源进行调用。务，sdn将网络设备的控制平面从设备中分离出来，放图4fig4移动云计算平台架构到具有网络控制功能的控制器上进行集中控制。控制器掌握所有必需的信息，并通过开放的api被上层应用程序调用。这样可以消除大量手动配置的过程，简化管理员对全网的管理，提高业务部署的效率。sdn不会让网络变得更快，但他会让整个基础设施简化，降低运营成本，提升效率。未来5g网络进一步优化网络的管理，中需要将控制与转发
38、临的主资源优化困难，无线资源浪要挑战是难以互通，，这主要是由于现有移动网络采用了垂直架构的设计模式。此外，网络中的一对多模型（即单一费图5fig5sdn架构77网络特性对多种服务），无法针对不同服务的特点78提供定制的网络保障，降低了网络服务质量和用户体验。因此，在无线网络中引入sdn思想将打破现有无线网络的封闭僵化现象，彻底改变无线网络的困境。软件定义无线网络保留了sdn的核心思想，即将控制平面从分布式网络设备中解耦，实现逻辑上的网络集中控制，数据转发规则由集中控制器统一下发。软件定义无线网络的架构分为3个层面，如78图7所示。在软件定义无线网络中，控制平面可以获取、
39、更新、预测全网信息，例如：用户属性、动态sdnarchitecturenfv（networkfunctionvirtualize，网络功能虚拟67化）是由欧洲电信标准组织（etsi）从网络运营商的角度出发提出的一种新的网络架构，通过通用的it技术与平台对网元进行功能虚拟化，针对不同的业务在vnf的基础上进行相应的功能块连接应用需求，与编排72-73。etsi定义的nfv框架如图6所示73。控制平面能够网络需求以及实时网络状态。因此，很好地优化和调整资源分配、转发策略、流表管理等，简化了网络管理，加快了业务创新的步伐。此外，软件定义无线网络对网络功能进行抽象并提供开放的ap
40、i，服务提供商利用这些开放的api能够为用户提供大量定制服务应用。同时，软件定义无线网络能指导终端用户接入更好的网络或由多个异构网络同时为用户提供服务。软件定义无线网络的图6fig6nfv架构nfvarchitecture控制与转发分离的思想，不仅简化了网络设备，还为设备提供了可编程性，使得异构网络之间的互通更加容易。目前，软件定义无线网络的研究处于初期阶段，大部分的工作聚焦于架构设计，如：open-oad79-80，odin81，openadio82，openf83等。软件定义无线网络的提出给无线网络领域带来崭新的发展前景，但是软件定义无线网络架构中南北向接口尚未形成统一的标准。在未
41、来5g网络传统网络将与软件定义无线网络长期共存，如何中，解决异构网络之间的兼容性问题，如何规范编程接口，如何发现灵活有效的控制策略都是软件定义无线网络面临的挑战。210情境感知技术nfv的核心思想是将网络逻辑功能与物理硬件解耦，利用软件编程实现虚拟化的网络功能，并将多种网元硬件归成标准化的通用三大类it设备，即存储器和数据交换机，实现软件的灵高容量服务器、活加载，大幅降低基础设施硬件成本。网络资源的虚拟化可望构成统一的、云化的虚拟资源池以供统一调度使用。sdn和nfv的结合将形从网络部署模式来看，nfv技术实现各网元设备的虚成完整的解决方案，拟化，而sdn则实现虚拟设备之间的数
42、据交换与转发，业务编排。未来5g网络采用sdn/nfv技术，可以实现快速、简捷的新业务部署，并简化网络层73-76。次，降低网络的部署与运维成本随着海量设备的增长，未来的5g网络不仅承载人与人之间的通信，而且还要承载人与物之间以及物与物之间的通信，既可支撑大量终端，又使个性448重庆邮电大学学报（自然科学版）第27卷化、定制化的应用成为常态。情境感知技术能够让智能、及时地向用户推送所需的未来5g网络主动、信息。技术的可行性研究、标准化以及产品发展方面进行5g的发展需要在统一的框架下进行了大量的投入，全球范围内的协调。同时，在5g通信系统中，采用6ghz频点以上无线频谱
45、挑战zhaodaiwei，wangzhengye，zhouyu，etal5gterminalbusinessdevelopmenttrendandtechnicalchallengejtelecommunicationsnetworktechnology，2015，(3):64-685李路鹏，熊尚坤，王庆扬5g技术展望c/2013年度全国无线及移动通信学术大会中国山东青岛:2013:14-16中国学术期刊电子杂志出版社，lilupeng，xiongshangkun，wangqingyang5gc/2013annualnationalacadem-technologyprospecti
46、cconferenceofwirelessandmobilecommunicationsqingdaoshandongchina:chinaacademicjournalelec-tronicpublishinghouse，2013:14-166任永刚，张亮第五代移动通信系统展望j信息通2014，(8):255-256信，enyonggang，zhangliangprospectofthefifthgen-erationmobilecommunicationsystemjinformationcommunications，2014，(8):255-2567王志勤，罗振东，魏克军5g业务
47、需求分析及技术标j中兴通讯技术，2014，20(2):2-4，25准进程luozhendong，weikejun5gservicewangzhiqing，requirementsandprogressontechnicalstandardsjsoftwaredefinedwirelessnetworkingarchitecture情境感知（contextawareness）技术源于所谓普适计算（ubiquitouscomputing）的研究，最早由schilit8485所述特性，于1994年提出，它具有文献如：适应性、前瞻性、及时性、情景敏感性等，这是一种崭采新的计算形式。
49、一次革命性创新，它将满足人们对高质量生活的需求，实现无处不在的高速网络连接，是低能耗的、更安全的网络。本文综述了未来5g在无线网络方面潜在的十大关键技术，并对5g的发展背景，应用场景，需求等做了具体分析。目前，世界各国针对未来5g移动通信网络在ztecommunications，2014，20(2):2-4，258imt-2020(5g)promotiongroup5gvisionande-quirements，whitepapereb/ol2014-05-28ht-2020cntp:/wwwimt-94gameicas4gamericasecommendationson5gequ
51、12尤肖虎，潘志文，高西奇，等5g移动通信发展趋势与中国科学:信息科学，2014，44若干关键技术j(5):551-563youxiaohu，panzhiwen，gaoxiqi，etalthe5gmobilecommunication:thedevelopmenttrendsanditsemergingkeytechniquesjsciencechinapress，2014，44(5):551-56313hwangis，songby，solimanssaholisticviewonhyper-denseheterogeneousandsmallcellnetworksjieeecomm