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5G：重新思考2020 的移动通信
摘要：预计5G网络将在20世纪20年代满足移动业务的挑战性要求，其特点是超高数据速率，低延迟，高移动性，高能效和高流量密度。本文概述了中国移动的5G愿景和潜在解决方案。分析了5G的三个关键特性，即超快速，软和绿色。主要的5G研发主题进一步阐述，其中包括对传统设计方法的五个基本思考。我们还讨论了5G网络设计方面的考虑因素，包括云无线接入网络，超密集网络，软件定义网络和网络功能虚拟化，这些都是绿色软5G网络的关键潜在解决方案。还研究了从传统的以小区为中心的操作到以用户为中心的网络操作的范式转换，其中的下行链路和上行链路，控制和数据以及自适应多连接提供了足够的手段来实现以“不再更多”为目标的以用户为中心的5G网络细胞#39;。软件定义的空中接口是在一个统一的框架下进行调查的，可以自适应地调整参数，以很好地满足不同5G场景下的各种需求。
一、5g的版本和要求
随着第四代（4G）长期演进标准的全球商业化，无线社区现在期待着5G移动网络，该网络预计将于2020年推出。 从对用户需求，应用场景，技术趋势和潜在解决方案的调查开始，全球关于5G研究的举措得到了广泛的开展。 欧洲的METIS，韩国的5G论坛和中国的IMT-2020推进小组的工作。
移动互联网和物联网（IoT）是未来移动网络的两个主要驱动因素，并且由于其多样性，将在5G方面具有广阔的前景。 因此，5G将触及未来生活的许多方面，例如家庭，工作，休闲和交通。 5G场景至少包括密集住宅区，办公大楼，体育场，露天集会，地铁，高速公路，高速铁路和广域覆盖。 这些场景的特点是超高流量密度，超高连接密度或超高移动性，为5G提出极端挑战。
这些场景将提供典型的服务，如增强现实，虚拟现实，超高清（UHD）视频，云存储，车辆互联网，智能家居和过度服务等。 根据用户的预测分布，不同服务的百分比和服务要求（如数据速率和延迟），可以为每种情况推导出5G的性能要求。 5G的关键性能指标（KPI）包括用户体验数据速率，连接密度，端到端延迟，流量密度，移动性和峰值数据速率。 IMT-2020 PG提出的关键性能指标如表1所示，其中包括例如超过100 Mbps的用户体验数据速率，每平方公里100万个连接，1 ms端到端延迟和每秒数十兆比特峰值数据速率。 为了以高效的方式满足移动互联网和物联网所带来的极具挑战性的用户需求，5G网络应该被精心设计。
本文从中国移动的角度介绍了5G的愿景和设计方法。具体来说，在第二小节中分析了5G的关键特性，即超快速，软和绿色。主要的5G研发主题在sect;3中进一步阐述，其中包括对传统设计方法的五种基本思考。在sect;4中，讨论了5G网络设计方面的考虑事项，其中考察了云无线接入网络（C-RAN），超密网络（UDN），软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）绿色和软5G网络。在第五小节中研究了从传统的以小区为中心的操作到以用户为中心的网络操作的范式转换，其中的下行链路和上行链路，控制和数据以及自适应多连接提供了足够的手段来实现5G网络，（NMC）。软件定义空中接口（SDAI）的概念在第6节中介绍，这是一种很有前途的方法，通过重新配置物理层构建模块的组合来满足5G的各种需求。该论文在第七节中进行了总结。
二、5g的三个核心特点
(a)超快的网络连接
预计5G网络将提供像光纤一样的接入数据速率，“零”延迟用户体验和超高移动性，并且设想在任何极端情况下都能够实现身临其境的触觉用户体验。随着移动互联网的进一步发展，以高清视频为主的应用（包括增强现实和超高清3D视觉）可以实现身临其境的用户体验。为此，预计到2020年网络容量将增加1000倍，每个无线链路需要10 Gbps的峰值数据速率。将进一步探索空间域，高频带宽高达500 MHz的宽带系统，UDN场景和其他领域的多连接。
诸如远程手术，自动驾驶和在线游戏等用例场景需要触觉往返回应。对于预留空中接口的延迟预算小于1毫秒的未来网络，预计端到端时延小于10毫秒。新的帧结构，基于新波形设计的访问方案应该与这个目标一致。由于高速列车在中国的广泛部署，5G应该覆盖高达500公里每小时的移动性。
(b)软网络
预计5G网络将会很灵活，可重新配置的SDN和空中接口。预计软网络将灵活性纳入从核心网络（CN）到接入网络的每个网元的实施，以及空中接口的构建模块。网络功能和资源虚拟化应该是软网络的核心。它将软硬件，控制和数据，上行链路和下行链路解耦，以促进融合网络与信息和通信技术（ICT）融合，多无线接入技术（RAT）融合，无线接入网络（RAN）和CN融合，内容融合和频谱收敛。这使得超级平面架构能够实现经济高效的网络部署，运营和管理。在软网络中，计算，存储和无线资源被虚拟化和集中化，以实现动态和以用户为中心的资源管理，以匹配服务功能。预计软网络将建立在电信级云平台之上，以实现具有开放网络功能和网络共享功能的网络即服务。这使得实现网络灵活性和可扩展性成为可能，并为用户提供大量的各种服务和一致的体验质量（QoE）。在C-RAN ，NFV 和SDN 中，软网络可能首先实现突破，控制和数据解耦。
软网络概念应该扩展到空中接口。 SDAI将被考虑，而不是全球优化的空中接口，这是多种因素之间的折衷。 包括频谱，带宽，波形等参数都是可调的，这样空中接口可以针对每个单独的应用场景进行优化。 这使得未来网络能够广泛适应具有极端不同要求的应用场景。
(c)绿色网络
绿色通信是减少能源消耗的社会责任，也是无线通信行业的经济目标。 高频谱，空间，时间，硬件，软件资源效率，低功耗和低成本是绿色5G网络的基本要求。 绿色网络将以最小的频谱资源负担实现1000倍的容量增长。 先进的信号处理技术有效地探索空间资源，集中协调以反转对有用信号的有害干扰，联合基带和RF处理以增强相同的频谱双工等等，都是提高无线资源效率的一些关键技术。
绿色网络将实现100倍的能源效率（EE）改进，以降低可持续运营的运营支出（OPEX）。 它需要能力进行端到端的能源管理和优化，以便在满足服务要求的同时将总能耗降至最低。 绿色网络使网络容量迁移和呼吸能够匹配服务变化，而不浪费网络资源。 而且，“即插即用”和开关节点也是绿色网络的重要组成部分。 这些大规模的节点事先没有网络规划。 因此，先进的自组织网络（SON）对于动态网络规划和拓扑以及接近实时的网络优化实际上非常重要。 绿色网络能够使用可再生能源，如风能和/或太阳能作为网络的替代电源，以及终端的生物电，动能和/或热能。
三、5g研发主题
经过几十年的高速发展，ICT或特别是通信网络的规模已经足够巨大，因此它的功耗在全球能源消耗中不再是一个可以忽略的因素。考虑到到2020年1000倍的容量增长，如果网络按照当前的能量缩放规则进行设计，未来网络的功耗将不可承受。
经典香农理论在通信技术领域是一本#39;圣经#39;，半个多世纪以来一直领导着通信系统的发展。 20世纪90年代早期，香农理论从标量向矢量的延伸触发了多输入多输出（MIMO）系统的发明，该系统带来了另外20个黄金年代的无线通信系统。频谱效率（SE）和EE关系最近通过对香农理论进行重新思考，并通过简单的数学操作来探索，以指导未来绿色通信系统在未来十年的发展。通过仅考虑传统香农理论处理的空中传输功率，SE和EE之间的单调平衡始终存在，这意味着增加SE会导致EE减少。这不会很有趣，也不会有用。但是，在任何实际的网络运行中，除了发射功率之外，设备消耗的电路功耗也是重要的一部分。随着电池越来越小，这种功率占总功率的比例越来越大。在考虑电路功率后，SE和EE的关系不再是单调的。 EE和SE实际上是一个双赢的地区。这种实现为联合SE和EE优化提供了广泛的研发领域。它适用于未来的网络，从各个单独的组件技术到网络范围的性能评估，从设备级到网络级。
时间和空间域中的多样的流量波动为重新考虑香农理论提供了另一个机会，并且可以很好地利用不同规模的交通特征来改善SE和EE。 网络体系结构和部署可以通过利用空间相关属性进行智能优化。 通过使用流量的小规模变化可以更有效地管理和分配资源。 传输技术可以在不同场景下自适应地选择或组合，以实现EE-SE协同设计。
蜂窝系统的概念是由贝尔实验室的Douglas H. Ring和W. Rae Young两位研究人员于1947年提出的。 自从第一代蜂窝标准以来，这种以蜂窝为中心的设计一直贯穿于包括4G在内的每一代新标准。 通过引入异构网络（HetNet）和UDN，实现2020年的时间线，形成了多层无线网络。 由于站间距离较小，能耗，干扰和移动性问题变得更加严重。 介绍了具有不同覆盖范围，发射功率，频段等的各种类型的基站。 流量波动比以前更重要，考虑到新兴的数百万移动数据应用。 因此，在实际部署中，移动网络的传统同质小区中心设计显然不符合预期的流量变化和不同的无线电环境。
以用户为中心的5G无线电网络的设计应该从NMC的原则开始，从基于小区的覆盖，资源管理和信号处理中脱离出来。 它应该根据用户需求的空间和时间变化进行预测，而不是固定的小区有界配置。 动态地为每个用户，可以联合调度来自多个接入点的可用无线电资源，并且可以分别完成控制/用户平面和下行链路/上行链路信道的选择。
使用LTE演进或低频率的新RAT的宏BS提供宽覆盖范围并用作信令BS，而诸如毫米波（mmWave）之类的较高频率的小区旨在提高吞吐量并减少流量。此外，为了降低小区的资本支出（CAPEX）/ OPEX，通过考虑更小的覆盖范围，支持更少的移动性较低的用户，更宽松的同步需求，更小的时间和频率选择性衰落，“仅数据载波”，最小控制开销并且没有公共广播信令，可以被实现以减少干扰和能量消耗。宏单元可以帮助小单元进行发现，同步，测量等。
鉴于UDN中存在大量重叠覆盖，为了缓解干扰，实时共享附近无线接入点之间的更多无线信道信息，并需要相邻接入点之间的更多联合合作。随着C-RAN的出现，可以促进实现NMC概念的许多技术。
四、5g网络设计考虑
C-RAN将不同的处理资源集中在一起形成一个池，以便资源可以在池级按需管理和动态分配，如图1所示.C-RAN已经证明了其在总体拥有成本节省，网络部署速度加快，节能，更重要的是，C-RAN是5G网络的理想架构，并且可以利用各种5G技术。例如，其中一个重要愿景是以用户为中心，或者说“不再更多的小区”，这意味着不仅要为用户提供更高的数据速率服务，还要减少小区中心和小区之间的经验差异边缘区域。为了实现这一目标，应该减轻小区边缘用户遭受的严重干扰，因此需要多个小区之间的协调。另一方面，C-RAN由于具有强大的固有中央处理能力，提供了一个理想的结构，以便于实施具有全部或部分可用的用户信道状态信息的协调技术。
5G网络应该灵活和开放，并紧密集成多个RAT。它为最终用户提供各种新服务和一致的服务体验。然而，现有的移动网络瞄准的是有限类别的网络服务，这是“一刀切”的信令/控制框架，缺乏灵活性，可扩展性和可编程性。实际上，它们通常建立在专用设备和专用平台之上，灵活性和可扩展性较差，难以满足未来移动互联网应用创新的成本效益更高，上市时间更短的要求。此外，控制和数据平面紧密耦合。数据平面过于集中导致延迟，而控制平面过于分散，造成无线资源管理效率低下。
所提出的基于SDN的5G移动网络架构如下。首先，网络的功能是模块化的，因此可以协调最合适的信令/控制机制，以满足不同网络条件下的不同业务，甚至新业务。其次，网络的能力打开。网络的简化表示可以通过API呈现给应用程序。它使服务和应用程序的创新成为可能。最后但并非最不重要的一点，SDN的主要特征是控制平面和数据平面的解耦。控制平面可以集中在SDN控制器中，数据平面靠近用户。从逻辑上讲，网络架构变得更加平坦。值得注意的是，SDN也延伸到了无线电方面。一些无线电控制功能集中于执行联合优化并改善用户体验。在C-RAN架构的情况下，无线控制和边缘网络控制功能都可以共存于位于BBU池的物理SDN控制器中。
至于SDN实施，NFV是一个很好的基础设施。它旨在将网络功能从专用硬件中分离出来，并在软件中实现网络功能，这些软件可以在标准硬件上运行，而不需要安装新设备。采用NFV可以降低设备成本和功耗，加快产品上市时间并鼓励更多创新。通过将移动网络功能与专用硬件解耦，运营商可以灵活选择不同位置的网络资源，这意味着网络服务和资源可以按需共享和迁移。
实际上，在5G移动网络中实现SDN和NFV还有很多挑战。例如，SDN控制器的功能定义，控制器和转发硬件的接口和协议的标准化以及SDN带来的安全威胁和解决方案仍在调查中。应该仔细评估标准硬件是否能够满足RAN的性能和可靠性要求。作为起点，大多数基带处理已通过C-RAN中的GPP服务器虚拟化，而部分具有极端实时要求的PHY功能则由专用加速器
五、不再有单元：从以单元为中心的单元操作转变为以用户为中心的单元操作模式
同构蜂窝系统的概念是在1947年提出的，这种以细胞为中心的设计已经通过包括4G在内的每一代新一代移动通信标准得以维持。 典型的以小区为中心的HetNet在图2a中示出，其中下行链路和上行链路，控制和用户平面仅具有一个BS，例如， UE1，UE3和UE4。 以小区为中心的设计的本质是，小区规划和优化，移动性处理，资源管理，信令和控制，覆盖范围和信号处理都假定为由每个BS统一完成或由每个BS完成。 但是，该系统与实际部署中的流量变化和多种环境不匹配，因为资源按照传统方式从网络的角度来看是半静态分配的。
为了解决上述问题，中继，分布式天线系统（DASs）和CoMP已经作为短期解决方案实施。 虽然中继和DAS主要用于覆盖范围扩展，但CoMP旨在改进小区边缘用户的容量，如UE2所示。 尤其是，CoMP已经被学术界，3GPP和WiMax等行业和标准组织深入研究，其中寻求BS间联合处理和协调以提高小区边缘和小区平均性能。 注意到在上面的初始努力中，以小区为中心的网络操作几乎没有改变。
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