5g通信关键技术及发展研究

　　目前为止,我国移动通信网络已经逐步步入5G时代，信息科技技术在社会不断前进的脚步中飞速发展，我们享受着网络带给我们的便利，同时也不满足于此。很快，我们现在所使用的4G网络也将被淘汰。网络的进步意味着生活更加便捷高效，伴随着移动4G网络而到来的无线宽带时代无疑给我们的生活带来了很多便利。那么5G网络将会带给我们什么呢？是一个智能时代。

　　更加智能的5G网络其实也是基于4G移动网络的，从用户着角度来看，最大的使用感受是网络速率的提高。它最大的改变是核心网络架构的升级更新，以及新的无线传输接入技术。更快的运行速度是用户的首要体验，最重要的是利用率得到提高，技术也会更加智能。挖掘新的频率资源,优化整个系统的性能,扩大其原有的范围。本文主要从无线传输、无线接入和核心网络3个角度介绍了5G的关键技术和最新发展。

　　全世界都力争第五代移动通信技术的研究更加领先，而5G通信技术也不仅仅是在技术上的推进改良，更多的是让用户有更便捷更丰富的操作体验，这也是人们对5G的喜爱将会远大于4G的原因，也是5G的研发进展成为全球移动通信邻域争相角逐原因。

　　欧盟成立于2012,包括爱立信在内的29个成员国,领先的5G研发机构梅蒂斯最初投资2700万欧元,此处包含爱立信、法国电信与相关重要设施与运营商、欧洲研究组织与二十多个内部成员。宝马,德国。该计划的第一阶段运行了30个月,为下一代(5G)移动和无线通信系统的建立奠定了基础。

　　数据显示,在2013年韩国三星电子已经成功地开发了5G环境下数据接收和发送的核心技术。这是世界上第一例。这种新的通信技术被称为“漫游本地”。外语缩写:NOLA。

　　世界上最大的电信设备制造商深圳华为加拿大和英国未来5年持续投资6亿美元。这是一个巨大的机会。而对于5G发展来说也是一个很大的挑战。5G通信技术最终会给网络带来的变化就是将网络容量增加到了1000倍以上,对用户的改变就是将用户数据速率提高到了10-100倍,峰值传输速率可达10GbPs(4G：100MbPS),同时频谱效率提高5-10倍。提高5-10倍的端到端时延,将网络综合能效提高到了1000倍。.

　　在不久的将来，我们即将使用的5G通信手机，它的下载速度可达3.6Gbps每秒。使用这种技术下载超高清电影文件只需要一秒钟。间,3D电影和游戏具有较大的容量,也可以实现第二关。比LTE(通用术语“准4G”)75兆比特快数百倍

　　目前,5G的研究工作已在全世界范围内开展。2013年10月,中国启动了国家863计划“第五代移动通信系统研发”项目。我们在2020之前系统地研究了5G移动通信体系结构、无线网络、无线传输、大规模天线等关键技术,主要是研究对这些关键技术的开发和利用,初步完成其性能质量测评。今年的试验和试验投资1亿6000万元。目前,除了国内55家通信企业和学术研究机构外,该项目还首次吸收了三星、诺基亚、爱立信等多家国际企业作为研发合作伙伴。5G移动网络是移动通信领域的新秀，它的研究进展是全世界重点关注的。

　　移动通信的发展至今也经历了好几代的更新发展。从我们熟知的大哥大，也就是第一代模拟蜂窝移动通信,它只能提供简单的语音服务。然后到第二代数字移动通信，再到第三代移动多媒体通信也就是3G网络，而移动通信发展越来越快速，在3G网络刚刚普及的时候,第四代移动通信也很快就进入我们的生活。随着数据流的不断增长和智能终端的普及,4G已经不能满足网络在容量、速度和频谱等方面的需求。再这种大需求的压迫下，第五代移动通信网络(5G)也就逐渐诞生了。移动网络发展至此，其目的就是会比4G网络有更加高效的频谱利用率,在用户体验上其速率一定是比4G网络更快的。而且在4G网络基础上，网络中的缺点也会有所改善。比如我们在4G中会遇到的传输延迟情况,覆盖不全的问题,系统的安全问题，这些都将得到显著改善。5G移动通信将与4G的无线通信技术是紧密结合的,它的不同之处就是智能网络将会无处不在,这样也才可以以满足发展需要的移动互联网业务在未来10年增长到1000倍甚至有更大的突破。因此,我们需要做的研究是明确5G的业务和关键技术指标,并指导5G技术发展和系统设计的方向。5G技术及系统的发展方向设计。

　　5G是移动通信领域的新秀，它的发展是全球通信邻域都在角逐的。2欧盟于2013年初在第七框架项目中启动了关于2020年信息社会的移动和无线通信服务的5G研发项目,韩国和中国分别建立了5G技术和IMT-2020(IMT-202)推进组和我国863计划。在2013年6月和2014年3月,我们启动了5G重大项目的第一个和两个研究和开发项目。

　　目前,全世界的通信领域都在对5G的发展走向，关键技术的运行及指标进行研究,并且已经在2015年的世界无线电会议上达成了共识,开始实行PR标准化。

　　在过去的20年中,我国陆续推出了关于3G和4G移动的重大科研项目,促进国家中长期发展规划"的一个新的宽带无线移动通信网"项目生成的实施,意味着中国的移动通信技术水平也将会有一定的提高,中国的移动通信技术将会与产业产生跨越式的发展。在全球的移动通信市场中，所占份额比较大的就是华为和中兴。中国的TD技术也很荣幸地被选定为国际标准规范,移动通信产业也成在中国国际竞争力中形成一定的规模。也是我国高科技产业之一。

　　5G移动通信的发展是全球移动通信领域新一轮技术竞争的开始,通过早期的布局和开放的R&D环境,我国努力在5G未来技术发展和业务竞争中可以取得更加超前的优势。2013年初,我国因为XX部门大力支持,开始对5G的主要技术发展方向和使能技术进行研究,建立了IMT-2020推进小组对5T-Mobile通信进行研究,确定5G的发展了前景、业务推动计划。并在5G技术发展的需求下,建立关于5G移动通信技术的框架,与国际各方合作进行研究以及生产,对国际5G研发积极投入。在2015后,我国有了扎实的技术基础来参与5G移动通信技术标准建设。“新一代宽带无线移动通信”是推动LTE产业化的重大工程。

　　国家863也在2013年6月计划启动了有关5G移动通信系统的重大项目。其总体目标是满足2020移动通信的要求,研究5G网络体系结构、无线网络、无线传输、新天线和射频等关键技术,以及新频谱的开发和利用,并进行实施了无线传输技术，对性能进行了评估以及设计出了原型系统,总业务速率达到了10 Gbps。空中接口的频谱和功率效率也达到了一定高度，是4G的10倍,这个项目的主要研究任务包括了：5G有关无线网络体系结构的研究，5G无线传输中的关键技术的开发，对STEM总体技术进行研究，对5G移动通信技术进行评估以及测试验证技术实施的研究。主要研究超蜂窝无线网络技术，高密度和高通量等关键的核心技术,例如超高速率的大规模协作天线和新的超高效射频T无线电传输技术。在针对解决干扰消除问题和基于超小小区和单位表面的网络协作和问题,具体办法是提高了25倍的产品系统容量,无线传输技术实验也因为密钥的实现得以进行。无线传输和功率效率之所以提高了一个数量级,是因为基于对大规模天线的高维信道建模和复杂度控制以及评估。实现了高频段等新频谱源的无线传输和网络化的关键技术。也使得在通信系统中扩展了大概4倍的总可用频谱资源。南京东南大学以及电信科学技术研究分别负责了7个主题中的型协作和高效无线传输技术的研究和开发。北京邮电大学、中国华为公司和北京清华大学则负责高密度、高吞吐量以及超蜂窝无线网络技术的深入研究和开发。电信研究所则领导人体技术的研究,上海无线通信研究中心主要负责技术评估的研究和测试验证技术的开发。也需要进行5G移动通信863计划的推广，所以本项目组还设立了5G技术通用专家组，主要负责实施和协调技术的研发,以及规划5G技术的框架和顶部设计。IMT-2020推进包括5G技术频谱研究组在内的对应组,业务需求研究组,以及为技术标准之前的技术标准建立,还成立了知识产权工作组和研究小组等等；我国不断扩大在移动通信邻域的国际影响力探索5G关键技术，构建有关5G的技术技术创新发展联盟，创建有关5G的新工业模式以及新途径，促进5G在论坛上的国际交流，建立良好的研究合作关系。

　　对于论文的研究和撰写，本人在导师的指导下，阅读了大量的参考资料，做了一定量的研究工作具体阐述如下：

　　由于5G网络逐步步入我们的生活，意味着智能时代的到来，而5G网络不仅是速率的提升，我们很有必要对它有一定的了解，熟悉了解5G移动网络的关键技术并对其进行研究，将会使我们对即将到来的5G时代更加清晰，也会更加期待。在此次论文中的编写中，通过收集大量有关5G资料，并对其进行分析，收归纳总结、一定研究后，总结出自己对5G关键技术的了解，以及对5G移动通信网络的展望。

　　根据内容，本论文分为以下章节：

　　第一章“绪论”：回顾全球移动通信的发展，结合我国5G网络的现状和需求，提出5G移动通信发展及关键技术的研究意义。

　　第二章“5G核心网”：介绍了5G核心网络架构的发展、特征、接口及协议，重点分析了两大技术：C-RAN技术和D2D通信技术。

　　第三章“5G无线传输技术”：对大规模天线、全双工、5毫米波传输三大技术进行分析研究。

　　第四章“5G无线接入技术”：该章节介绍了多址接入技术和TDD技术的发展，并对非正交多址接入技术和动态TDD技术进行分析。

　　2.1.1 EPC核心网络体系架构(2008年,R8)

　　2-1 EPC核心网架构

　　EPC核心网架构：随着移动通信技术和产业的发展，依据此架构上进行开发的EPC设备，包括MME、SGW、PGW、PCRF、HSS、CG逐步投入商用，但没有进行同2/3G设备的融合。

　　3 GPP于2005年开始制定3G移动系统演进标准，定义了支持无线接入网(LTE)LTE演进的分组核心网EPC体系结构，支持高速移动数据业务。该体系结构并未包含在电路域内。LTE无线网络只接入EPC核心网，为LTE终端供应外部数据网与IMS核心网的数据业务接入，提供专业数据与语音服务[12]。LTEXR8的第一个版本是在2009年8月由3 GPP发布的，目前逐渐提高到R10。伴随LTE/EPC技术标准与设施的持续健全，我国大部分运营商开始筹划LTE测试与商用网络，然而有关要求也在持续健全中，此技术并未体现出商业化。EPC核心网使用基于2G/3G核心网的分组域控制与负载分离的结构。然而在LTE网络创建早期,尤其是测试网络时期,为了检验MA。对EPC科技与产品的TUREY，且防止对目前网络的负面作用,并将LTE终端视为初始用户使用的单一模式。在等待终端时,运营商一般单独进行筹划。目前商业网络不断筹划，lte网络规模延伸与多模式单终端的应用。,运营商需要考虑的是2G/3G核心网大的运营商,保持独立的组网模式或与之相结合。2G/3G核心网分组域。EPC核心网单元主要包含移动管理实体(EPC)、家庭用户服务器(EPC)、业务网关(SGW)和用于计费的CG设备等[10]。sgw和pgw通常设置为epc-gw。当使用独立的网络模式时,根据网络覆盖率新建和部署这些网络单元。

　　MME、HSS和DNS通常是集中式设置,EPC-GW集中或分布在具有业务需求的本地网络中。随着移动通信技术和工业的发展，LTE/EPC设备将逐步投入商业应用。在演进的核心网分组域应重点跟踪研究的课题为：一是EPC与2G/3G分组域融合组网研究；二是SGSN/MME Pool组网模式研究。

　　2.1.2 NB-IOT核心网架构(2016年，R14)

　　2-2 NB-IOT核心网架构

　　NB-IOT核心网架构：网络用户界面的功能可以部署在核心网(中央数据中心)或接入网(边缘数据中心)中，最终可以进行分布式部署。

　　2015年9月,全球电信行业达成了物联网低功率广域覆盖(LPWA)规则形成共识。NB-IoT标准随之出现。目前Nb-物联网马上结束测试，开启商业化运作，行业内专家对其格外重视，相关研究不断增多。

　　NB-IOT特点大致表现为以下几点：①频谱窄：200kHz；②终端传输窄带信号，提升信号功率谱密度以及综合覆盖增益，提升频谱使用率；终端发射窄带信号提高信号功率谱密度与覆盖增益，此外进一步提高频谱使用效率；③利用反复传输一样的数据包，也能得到较高的覆盖增益；④另外，此科技可以降低终端激活率以及简化基带。此外还能帮助终端降低激活比，简化基带。⑤Nb-IOT的四大功能：覆盖范围广，连接量大，功耗低，芯片成本低.⑥基于相当蜂窝网络科技的物联网，利用对目前网络的改善和发展，促进产业的稳定发展，GUL网络变成重要形式。

　　其优点是：

　　1、强链接：NBIOT能提供比在相同基站中现有无线技术更多的接入。单个扇区能支持十万个连接，以及具备低延迟灵敏度、超低费用、低设施功率与科学的网络架构。例如，它仅限于带宽。运营商只向家中的每一个路由器开放十几个接入点，在家庭中一般会出现移动电话、电脑与平板。此后，可以确保整个家庭的智能化，需要数百个传感器设备接入网络已经成为一个棘手的问题。Nb-IoT很容易满足未来需要在法庭上连接的大量设备。

　　2、高覆盖率：NBIOT具有较强的室内覆盖能力，LTE增益为20 dB。覆盖率增加了100倍。它不只可以满足当前农村区域的现实需求,此外可以使用在公司、车库和人孔盖。例如,监控井盖,以往GPRS的方式需要延长天线。交通很容易被破坏，而NB-物联网如果部署得当，就能解决这个问题.

　　3、低功耗低功耗是物联网应用的一个重要指标，特别是对于某些无法正常替代的设备和场合，例如在偏远地区的高寒荒野中，使用人工神经网络(ANN)是一个重要的指标。传感监测设施,其无法像智能手机那样每天充电,电池使用时间是最关键的部分。NBIOT主要从事小数据与低速率的使用，所以NBIOT设施的损耗并不高，并且它的耐用性比过去几个月要长得多。增加到几年。

　　4、低成本:与Lora相比，NBIOT基本不需要重建网络射频和天线。以中国移动为例,900MHz中有一个宽带,只需要清除2G频带的一部分,能和LTE、NB IOT共同筹划。低速、低损耗与低带宽在一定程度上减少了NBIOT芯片与模块的费用。预期售价低于五美元。

　　2.1.3 5G核心网络体系架构(2018年，R15)

　　2-3 5G核心网架构

　　5G核心网架构：基于云本地微业务体系结构的设计原则，采用模块化和软件相结合的方法构建了5G核心网，有效地实现了不同业务类型的网络切片。

　　5G核心网体系结构由三项关键技术组成：SBA、CUPS和网络切片。SBA（Service Based Architecture），即基于服务的架构。它基于云本地架构设计，借鉴“微服务”概念的IT领域。众所周知，传统的网络元件是一个紧密耦合的黑匣子设计，NFV(NetworkFunctionVirtualization)将网络功能软件与黑匣子设备分开，但解耦的软件仍然是一个“大”的单一结构。它需要进一步分解为细粒度的模块化组件，并通过开放的API接口进行集成，以增强应用程序开发的整体灵活性和灵活性。为此，业界提出了基于Cloud Native的设计原则。Cloud原住民的使命是改变软件在世界各地的构建方式。它由一个微服务体系结构、一个DevOps和一个由容器表示的敏捷基础结构组成。目标是实现交付的弹性、可重复性和可靠性。

　　微服务是将单片业务分成几个粒度较小的微业务.微服务通过api相互交互，每个微服务都是独立于其他服务部署、升级和扩展的。可在不影响客户使用的情况下频繁更新正在使用的应用。正是基于这种设计思想，将传统的网络元素转换为网络功能，然后将NF分解为多个网络功能服务。SBA=网络功能服务+基于服务的接口。网络功能可以由多个模块化的“网络功能服务”组成，可以通过“基于服务的接口”来演示。因此“网络功能服务”可以被授权的NF灵活使用。NRFN NFRepository函数NF(NFRepository FunctionNF)支持网络功能服务注册、状态监控等功能，实现了网络功能服务的自动管理、选择和扩展。

　　CUPS（Control and User Plane Separation），即控制与用户面分离。本文的目的是消除网络用户界面功能的“集中化”，使其能够灵活地部署在核心网(中心数据中心)或接入网(边缘数据中心)中，最终实现分布式部署[6]。事实上，核心网一直沿着控制面和用户面分离的方向发展。例如，通过直接隧道技术将控制面和用户面从R7中分离出来，在3 GRNC和GGSN之间建立一个直接连接的用户面隧道。并且在RNC和GGSN之间直接在SGSN和GGSN之间传输用户表面数据业务。在R8,出现一个纯信号节点,如MME。

　　MME的主要功能是支持NAS(非访问层)信令及其安全性、跟踪区域(TAA)列表的管理、PGW和SGW的选择、交叉MME交换机时MME的选择、SGSN的选择、用户身份验证、漫游控制和内核。。针对不同接入网对2G/3G接入系统的切换过程进行了研究。心节点(S3节点结束)和ECMYIDLE中的UE可达性管理(包括寻呼重放控制和执行)之间的移动性管理。刚好是4.5G和5G的时间。这一分离的趋势更加彻底，也更加必要。主要原因之一是满足了5G网络毫秒延迟的KPI。光纤传播速度为200km/ms，数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5G毫秒级时延的。物理距离受限，这是硬伤。因此，在接入网侧(边缘数据中心)进行内容下沉和分布式部署，使其更接近用户，减少时延和网络回载。

　　网络切片，由于5G服务的多样性，包括汽车联网、大规模物联网、工业自动化、远程医疗、VR/AR等。这些服务对网络的要求是不一样的，比如工业自动化要求低时延、高可靠但对数据速率要求不高；高清晰度视频不需要很低的延迟，但需要超高速的速度。一些大规模物联网不需要切换，部分移动性管理对之而言是信令浪费等等，为此5G要像一把瑞士军刀一样，多功能满足差异化的网络服务。因此，我们将把网络分成多个虚拟子网和孤立子网，分别处理不同的服务。当然，这么灵活的切片工作岂是传统大块头的黑盒设备能担当的，自然要虚拟化、软件化，为了实现业务应用的柔性装配，进一步对网络功能进行细粒度模块化。

　　2.2.1网络设备虚拟化

　　虚拟化是指物理CPU、内存、网卡等计算机资源通过MacOS定义的方法生成虚拟CPU内存，网卡提供不同的客户端。虚拟化该技术在同一物理服务器上实现多个不同的操作系统,它们共享底层物理硬件和不同虚拟机。

　　无线网络虚拟化的好处是多方面的，最重要的是支持服务的快速部署，降低网络建设的成本和复杂性，满足未来业务差异化和定制的需要。提升运营商竞争力,采用通用硬件平台通过虚拟化技术实现软硬件解耦,使得网络具有灵活的可扩展性、开放性和演进能力。

　　RAN虚拟化是实现5G移动网络端到端虚拟化的重要环节。通过用户无线接入网/核心网服务平台的端到端虚拟化，创建虚拟多个虚拟网络，实现资源共享和隔离。提供给虚拟操作员/服务提供者。RAN虚拟化是端到端网络切片的重要组成部分.RAN虚拟化有利于新业务开发验证虚拟化可以将资源虚拟为不同的切片,每个切片实现了资源的共享与隔离,因此，可以在现有的网络上开发和试验新的业务，这不会影响现有的网络服务。此外,作为未来网络架可或缺的无线接入技术,通过虚拟化网络中进行规模验证实验,缩短开发验证周期，加快网络演进步骤，同时不影响当前网络运行。

　　2.2.2服务化架构SBA

　　SBA:基于服务的体系结构是5G网络的基础设施。也是第五代移动通信系统的重要特征，结合移动核心网的网络的特点和技术发展趋势，将主要功能分类成可重用的众多“服务”。彼此之间采用轻量化接口通信。主要目标是确保5G系统的效率化、软件化、开放化。SBA的本质是按照“自包含、可重用、独立管理”三原则，将网络功能定义为若干个可被灵活调用的“服务”模块。在此基础上，运营商可以根据业务需求灵活定制网络。

　　SBA网络架构具备三大特征：①松耦合的微服务；②轻量高效的服务调用接口；③自动化、智能化的服务管理框架。在SBA中，网络功能间的交互由“服务调用实现，每个网络功能对外呈现通用的服务化接口，可被授权的网络功能或服务调用。而传统2G、3G、4G网络架构采用的是“点对点”的架构，网元和网元之间的接口需预先定义和配置，且定义的接口只能用于特定的两类网元间使用，灵活性不强。

　　3GPP在Release 15选定了SBA接口的协议实现组合：TCP、HTTP/2、JSON、Restful、OpenAPI 3.0。这种协议设计带来诸多优点：便于采用新的互联网技术、实现快速部署、面向连续的集成和发布新的网络服务、便于运营商自有或第三方业务开发。

　　SBA的协议也将持续优化，如HTTP/2承载于IETF QUIC/UDP、采用二进制编码方法（如CBOR）等是后续演进的可能的技术方向。

　　2.2.3移动边缘计算MEC

　　从现有移动网络的角度出发，通过移动接入网、核心网、负载网、内容叠加网、业务平台等实现用户终端与业务平台之间的数据流。在面向未来新的业务场景,特别是URLLC场景,此种刚性网络架构引入的端到端的时延,不利于URLLC场景的实施和此场景下的用户体验,而且也对网络带宽,特别是汇聚层和骨干层的网络带宽带来很大的压力,导致流量增长与网络带宽的失衡。

　　移动边缘计算(MEC)技术是为了在TD-LTE无线网络侧增加计算、存储和处理功能，并构建一个开放的嵌入式应用平台[13]。通过开放的无线API实现无线网络与业务服务器之间的信息交换，实现了TD-LTE无线网络WI的集成。服务，为行业提供个性化和差异化服务，提高TD-LTE网络的利用率。MeCC提供移动用户附近的信息技术服务环境和云计算能力,并将内容分发推送到用户端(如基站),并使应用、服务和内容在分布式环境中部署,以便可以更好地支持5G网络中低延迟和带宽的业务需求。

　　在5G网络架构中图2-4，UPF可以提供分流功能，PCF实现分流策略的控制。MEC服务需要的分流规则，通过接口告知PCF，PCF将分流策略配置给SMF，再由SMF发送给基站和UPF，最终由UPF实现分流功能。比如：AR/VR/Vehicle网络服务允许在接入云中部署UPF和MEC。在此融合方案下，基站网元CU-U，CU-C，核心网网元UPF，业务服务器EC组成的uRLLC场景网络切片，可以描述成如下NFV管理模型：CU-C和CU-U各自抽象成一个VNF；核心网网元UPF抽象成一个VNF；不同的业务EC抽象成独立的VNF；不同的VNF之间使用C-RAN网络公网IP地址进行通信。

　　2-4 5G网络架构

　　MEC的典型应用：

　　1、位置定位：MEC业务平台利用RNIS接口，将网络测量报告上报给应用，应用计算UE位置，并将计算后的的结果，反馈给后端的业务服务器。

　　2、增强现实：现实信息采取本地部署，MEC上部署AR高速缓存应用，MEC完成大部分的AR信息请求处理，提高处理效率提升用户体验。

　　3、大视频：在MEC本地就将高带宽的视频数据进行分类管理、特征分析，然后将关心的时间、元数据和视频片段进行压缩后变成低带宽的数据流上报。

　　4、AI-RAN：MEC获取到基于UE的RAN信息后，通知内容优化器，优化器根据RAN信息进行优化（用户属性脚本、小区符合、链路质量等），提高用户体验。

　　5、高速CACHE：本地CACHE可降低回传带宽压力，DNS开始可降低响应时延。

　　6、自适应应用优化：MEC部署应用感知优化APP，上报MEC平台收集的RAN信息（用户小区负载等），应用根据用户当时实际的无线状态参数进行优化，比如调整编码方案等。

　　2.2.4网络切片技术

　　网络切片是5G时代理想的网络体系结构。这项新技术允许运营商切断硬件基础设施中的多个虚拟端到端网络[14]。每个网络层从设备到接入网到传送网络到核心网的逻辑隔离，并适应不同类型业务的不同特性。对于每个网络层，都充分保证了虚拟资源、网络带宽和服务质量等专有资源。由于片是相互隔离的，切片错误或故障不会影响其他片的通信。为什么5G需要网络切片呢?从过去到现在的4G网络，移动网络主要服务于手机，一般来说，它只是对手机进行了一些优化。然而，在5G时代，移动网络需要服务于各种类型和需要的设备。更广泛的应用场景包括移动宽带、大规模物联网和关键任务物联网，它们都需要不同类型的网络，在移动性、计费性、安全性、策略控制、延迟、可靠性等方面都有不同的要求[11]。5G的无线接入网和核心网:NFV。在今天的移动网络中，主要设备是移动电话。RAN(DU和RUS)和核心功能是由RAN制造商提供的专用网络设备构建的。为了实现网络切片，网络功能虚拟化是一个先决条件。基本上，NFV的主要思想是在包核中部署网络功能软件(MME、S/PGW和PCRF)和DU-INRANN，它们部署在商业服务器上的虚拟机上，而不是部署在它们专用的网络设备上。通过这种方式，RAN被用作边缘云，核心函数用作核心云。使用SDN在边缘和虚拟云之间配置VM连接，然后为每个服务创建切片，例如电话芯片、大规模IOT芯片、关键任务IOT芯片等等。到目前为止，我们需要为不同需求的服务创建专用切片。根据不同的服务特征，虚拟网络功能被放置在每个片的不同位置，即边缘云或核心云。此外，一些网络特性，如计费、策略控制等，在某些片中可能是必需的，而在其他网络片中则不是必需的。运营商可以按他们想要的方式定制网络切片，这可能是最具成本效益的方法。边缘和核心云之间的网络切片：IP/MPLS SDN。虽然软件定义网络在引入时是一个非常简单的概念，但是它变得越来越复杂。以覆盖范围为例，SDN技术可以在现有网络基础设施之间提供虚拟机之间的网络连接。在服务器管理程序中，运行内置的VRouth/VSwitter。SDN控制器在虚拟化服务器和DCG/W路由器之间提供隧道配置，以便在MPLS)云数据中心中创建VPN，并为每个虚拟机在核心云(例如5 GIOT核)和DCG/W路由器之间创建SDN隧道。SDN控制器然后管理这些隧道和MPLS L3VPN(例如物联网/VPN)之间的映射。在边缘云中，从边缘云到IP/MPLS主干网和核心云创建物联网的过程是相同的。这一过程可以在现有成熟技术和标准的基础上实现。

　　2-5非漫游参考架构下的5G网络结构

　　网络功能：

　　1、AMF:注册管理，连接管理，可达性管理，移动管理

　　2、SMF：会话管理会话建立，修改和释放；

　　UE IP地址分配和管理；

　　UP功能的选择和控制；

　　配置UPF的分流；

　　确定会话的SSC模式。

　　3、UPF：分组路由和转发；

　　上行链路分类器，用于支持将业务路由到数据网络；

　　分支点支持多宿主PDU会话；

　　用户平面的QoS处理流。

　　4、PCF：门控、应用和业务数据流检测规则、QoS和基于流的计费规则；

　　下发应用和业务数据流描述模板。

　　5、NRF:支持业务发现功能。从NF实例接收NF发现请求，并向NF实例提供发现的NF实例的信息。

　　2.4 5G核心网接口协议栈

　　2-6控制面协议栈

　　NR控制面协议几乎与LTE协议栈完全相同，自上而下：NAS层（非接入STATRU）、RRC层（无线资源控制）、PDCP层（分组数据汇聚协议）、RLC层（Radio Link Con trol）、MAC层(Medium Access Control)、PHY层(Physical)

　　UE所有的协议栈都位于UE内；而在网络侧，NAS层不位于基站gNB上，而是在核心网的AMF（Access and Mobility Management Function）实体上。还需要强调的是，控制面协议栈不包含SDAP层。

　　2-7用户面协议栈

　　与LTE协议栈相比，NR用户平面具有一层SDAP，用户面协议自上而下遵循：

　　SDAP层、PDCP层、RLC层、MAC层、PHY层

　　PDU会话级别的封装：N3接口GTP-U封装、N9接口5G封装；一个PDU会话的路径上，可能包含多个UPF；N9接口可能在PLMN内或者PLMN之间。

　　如果PDU会话的数据路径上有上行数据分类器（简称UL CL）或者分支点（简称BP），则UL CL或者BP扮演图中的非会话锚点的UPF。此时，可能有多个N9接口从UL CL/BP分流到不同PDU会话锚点。UL、CL或者BP在实际部署的时候可以合设。

　　2.5.1 D-RAN到C-RAN的转化

　　基站一般由三部分组成：射频远程单元RRUU、基带处理单元BBU和天线。

　　1、1G和2G时代：BBU RRU和电源都在一个柜子里，空间很拥挤。2、3G时代：提出了分布式基站。也就是说，即使在天线下，BBU和RRU也可以与RRU分离，而不必与BBU位于同一个机箱中。这就是所谓的D-RAN（分布式无线接入网）。

　　3、5G时代：C-RAN仍然是分离BBU和RRU的解决方案，但RRU无限接近天线，大大减少了馈线(天线和RRU连接)的衰减；同时，它在CO-(中央机房)中迁移和集中。5G年龄：C-RAN仍然是分离BBU和RRU的解决方案，但RRU无限接近天线，大大降低了馈线(天线和RRU连接)的衰减。同时,BBU迁移并集中在CO(中央机房)。形成BBU基带池；而CO与RRU通过前传网络连接。这样对小区间的协同工作十分有利。

　　2.5.2 C-RAN的理念与优势

　　C-RAN有如下四个特点：Centralization（集中化）、Cloud（云化）、Cooperation（协作）、Clean（清洁）。

　　这四个理念形成了C-RAN的优势：

　　1、无线性能方面：BBU的集中化减少了BBU之间的延迟，保证了小区的边缘吞吐量。RRU与用户之间的距离大大缩短，从而减少了传输功率(这意味着用户终端的电池寿命更长，无线接入侧的功耗更低)；所有基站共享基带池，并且处理资源得到最佳利用[7]。

　　2、成本方面：机房数量、场地匹配、场地租赁等成本都大大降低，节省了施工和运营成本；无线侧管理趋于统一，降低了扩建和升级成本。

　　2.5.3 C-RAN网络演进

　　1、RRU拉远

　　2-8 RRU拉远示意图

　　RRH：指射频拉远单元。

　　BBU：基带处理单元。它一般放在基站附近的机房里。

　　D-RoF：数字光载无线通信。特指RRU到BBU这一段的传输；一般利用光纤进行回传。

　　CSG：基站侧网关。该装置主要用于承载网络层，最终将信息发送回IP/MPLS网络。

　　虽然传统的宏站RRU和BBU是分开的，但它们仍然在同一个机房里。这使得天线和RRU之间的馈线非常长。它给数据通信增加了许多衰变。实际上，任何下降都意味着再投资。在C-RAN中，RRU可以放置在天线下面，直接与天线连接到塔上，减少了馈线上通信的损失[3]。

　　2、BBU集中

　　从RRU到BBU之间的传输叫做“前传”；这一部分通常使用光纤进行传输。从图2-10中可以看出，在传统的方案中，BBU需要放置在机房中，而在C-RAN中，所有的BBU都必须放在机房中。减少机房的数量意味着更少的钱。

　　3、BBU虚拟化

　　BBU集中化意味着商业服务器可以完成日常的大部分处理.这种虚拟化的方式简化了网络管理，并使得资源池和无线资源得到了有效协调。

　　2.6.1 D2D通信优势

　　基于蜂窝网络的D2D通信表示用户数据可以在终端之间直接传输，而不需要网络传输。其主要具备下面的优点:

　　1、提高频谱效率

　　在D2D通信环境中，用户数据能在终端间顺利传送，防止蜂窝通信中用户信息在互联网上的传送，进而形成链路增益。其次，能重用D2D用户和D2D与蜂窝的资源，进而形成资源重用增益，且利用链路增益与重用增益进行资源优化。无线频谱资源效率变高，进而提升综合吞吐量。

　　2、提高用户体验

　　目前移动通信服务与科技得到良好的发展，表现出邻近特点的用户之间的密切信息共享、小范畴社会与商业项目和基于本地相关用户的服务开始变成目前与未来某个时期的关键增长点。目前与用户感知相关的D2D技术的使用，也许会提升用户在以上业务形式中的真实体验。

　　3、扩展通信应用

　　原本的无线通信网络标准相对严苛的通信基础设备,核心网络设备或接入网络设备受损也许就会造成通信系统无法顺利使用。D2D通信引入促使蜂窝通信终端顺利创建Ad Hoc网络。在无线通信基础设备受损或位于盲区时，终端就能通D2D完成端到端通信，乃至连接蜂窝网络，持续延伸无线通信的使用范围。

　　2.6.2 D2D通信应用场景

　　思考到无线通信的未来趋势，D2D通信在5G网络内的关键应用方案为：

　　本地业务一般被诠释成业务数据.其能从用户端传送到网络侧，比如核心网。此部分业务的主要案例是社会应用程序，基于周边的社会应用程序能被当做D2D技术最主要的使用场景。比如,用户能利用D2D的寻找功能在周围区域中寻找到感兴趣的用户,此外能利用D2D通信功能在周边用户内传送数据。比如内容分享、互动沟通等。

　　本地业务的主要应用程序范围是信息传输。局部数据传输主要使用D2D的邻近性与信息的直接特性。其节约频谱资源，延伸移动通信的现实使用场景，为运营商寻找到全新效益增长点。比如，基于相邻特征的本地广告服务能精准寻找用户且进一步提升宣传效率：进入购物中心或接近商店的用户,可以了解到产品广告、折扣与促销信息。通过商人,电影院能制定促进自身发展的计划,将电影预告宣传给周围的用户。

　　本地服务的主要应用就是蜂窝网络服务的卸载(卸载)。目前高清视频等媒体服务开始被大众多了解，其现实业务特性让运营商核心网络与频谱资源承担较大的压力。基于D2D的本地媒体业务主要使用D2D通信的局部特点，节约运营商的核心网与相关资源。比如，在热点区域，运营商或内容供应者能筹备媒体服务器，目前常见的媒体服务都能存放在上述服务器内。,此类服务器通过D2D模式为有现实需求的用户提供专业服务。其次,用户能利用D2D得到媒体服务，得到相应的媒体信息,进而避免运营商蜂窝网络的下行传输负担。另外，临近用户间的蜂窝通信能切换到D2D通信形式，进而完成此类业务的卸载。

　　在地震等相关灾害出现的时候，传统通信网络的主要设备受到破坏，有时候会导致网络无法使用，导致救援活动无法顺利进行。D2D通信引入就可以妥善处理此类问题。假如通信网络相关设施受损，终端依旧能创建基于D2D连接的无线通信网络。此网络组成基于多跳D2D的adhoc网络，确保终端间的无线通信顺畅，为救灾活动提供相应的条件。另外，因为地形、建筑物等相关条件的影响，无线通信网络内一般有盲点。因为单个或多个跳D2D,覆盖盲区内的用户能在网络覆盖领域内接入用户终端,且和用户终端接入无线网络。

　　移动通信主要目标就是创建多种互联网网络，主要包括各类终端，还是物联网在蜂窝通信结构内发展的源点。据业内人士透露，全球将有大概五百亿个蜂窝进入终端，此处大部分是具备物联网特质的机器通信终端。假如D2D技术和物联网彼此融合，也许就会出现全面互联的无线网络。

　　在物联网内，强化D2D通信的主要场景是车辆网络内的V2V(Vehicleto-Vehicle)通信。比如,在正常行驶时期,可以通过D2D通信的方式来警告车道变换和减速的操作。车辆周围的其他车辆根据所接收的警告警告驾驶员,即使在紧急情况下,以缩短驾驶员在车辆面临紧急情况时的响应时间。低交通事故的出现概率。另外，使用D2D发现技术，车辆能精准辨别周围相关车辆，比如利用交叉口的隐藏危险车辆、值得关注的特定特征的车辆(比如车辆CARRI)，校车等。

　　基于通信延迟和邻近性发现的特点,基于终端的D2D在车辆安全行业具有突出的优点。

　　在目前的5G网络中，因为出现众多物联网终端，网络接入负载是值得关注的现实问题。基于D2D的网络接入也许就可以处理上述问题。比如，在超大的终端场景中，众多低费用终端并非接入到基站中，主要是利用D2D方式连接到周边的专用终端，蜂窝网络利用此类终端联系。假如部分特殊终端在空间领域内出现一定程度的隔离，此时用于低费用终端接入的无线资源可以在众多专用终端间重用，不只可以减少基站负担，此外还能提升频谱效率。另外，和目前的4G小区系统结构进行比较，上述基于D2D的接入形式更加便利和便宜。

　　先进的模式切换可以最大限度地提高无线通信系统的功能。原本内的蜂窝通信形式。基于蜂窝网络的D2D通信的完成，可以在一定程度上促进智能家居行业的发展。

　　5 G D2D应用也包含用户MIMO增强、协作中继、虚拟MIMO与相关隐藏场景。比如，在原本的多用户MIMO技术中，基站依照终端的信道反馈来保障预编码权值，进而创建零捕获，处理多用户之间的影响。引入D2D之后，能在配对多用户间全面传播信道状态数据，促使终端可以把联合信道状态信息传播给基站，提升多用户MIMO的功能。

　　另外，D2D还能协助处理全新的无线通信场景的问题与现实需求。比如，在室内定位行业。假如终端位于室内，卫星信号一般无法使用，所以原本的卫星定位方式不能顺利使用。基于D2D的室内定位能利用对现有室外位置信息或公共定位终端的预部署终端来明确具体位置。其能通过较低费用扶持5G网络的室内定位。

　　2.6.3 D2D通信关键技术

　　1、D2D发现技术

　　相邻D2D终端的检测和识别得到了初步的实现。在多跳D2D网络中,需要考虑满足5G特定场景要求的路由技术，例如在超高密度网络中的高效发现和车辆网络场景中的超低延迟需求。

　　2、D2D同步技术

　　固定场景，比如覆盖场景或多跳D2D网络，对系统同步特性提出更大的挑战。

　　3、无线资源管理

　　5G D2D调度和无线资源管理问题之所以可以包括无线比传统的蜂窝网络更为复杂，主要就是它包括了组播、单播等通信模式,以及多跳、中继等应用。

　　4、功率控制和干扰协调

　　D2D通信因为基于蜂窝网络，其体现的最大的优势就是与传统的点对点(P2P)技术相比，它在干扰控制方面比较优越。然而,在蜂窝网络中，蜂窝通信也会被D2D技术所干扰。此外，在5G网络的D2D中，还考虑了多跳和未经授权的LTE频段的应用和高频通信。功率管控与干扰协调问题的分析更加重要。

　　其包含蜂窝模式和D2D模式转换，上述模式和其他P2P通信模式的切换，授权频谱D2D通信的切换，和LTE-UD2D通信。领先的切换形式可以将无线通信系统的性能最大限度地提高。