2014年，IMT-2020(5G)推進組發布了第一份白皮書，第五代移動通信系統被提上日程，有望在2020年完成整個網絡與系統的部署。未來的數據流量，網絡連接設備總量將會發生爆炸式增長，業務需求將會發生顛覆性變化，物聯網與移動互聯網將會相互融合，為人們提供多元化服務，如車聯網，智能家居，智慧醫療，業監測系統，超高清3D時頻等。文章介紹實現以上高速率，靠可靠性，低時延，智能化，功能多元化的5G網絡實現的網絡架構以及關鍵技術，如大規模MIMO，軟件定義網，自組網技術等。
1. 5G網絡架構
5G網絡的構建需要達到超高速率，大吞吐量，超高可靠性，超低延時等指標，來為用戶提供最佳的體驗。在整個網絡的部署當中，5G網絡的部署應該具有以下特性：具有靈活的網絡架構以及多種接口來支持不同而向多種業務的接入，在鏈路性能上能夠用多跳的方式進行網絡覆蓋以及實現基站的Mac層和用戶的直通，同時整個網絡能夠根據環境以及業務需求來自組織，自配置，智能化的將網絡最優化。
5G核心網的關鍵技術以及網絡架構中探討到：通過采用全IP方式以及納米核心網的新型網絡架構能夠進行網關的無縫切換。為了滿足5G網絡能夠隨時隨地接入網絡的要求，對于5G網絡構建的重要指標是能夠靈活擴展，因此采用扁平化IP網絡架構，通過分布云的的移動核心信息傳遞功能，分布式軟件架構和邏輯網關以及網絡虛擬化等技術，將垂直的網絡架構演進成分布式水平網絡架構。從另一層而上來看，通用扁平化架構就是將無線接口技術與核心網的演進相分離，從而借助接口實現即插即用的效果，即多種無線接入技術融合到統一的核心網當中，從而使網絡具有更好的靈活性以及拓展性。對于5G的核心網中涉及到的主要技術有SDN(software defined network)，集中式網絡控制器將從網絡分離后數據轉發平而上的流量分配給網絡元件，實現拓撲感知，路由決策。另一個技術是網絡功能虛擬化，即：將核心網設備轉移到高新能服務器，同時將網元功能移植到虛擬平臺。
2. 5G關鍵技術
2.1 超密集異構網絡
5G網絡是一種利用宏站與低功率小型化基站(Micro-BS，Pico-BS，Femto-BS)進行覆蓋的融WiFi，4G，LTE，UMTS等多種無線接入技術混合的異構網絡。隨著蜂窩范圍的逐漸減小，使得頻譜效率得到了大幅提升。隨著小區覆蓋而積的變小，最優站點的位置可能無法得到，同時小區進一步分裂難度增加，所以只能通過增加站點部署密度來部署更多的低功率節點。超密集異構網絡可以使功率效率，頻譜效率得到大幅提升，但是也不可避免的引入了一些問題。從物理層這個角度看需要多速率接入要求，如低速的傳感器網絡到高速率的多媒體服務。從異構網絡這個角度，超密集異構網絡需要一種能夠具有可擴展的幀結構的空中接口來滿足不同頻段頻率的接入。超密集異構網絡還需要根據終端的使用情況以及終端所處的環境進行大量的預測，并在網絡狀態，信道環境，需求量突變前進行有效的前攝管理。
2.2 大規模MIMO技術
大規模MIMO運用多天線技術，大規模天線陣列可以通過天線的空分特性(具有高分辨率的空間自由度)，使相同時頻資源能同時服務若干用戶，能夠有效的頻譜效率，增加傳輸的可靠性。Marzetta 提出每個基站布置超出現有天線數數量級超多天線用于時分復用條件下，發現可以在同一時頻資源上服務幾個用戶。多天線技術的波束成型可以限制波束在很小的范圍內，因此可以降低干擾從而有效降低發射功率。
多天線技術帶來了更多的空間自由度，因此使信道的反應更加精準，從而降低了各種隨機突發情況信道性能的降低。由于多天線占用空間太大，實現的復雜度太高，一般基站多采用4天線技術。王海榮，王玉輝等人提出由于同一小區內導頻正交，但相鄰小區間導頻進行復用會引起導頻污染，制約了多天線技術的瓶頸，因此他們提出一種上行導頻功率控制法，將通常的導頻發射時隙分為兩段，使交叉增益相對較大的導頻發射時隙錯開，從而降低導頻污染。由于大規模天線技術中將會出現低功率小型天線以及大量的低功率放大器，因此大規模的天線部署的拓撲結構，實際信道之間的正交性程度必須被確定，以及如何有效的解決天線互禍合等難題。
由于5G的超密集異構網絡的應用，在小區范圍縮小的情況下肯定不需要大規模天線技術的應用，但是大規模MIMO的應用可能會帶來空間零陷(spatial nulling)以及避免干擾等優點，所以研究大規模MIMO與小區(small cell)相互補的模型也是一個要解決的問題。
2.3 FBMC
FBMC的提出是為解決OFDM18載波旁瓣較大，在各載波不能嚴格同步時相鄰載波將會產生較大干擾，在較低頻段不能支持需要連續高達1G帶寬等高速率業務需求等問題提出的基于濾波組的多載波技術(filter bank multicarrier)。原理是在發端通過合成濾波組來實現多載波調制，在收端通過分析濾波組實現多載波解調。Jean-Baptiste Dore提到在CS(信道狀態信息channel state information)處于理想情況下，與OFDM相比FBMC具有更高的能量效率，但在CSI不理想的情況下碼間干擾(ISI)以及載波間干擾(ICI)將會使FBMC的性能輸于OFDM，提出在MIMO情景下的特殊的波束成型來提升FBMC性能。Jean-Baptiste Dore在另一篇文章中提到當導頻序列分散在片段頻譜上，或者沒有分布于每個載頻，一種時域上的插值(根據導頻在信道上的值進行反傅里葉變換)處理將會可以彌補這一缺陷使信道響應不會因為載頻而受到影響。
2.4 毫米波通信
毫米波頻段一般為30-300GHZ，毫米波通信即使在考慮各種損耗與吸收的情況下，大氣窗口也能為我們提供135GHz的帶寬，在頻譜資源緊缺的情況下，采用毫米波通信能夠很有效的提升通信容量。由于5G的超密集異構網絡，基站間距在不到200米的情況五由于毫米波具有波束窄的特點，具有很強的抗干擾能力，并且空氣對毫米波的吸收，會減小對相鄰基站間的干擾。
3.結語
第五代通信系統將會在終端，網絡，無線接入等方而進行融合及創新，具備眾多優點，首先5G網絡以人為本，能夠為我們提供高速率，高可靠性，低時延的服務，讓我們享受流媒體，超高清視頻等業務，另一方而，萬物互聯這個角度來看，5G網絡將是一艘巨大的航母，首先5G網絡具有很靈活的可擴展的網絡架構，能夠根據需求進行組網，同時5G網絡能夠涵蓋不同行業用戶以及開展多種業務類型，如智慧醫療，農業監測，業設備監測等。最后5G網絡將會比現在通信系統更加綠色，具有低功耗，節能的特點。
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本文標題：5G網絡架構和關鍵技術
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