作者：陈山枝 王胡成 时岩
出版社：人民邮电出版社有限公司
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
5G 移动性管理技术试读：
前言
随着信息社会的发展，移动通信不仅要满足人类的通信需求，还要支持人与物、物与物之间的通信，为人类构建全方位的信息通信生态系统，这样才能促进传统产业升级和催生新兴产业，带来生产力的发展和社会文明的进步。因此，新一代移动通信系统5G除了服务于各种新型的移动互联网应用，还需要向物联网领域渗透，与工业控制、远程医疗、智能交通等垂直行业深度融合，支撑智慧城市、车联网、无人机网络等多种新兴信息产业的发展。
移动性管理是移动通信系统中最具代表性的关键技术之一，能够保证移动用户在跨基站、跨网络、跨运营商乃至跨终端、跨应用平台移动时的通信连续性和一致性业务体验。传统移动通信网络中主要支持以人为中心的通信，因此其移动性管理机制相对简单，即采用集中式的切换控制和位置管理。在5G网络中，以人为中心的通信与机器类通信共存，移动性场景也更加丰富多样，既存在普通用户的移动场景，还需支持不同运动速度的移动性、游牧接入、群组移动性以及海量物联网设备的多样化移动性，将是人—物—服务的多元移动、通信—计算—存储资源的多维迁移。因此，5G系统需要设计新的移动性管理技术，能够应对多样化、差异化的移动性管理的需求和挑战。
本书以5G面临的新场景和新需求为导引，首先，系统介绍5G的研究和标准化概况，以及5G网络的整体架构和关键技术。接着，总结了在新场景、新需求下， 5G移动性管理技术所面临的问题和挑战，并给出这些问题和挑战的应对方法，即按需移动性管理技术。通过阐述5G按需移动性管理技术的概念、基本特征和工作流程，让读者了解5G移动性管理技术的工作原理和区别性特征。此外，还介绍了标准化组织的研究内容，从产业视角说明5G新型移动性管理技术的设计初衷和考虑，如移动边缘计算中的移动性管理技术。最后，展望了移动性管理技术的发展，列举了若干研究方向。
本书融入作者多年来从事移动性管理相关研究和标准化工作的成果，同时也得到了北京邮电大学杨谈、胡博等多位研究工作者的帮助，其中，杨谈老师重点参加了移动边缘计算中的移动性管理技术的编写工作，我们在此深表感谢。
本书的撰写得到了中国信息通信科技集团大唐移动通信设备有限公司相关专家的关心和帮助，在此深表谢意。
本书的部分成果得到了国家自然科学基金杰出青年基金项目“移动性管理理论、方法和关键技术研究（课题编号61425012）”、“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项课题、“5G超密集组网技术与试验系统研发（课题编号2016ZX03001017）”和“5G新型移动性管理技术研发、标准化和验证（课题编号2017ZX03001014）”的资助，特此感谢！
希望本书能够对移动通信领域的研究人员和开发人员起到积极的参考和借鉴作用。由于作者的时间和水平有限，书中难免有偏颇和不当之处，敬请读者批评指正。作者2019年8月于北京第1章 5G概述
与传统移动通信系统相比，5G具有更广泛的应用场景，涵盖移动互联网和物联网的各个领域，不仅用于提供传统的通信服务，更将渗透工业控制、智能交通、远程医疗等垂直行业，构建新的信息产业经济生态。可以说，5G对社会经济的发展和人类文明的进步具有重要的推动作用，因此多个国家也将5G的发展提高到国家战略的高度。
5G技术研究和标准制定由全球合作完成，最终的技术标准在国际标准化组织3GPP落地。第一个版本（Rel 15）的5G技术标准在2018年6月发布，其中不仅支持了许多新的无线接入技术，还采用新的IT理念重新设计了整个网络架构。5G系统支持的新型无线接入技术主要包括无线接入侧的大规模多天线技术、超密集组网技术、非正交多址技术、高频通信技术、车联网直通技术等。5G网络架构以SDN/NFV技术为基础，支持网络的软件化和网络功能的模块化，实现利用网络切片来服务垂直行业的差异化需求。本章首先介绍5G研究与标准化的概况，然后简要介绍5G网络架构和关键技术。|1.1 5G新需求|
从1979年美国芝加哥第一台模拟蜂窝移动电话系统的试验成功至今，每一代移动通信系统都是在其标志性技术的基础上，因业务/用户的特定需求而诞生的。第一代移动通信系统（1G,1st Generation [1]Mobile Communication System）出现在蜂窝系统理论提出之后 ，采用模拟技术，主要满足人们无线移动通信的需求。随着数字技术的发展与成熟，为了提高移动通话的质量，出现了支持数字化语音业务的第二代移动通信系统（2G,2nd Generation Mobile Communication [2]System）。20世纪末，IP（Internet Protocol）和互联网技术的快速发展改变了人们的通信方式，在传统的语音通信的基础上，人们还期望移动通信网络能够提供数据业务，于是出现了支持数据业务的第三代移动通信系统（3G,3rd Generation Mobile Communication System）。21世纪飞速发展的信息技术带来了更高速率的互联网业务，这对3G系统的数据服务能力提出挑战，因此为实现移动网络宽带化的第四代移动通信系统（4G,4th Generation Mobile Communication System）应运而生。4G网络是全IP化网络，主要提供数据业务，其[3]数据传输的上行速率可达50 Mbit/s，下行速率可达100 Mbit/s，基本能够满足传统移动宽带业务的需求。然而移动互联网和物联网的快速发展几乎颠覆了传统的移动通信模式，促使产业界和学术界开始了对未来移动通信网络的探索和研究。而作为下一代移动通信网络的第五代移动通信系统（5G, 5th Generation Mobile Communication System）则成为国内外信息技术领域的研究热点。
同前四代移动通信相比，5G除了服务于传统的语音和数据业务，还将服务于各种新型的移动互联网应用，并进一步向物联网领域渗透，与工业控制、远程医疗、智能交通等垂直行业深度融合。目前，针对未来5G典型的移动通信场景的研究显示，未来5G网络将服务于人们居住、工作、休闲和交通等各种场所，涵盖了住宅区、办公室、[4]体育场、露天集会、高铁等多种场景 。ITU-R（International [5]Telecommunications Union-Radio Communications Sector）提出将未来5G的移动通信场景分为三类：增强的移动宽带（eMBB, Enhanced Mobile Broadband）、大规模机器类通信（mMTC,Massive Machine Type Communications）和高可靠低时延通信（URLLC,Ultra-[5]Reliable and Low Latency Communications），如图1-1所示。5G技术的国际标准化组织3GPP （3rd Generation Partnership Project）下的需求研究组——SA1工作组根据5G业务需求，将5G应用场景根据[6]性能要求总结为4类 ：增强的移动宽带（eMBB）、关键通信（CriC,Critical Communication）、大规模物联网（mIoT,Massive Internet of Things）和车联网通信（eV2X,Enhanced Vehicle to Vehicle or Infrastructure）。我国IMT-2020（5G）推进组也在其发布[7]的《5G概念白皮书》中，将5G场景分为广域连续覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠共4个场景。这些新型移动通信业务不仅对未来5G网络的传输速率、流量、频谱、能耗等方面提出了[8]新的需求和挑战 ，也对5G网络架构和网络管理方面提出了新的需求和挑战，例如，多样化的移动性支持需求及其对现有移动性管理的挑战，具体可包括高速移动性支持、游牧接入支持、群组移动性支持，以及对海量物联网设备接入的支持等。图1-1 ITU-R对5G网络中通信场景和业务的分类
面向2020年及未来，不同业务场景对5G系统提出了不同的需求，不同需求也决定了不同的网络性能指标。
超高清、3D和沉浸式视频的流行将会驱动数据速率大幅提升，[9]如8K （3D）视频经过百倍压缩之后传输速率大约仍需要1 Gbit/s。增强现实（AR, Augmented Reality）、虚拟现实（VR,Virtual Reality）、云桌面、在线游戏等业务，不仅对上下行数据传输速率提出挑战，同时也对时延提出了“无感知”的苛刻要求。未来大量的个人和办公数据将会存储在云端，海量实时的数据交互需要可媲美光纤的传输速率，并且会在热点区域对移动通信网络造成流量压力。社交网络等OTT（Over-The-Top）业务将会成为未来的主导应用之一，小数据包频发将造成信令资源的大量消耗。未来人们对各种应用场景下的通信体验要求越来越高，用户希望能在各种环境下都能获得一致的业务体验。针对这些场景下不同的移动通信需求，5G移动通信系统需要满足更高的性能指标，如超高的流量密度、超高的连接数密度、超低时延、超高移动性的支持等，以支持更加丰富的业务应用和提供更好的用户体验。
另一方面，物联网业务类型将逐渐丰富，如智能家居、智能电网、环境监测、智能农业和智能抄表等业务，需要网络支持海量设备连接和大量频发小数据包的传输；视频监控和移动医疗等业务对传输速率提出了很高的要求；车联网和工业控制等业务则要求毫秒级的时延和接近100%的可靠性。物联网引入的通信场景更加复杂，大量物联网设备会部署在山区、森林、水域等偏远地区以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域，对移动通信网络的覆盖能力提出了新的要求。物联网和工业互联网为移动通信网络渗透到更多的垂直行业提供了契机，然而为了满足差异化物联网和工业互联网通信的需求，5G网络应具备更强的灵活性和可扩展性，提供基于需求的网络适变能力。图1-2总结了5G时代物联网业务类型及各类业务对5G网络的挑[4]战 。[4]图1-2 5G时代的物联网业务类型
针对5G网络中的新型通信场景，3GPP需求工作组SA1分别定义了具体的业务需求和网络性能指标。3GPP SA1工作组总结了5G应用场景并详细给出了各类应用场景对数据传输速率、时延、可靠性等关键性能指标的需求，如表1-1所示。其中，用户体验速率（bit/s）是2指真实网络环境下用户可获得的最低传输速率；连接数密度（/km）是指单位面积上支持的在线连接设备总和；端到端时延（ms）是指数据包从源节点开始传输到目的节点正确接收的时间；移动性（km/h）是指满足一定性能要求时，收发双方间的最大相对移动速度；流2量密度［bit/(s·km)］是指单位面积区域内的总流量；用户峰值速率（bit/s）是指单用户可获得的最高传输速率。表1-1 3GPP 5G业务性能需求指标
下一代移动网络（NGMN,Next Generation Mobile Network）组织同样调研了5G业务场景，并从运营商的角度定义了5G业务场景的需[9]求指标 ，其发布的《5G白皮书》从用户体验数据传输速率、端到端时延及其移动性支持等方面量化描述了不同场景下的业务需求，如表1-2所示。表1-2 NGMN用户业务需求指标
5G网络发展的驱动力不仅来自于用户与业务的需求，还来自于5G网络自身的自动化运维管理的需求，主要表现在：现有多制式共存造成的烟囱式网络使得运维管理复杂度增长，并使得用户体验下[10]降 ；现有移动通信网络的网络能效、比特运维成本、网络部署复[4]杂度等难以高效应对未来业务流量和数据连接的爆炸式增长 ；现有[11]网络部署的长周期特性阻碍了网络创新 ；现有移动通信网络资源的监控、管理和调度能力不足，难以实现精细化的网络功能部署和资[12]源弹性伸缩 ；现有移动通信网络能力开放不足，难以有效感知终端和业务的特征，无法智能高效地满足未来用户和业务的差异化需[4]求 。
综上所述，未来多样化通信场景下的业务需求和移动通信网络自身运维需求驱动了移动通信网络的发展，只有准确把握5G时代下的通信需求，真正抓住移动网络运营的痛点，才能研发出具有广阔应用前景的5G系统。|1.2 5G研究和标准化|
受到需求扩张和技术进步的驱动，全球早已掀起了对未来移动通信系统的研究热潮，各科研组织、产业联盟或实力厂商纷纷发布了相关研究进展。相关5G研究的技术成果最终在3GPP组织完成标准化。1.2.1 5G研究概况
2014年12月，下一代移动网络（NGMN）组织发布了《5G白皮
[9]书》。《5G白皮书》中指出：5G系统将是一个端到端的生态系统，能够实现网络高度融合，是多种接入技术、多层网络、多种设备和多种用户类型交互的异构网络环境，能够提供跨越时间和空间的、无缝的、连续的用户体验。NGMN从6个方面分析了5G需求，包括用户体验、设备、商业模式、管理和运营、增强服务和系统性能，指出5G系统将实现一个完全移动的、万物互联的信息社会，能够针对客户和参与者创造价值，传递连续体验和实现持续商业模式。NGMN给出了5G网络的设计原则，具体可归结为以下几点：采用成本高效的密集布置；支持动态的无线拓扑；简化核心网；利用网络切片提高系统的柔性功能和能力；鼓励价值创造，降低新业务部署的复杂度；保护用户的隐私；简化运维和管理。基于这些设计原则，NGMN提出了基于SDN（Software Defined Networking）、NFV（Network Function Virtualization）和云计算等技术的5G网络架构蓝图，倡导以用户为中心的灵活、智能、高效和开放的5G新型网络。
同年，欧盟的5G基础设施公私合作（5G PPP,5G Infrastructure Public Private Partnership）组织正式启动针对下一代移动通信网络及[13]其服务能力的研究，其报告 指出，5G发展的驱动力在于：为用户提供新的服务能力，保证用户体验的连续性，促进新业务，如物联网的发展；资源整合的需求，将通信、计算和存储资源整合到可编排的、统一的基础设施中；用户和社会对可持续和可扩展的网络新技术的需求；对技术和商业创新的生态环境的需求。5G中关键性能指标包括网络容量、低时延、高移动性、较准确的终端位置信息以及系统的可靠性和可用性。5G的设计原则主要是确保灵活、快速地适应多样化的应用需求、数据传输时的安全性和隐私性，以及可编程方式支持新的商业模式。5G的关键技术包括异构接入技术的融合、软件驱动网络（利用SDN、NFV、移动边缘计算等技术提高系统可扩展性和敏捷性）以及网络管理最优化。
2014年10月，4G Americas颁布了5G需求和解决方案的建议书 [14]，阐述了什么是5G时代的关键应用，存在什么样的挑战和需求，什么是新的关键技术和方案。4G Americas认为5G无线接入不仅与无线接口技术相关，还应该为人与设备提供无缝宽带接入的全面解决方案。因此，4G Americas详细地调研分析了5G的市场驱动、应用情况、需求、规则和技术，指出了潜在的5G网络技术，具体包括无线接入技术（RAT,Radio Access Technology）协同和管理、终端直通、高效的小数据传输、无线回传/接入整合、灵活的网络、灵活的移动性支持、上下文感知、信息中心网络。
国际电信联盟（ITU）从2012年就开始研究5G愿景和技术趋势，以凝聚全球对5G的共识。ITU-R已经对外发布了IMT-2020工作计划 [15]，计划于2016年年初启动5G技术性能需求和评估方法的研究，2017年年底启动5G候选提案征集，2020年年底完成标准制定。在5G时代，ITU除了关注无线空口技术和无线接入网络的发展之外，还更多地关注了网络架构。为此，ITU-T在下一代网络（NGN）研究组SG13下面新成立了焦点小组，专门研究IMT-2020网络架构所面临的问题、场景和需求，从而确定了2020年及之后的国际移动通信5G部署的网络标准化要求。由于SDN对网络技术的重大影响，SDN技术与移动网络出现了融合的趋势，ITU-T在2012年年中也开始了SDN与电信网络结合的标准研究，初步提出要在电信网络中引入SDN的网络架构。
3GPP最早在2014年11月启动了5G研究，当时沃达丰公司在3GPP SA1需求工作组会议上提交了一份关于5G潜在研究项目的报[16]告 ，其中指出了5G的4个方面驱动力：用户可感知的性能提升，在数据传输速率和时延上提供连续一致的用户体验；作为新业务的运营支撑平台，提供更有价值的网络服务，如保证通信的低时延、高可靠性等；降低运营成本，提高能效；提供按需服务的能力，向用户提供差异化、定制化的网络服务。由于国内外很多研究组织都已经启动了5G相关的研究，因此这份报告得到了绝大多数公司的支持。2015年2月，沃达丰公司在3GPP SA1工作组第69次会议上提出在3GPP Release 14阶段进行5G需求研究的建议，并牵头成立了SMARTER（New Services and Markets Technology Enablers）的研究立项，标志着3GPP开始了对5G系统的标准化研究。
为了抓住新的历史发展机遇，我国在经历了“2G追赶，3G突破，4G并跑”的进步之后，提出了“5G引领”的重大战略目标。为此，我国在5G相关研究上投入了大量的资金和人力。2013年2月，在工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部共同支持下，集合国内产学研界多方技术力量，共同成立了5G移动通信技术研究组织—IMT-2020（5G）推进组。IMT-2020 （5G）推进组为推动我国第五代移动通信技术的研究作出了重要贡献。其中， IMT-2020需求组于2014年5月发布了《5G愿景与需求白皮书》，明确了5G网络中的业务可分为移动互联网业务和物联网业务，并描述了不同业务在不同场景下的需求特征，由此启动了国内关于5G网络架构和关键技术的研究。2015年2月，IMT-2020无线技术组发布了《5G概念白皮书》，提出5G概念由“标志性能力指标+一组核心关键技术”共同定义，由此标志着我国5G工作从前期研究进入标准制定阶段。2015年5月，IMT-2020无线技术组发布了《5G无线技术架构白皮书》，提出5G无线技术路线，5G新空口的技术框架和关键技术。同时，IMT-2020网络组发布了《5G网络技术架构白皮书》，提出5G网络架构的设计原则，包括控制转发分离、控制功能重构、简化核心网结构、灵活高效的控制转发、支持高智能运营和开放网络能力，确定SDN和NFV技术为实施5G新型设施平台的基础。
IMT-2020（5G）推进组给出的5G网络逻辑架构如图1-3所示，架构主要由接入平面、控制平面和转发平面共同组成。根据其对5G网络架构的设计，接入平面包含各种无线接入设备，并能够对无线接入进行协同控制，提高了无线资源的利用率。控制平面通过网络功能重构，实现控制的集中化，从而对接入资源或转发资源进行全局调度。通过对控制平面功能的按需编排，可以实现面向用户与业务需求的定制化服务。另外，基于控制平面之上的网络能力开放层可以实现对网络功能的高效抽象，从而屏蔽底层网络的技术细节，实现运营商的网络能力向第三方应用的友好开放。转发平面包括网络中的转发功能、用户面下沉的分布式网关、边缘内容缓存等，转发平面接受集中的控制平面的统一控制，能够有效提高数据转发的效率和灵活性。图1-3 IMT-2020发布的5G网络逻辑架构
学术界同样在5G技术方面进行了大量的研究和探索。目前在网络架构及移动性管理方面取得的共识是，未来5G移动通信网络将服务于差异化业务场景，需要满足自动化运维的需求。因此5G网络需依赖SDN/NFV等技术实现控制平面与转发平面分离、网络功能的虚拟化以及网络功能的动态扩展和灵活部署，从而提高网络的适应性、敏捷性和创新能力；在服务差异化业务场景时，5G网络应能够针对具体业务场景的特点，有针对性地提供网络服务，如定制化的移动性管理和会话管理。
早期展开的5G网络架构和移动性管理技术的研究项目可分为两类：无线接入网架构研究和端到端网络架构研究。
1.接入网架构研究
早期接入网架构的研究重点主要集中在虚拟化和去蜂窝化方面。[17]
OpenRAN提出了一种基于虚拟化技术的软件定义接入架构 。该架构实现了对频谱资源、计算资源和存储资源的虚拟化，以及对虚拟化资源的动态分配，使得网络控制器可以基于业务需求动态创建和优化虚拟接入单元。
Softcell提出了一种基于SDN技术的可以实现精细化策略控制的[18]蜂窝移动通信网络架构 ，其主要构成包括部署在基站上的接入交换机以及部署在核心网的中心交换机和网络控制器。该架构通过分级的地址和策略标签，在接入交换机上进行数据细分，在中心交换机进行数据面转发规则的汇聚。
UUDN（User-Centric Ultra-Dense Networks）针对超密集部署场[19]景，提出建立以用户为中心的网络 ，突破传统以网络为中心的理念，基于去蜂窝化的思想，采用更加贴近用户的本地控制管理中心构建以用户为中心的虚拟伴随小区，通过高效的移动性管理，实现网随人动。同时，系统智能感知用户需求和网络状态，按需选择合理的接入方式和传输方式，实现以用户为中心的业务传输。另外，以用户为中心的超密集网络还引入了先进的干扰管理、灵活的无线回传、智能的网络编排、网络自优化等先进特性，提升网络容量和区域频谱效率，降低部署和维护成本，提升用户体验。
2.端到端网络架构研究
早期大量的端到端5G网络架构研究都借鉴了IT行业的SDN技术和电信业的NFV技术，希望利用SDN/NFV技术实现网络架构的灵活定义和网络功能的动态定制。
欧盟的FP7项目CROWD（Connectivity Management for eneRgy Optimised Wireless Dense Networks）子项目提出了一种用于支撑超[20]密异构无线网络的架构 。该架构中，网络中的网元可以被控制器动态地编排和重配置，以实现对网络性能的优化。CROWD网络采用了分级的SDN控制器，网络中的控制器分为两种：CROWD区域控制器（CRC,CROWD Regional Controller）和CROWD本地控制器（CLC,CROWD Local Controller）。CRC通常位于运营商网络的数据中心，主要用于根据网络的汇聚流量进行网络的长期优化，以及控制CLC的动态部署和生命周期管理。CLC通常位于回传网络或者基站内部，主要根据网络中的瞬时数据进行有限数目基站的短期优化。遵循SDN控制器的原则， CRC和CLC支持南向和北向接口，南向接口与移动通信网络中的网元相连，而北向接口提供了开放的API控制程序，使得控制程序无须关心网络中具体的数据处理，而仅关注于对网络的优化。控制程序实现的功能可以包括干扰抑制、WLAN （Wireless Local Access Network）优化、接入选择、基站管理、流量卸载等。
SoftNet（Software Defined Decentralized Mobile Network）提出[21]了一种面向5G的去中心化移动通信网络架构 ，能够根据具体通信场景的特点，如用户密度、用户的移动性信息、数据流量密度、流量特征等，以及网络的配置、运营商的策略、网络状态等，动态地激活位于统一接入网和基于SDN的核心网中的相关网络功能，从而智能灵活地定义网络架构，以提高系统性能和资源利用率，降低运维成本。
随着SDN/NFV技术的进一步成熟、5G网络需求的明确以及对5G网络及技术的探索，再加上NGMN组织以及3GPP组织在技术方向上的引导，学术界又提出了一些新的5G端到端网络架构。这些架构进一步延伸了SDN/NFV的思想，提出基于网络功能的虚拟化和动态编排按需定制网络能力，并引入了网络切片的概念。主要研究如下。
文献[22]提出了一种基于SDN思想的5G网络架构-SoftAir。SoftAir由数据平面和控制平面组成，数据平面进一步由软件定义的无线接入网和软件定义的核心网组成。SoftAir中的无线接入网采用类似C-RAN（Cloud-Radio Access Network）的设计，即基带处理单元集中到数据中心，而核心网的数据平面完全简化为SDN交换机的集合，控制平面仅由必要的网络管理功能和网络应用组成，包括移动性管理、流量路由、签约数据库等。
文献[23]认为移动通信网络的演进式发展已经难以跟上移动业务发展的需求，因此提出一种面向业务的端到端5G网络架构。该架构引入了逻辑集中的控制平面，主要由核心网控制器、接入网控制器以及业务协调功能组成，核心网控制器和接入网控制器需根据业务协调器的决策进行网络设置，以保证业务的端到端服务质量（QoS,Quality of Service）和用户体验。
文献[24]指出移动通信网络架构的发展方向是成为整合了多种技术和多样部署的“多个系统的系统”，每个系统都可以针对其实际用途被裁剪定制。基于此，作者提出了软件定义的移动网络控制架构，用于实现对控制平面移动网络功能的动态控制与编排，使得移动通信网络的控制平面功能能够被任意地部署在边缘云或者中心云中。
文献[25]指出5G网络架构设计需要综合考虑软件控制和硬件基础设施，以及二者之间的互操作。作者认为网络切片技术恰好可以在统一物理基础设施和共享网络资源上满足多样化的网络需求。基于这种考虑，作者提出了一种基于网络切片的5G系统架构。在该系统中，接入网的无线接入部分由支持多种接入技术异构网络组成，接入网的其他功能位于边缘云中，边缘云主要支持数据转发和基带处理；核心网的控制平面和用户平面都位于核心云中，位于核心网的SDN控制器可以通过集中方式来创建边缘云和中心云之间的映射，从而控制网络切片。
文献[26]针对未来移动通信网络提出了一种基于SDN和NFV技术的蜂窝网络架构—Cellular SDN。在该架构中，移动运营商能够感知用户数据并进行大数据分析，然后利用SDN/NFV技术实现动态的资源管理和智能业务编排，最终向用户提供定制化服务，提高网络资源利用率和用户体验。
由此可见，5G网络正朝着网络功能虚拟化、软件化、智能化的方向发展。提高网络面向差异化应用场景时的适应能力，使网络能够向用户提供按需服务成为5G网络架构及关键技术研究的焦点。1.2.2 5G技术的标准化进展
3GPP组织是5G技术标准化的主战场，但是3GPP主导的5G技术中也包含了其他研究组织的贡献，如ETSI（European Telecommunications Standards Institute）、NGMN、4G America、国内IMT-2020等组织的研究成果。
为了将国内的研究成果转化为国际标准，实现“5G引领”的目标，2015年10月，国内各厂商共同努力推动了5G系统架构标准研究项目NextGen（Next Generation）项目在3GPP SA2工作组的正式立[27]项 ，这标志着中国在移动通信技术标准化领域又一次取得了里程碑式的成果。NextGen项目主要从5G网络的架构和关键技术展开研究，研究内容包括5G系统架构、网络功能和接口、网络切片技术、移动性管理技术、会话管理技术、QoS控制、迁移与互操作等。该项目的研究成果和结论是3GPP 5G网络架构相关标准的技术基础，其提出的网络功能软件化、基于服务化网络接口的网络功能定制、网络切片，以及按需的移动性管理和会话管理成为5G网络技术的亮点。经过一年的标准研究， 2016年11月，再次由中国公司牵头在3GPP SA2工作[28]组联合提交了正式开展5G系统架构标准化工作的立项 ，即5G网络系统架构第一阶段（5GS_Ph1)项目，开始基于前期的研究成果进行5G网络系统的标准制定工作，该项目制定的标准涵盖了系统架构设计、移动性管理、会话管理、QoS控制、策略控制、非3GPP接入支持、语音与短信业务支持、LTE核心网系统之间的迁移与互操作等多个方面。
5GS_Ph1项目已经在2017年12月正式结项，相关的研究成果已经成功转化为Release 15版本的技术规范，主要分为：描述系统架构和网络功能的标准协议TS 23.501，描述系统工作流程的标准协议TS 23.502，以及描述策略与计费控制框架的标准协议TS 23.503。由于5G第一阶段的标准规范尚不完善，目前仍在维护当中。另一方面，3GPP启动了5G第二阶段的立项，展开了Release 16版本的5G技术研究，包括了网络技术和无线接入技术方向。在网络技术方向，3GPP网络架构组将5G物联网通信、网络切片增强、5G车联网架构、5G定位技术增强、5G低时延高可靠网络、5G网络自动化、垂直行业局域网、卫星接入网络架构等列为重要的研究项目。在无线接入技术方向上，3GPP确定了包括MIMO（Massive Input Massive Output）增强、52.6 GHz以上的5G新空口（NR,New Radio）、5G NR双连接、无线接入/无线回传一体化、5G新空口移动性管理增强、非正交多址接入等15个研究方向。|1.3 5G关键技术|
为了能够满足不同业务场景下的通信需求，保证用户体验，实现移动网络的高效运维，5G网络不仅在无线接入技术上要有突破，在网络技术方面也要有创新。在无线接入技术方面，将挖掘和引入能进一步提升频谱效率潜力的技术，如大规模天线技术、超密集组网技术、非正交多址技术、先进编码与调制技术、高频段通信技术、灵活双工、终端直通技术等。在网络技术方面，将引入使网络服务更智能、部署更灵活的技术，如控制与转发分离的软件定义网络（SDN）技术、网络功能虚拟化（NFV）技术、网络切片技术、移动边缘计算（MEC, Mobile Edge Computing）等。1.3.1 5G无线接入关键技术[29]
根据IMT-2020（5G）推进组的梳理，5G无线接入关键技术 主要有大规模多天线、超密集组网、非正交多址接入、高频通信、低时延高可靠物联网、灵活频谱共享、新型编码调制、新型多载波、机器通信（M2M）、终端直接通信（D2D）、灵活双工、全双工12项关键[30]技术。但是目前5G关键技术已经收敛 ，主要的关键技术包括：大规模多天线和非正交多址接入技术提升频谱效率，构成在“任何时间、任何地点”确保用户体验的关键技术；超密集组网和高频通信技[31]术提升热点流量和传输速率，基于LTE-Hi演进技术 的能力提升；低时延和高可靠技术拓展业务应用范围，成为5G物联网应用（如工业互联网、车联网）的关键使能技术。
1.大规模多天线（Massive MIMO）技术
传统的无线传输技术主要是挖掘时域与频域资源，20世纪90年代，Turbo码的出现使信息传输速率几乎达到了香农限。多天线技术将信号处理从时域和频域扩展到空间域，从而提高无线频谱效率和传输可靠性。多天线技术经历了从无源到有源，从二维到三维，从高阶MIMO到大规模阵列天线的发展。
从香农信息论可知，从1G到3G，通过调制与编码等技术进步来提高信噪比实现容量提升的方法已接近极限。而理论上，MIMO系统容量与天线数成正比，即增加天线数可以线性地增加系统容量。当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交。此时，用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将有效地提升每个用户的信噪比，从而能在相同的时域和频域资源共同调度更多用户。
随着关键技术的突破，特别是射频器件和天线等的进步，多达100个以上天线端口的大规模多天线技术在5G应用成为可能，是目前业界公认为应对5G在系统容量、数据速率等挑战的标志技术之一。在实际应用中，5G通过大规模多天线阵列，基站可以在三维空间形成具有更高空间分辨率的高增益窄细波束，实现更灵活的空间复用能力和改善接收端接收信号，并且更窄波束可以大幅度降低用户间的干[32]扰，从而实现更高的系统容量和频谱利用效率 。
大规模多天线技术在5G的潜在应用场景包括宏覆盖、高层建筑、异构网络、室内外热点以及无线回传链路等。在广域覆盖场景，大规模多天线技术可以利用现有频段。在热点覆盖或回传链路等场景中，则可以考虑使用更高频段。由此可见，大规模多天线技术是5G标志性技术之一，中国信科（大唐）国内各大通信厂商十分重视并投入了大量的人力、物力用于该项技术的研究，这使得我国在该项技术的标准化和产品研发等方面均处于国际领先地位。
2.超密集组网（UDN）技术
据统计，在1950—2000年的50年间，相对于语音编码和调制等物理层技术进步带来不到10倍的频谱效率提升和采用更大的频谱带宽带来的传输速率几十倍的提升，通过缩小小区半径（频谱资源的空[33]间复用）带来的频谱效率提升达到2700倍以上 。可见，网络密集化是5G应对移动数据业务大流量和剧增系统容量需求的重要手段之一。网络密集程度可以用单位面积内部署的天线数量来定义，有两种手段可以实现：多天线系统（大规模多天线或分布式天线系统等）、小小区的密集部署。后者就是超密集组网，即通过更加“密集化”的基站等部署，单个小区的覆盖范围大大缩小，以获得更高的频率复用效率，从而在局部热点区域提升系统容量到达百倍量级。典型应用场景主要包括办公室、密集住宅、密集街区、校园、大型集会、体育场、地铁、公寓等。
随着小区部署密度的增加，超密集组网将面临许多新的技术挑战，如回传链路、干扰、移动性、站址、传输资源和部署成本等。为了实现易部署、易维护、用户体验佳，超密集组网技术方向的研究内容包括以用户为中心的组网技术、小区虚拟化、自组织自优化、动态TDD、先进的干扰管理、先进的联合传输等。
3.非正交多址接入技术
多址接入技术是解决多用户信道复用的技术手段，是移动通信系统的基础性传输方式，关系到系统容量、小区构成、频谱和信道利用效率以及系统复杂性和部署成本，也关系到设备基带处理能力、射频性能和成本等工程问题。多址接入技术可以将信号维度按照时间、频率或码字分割为正交或者非正交的信道，分配给用户使用。历代移动通信系统都有其标志性的多址接入技术，即作为其革新换代的标志。例如，1G的模拟频分多址（FDMA,Frequency Division Multiple Access）技 术、2G 的 时 分 多 址（TDMA,Time Division Multiple Access）和频分多址（FDMA）技术、3G的码分多址（CDMA,Code Division Multiple Access）技术、4G的正交频分复用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术。1G到4G采用的都是正交多址接入。对于正交多址接入，用户在发送端占用正交的无线资源，接收端易于使用线性接收机来进行多用户检测，复杂度较低，但系统容量会受限于可分割的正交资源数目。从单用户信息论角度，4G LTE的单链路性能已接近点对点信道容量极限，提升空间十分有限；若从多用户信息论角度，非正交多址技术还能进一步提高频谱效率，也是逼近多用户信道容量界的有效手段。
因此，若继续采用传统的用户占用正交的无线资源难以实现5G需要支持的大容量和海量连接数。理论上，非正交多址接入将突破正交多址接入的容量极限，能够依据多用户复用倍数来成倍地提升系统容量。非正交多址接入需要在接收端引入非线性检测来区分用户，这得益于器件和集成电路的进步，目前非正交已经从理论研究走向实际应用。
图样分割多址接入（PDMA,Pattern Division Multiple Access）技[34][35]术 ，是大唐电信在早期SIC Amenable Multiple Access（SAMA）研究基础上提出的一种新型非正交多址接入技术。该技术采用发送端与接收端联合优化设计的思想，将多个用户的信号通过PDMA编码图样映射到相同的时域、频域和空域资源进行复用叠加传输，这样可以大幅度地提升用户接入数量。接收端利用广义串行干扰删除算法实现准最优多用户检测，逼近多用户信道容量界，实现通信系统的整体性能最优。PDMA技术可以应用于通信系统的上行链路和下行链路，能够提升移动宽带应用的频谱效率和系统容量，支持5G的海量物联网终端接入数量。根据大唐电信对PDMA仿真评估，PDMA能够使得系统下行频谱效率提升50%以上，上行频谱效率提升100%以上。采用PDMA与正交频分复用技术（OFDM）结合的接入方式时，能支持的终端接入数量相对于4G提升5倍以上。2014年，PDMA技术被写入[36]ITU的新技术报告IMT.Trend。
此外，华为公司提出的稀疏码分多址技术（SCMA,Sparse Code Multiple Access）和中兴公司提出的多用户共享接入技术（MUSA,Multi-User Shared Access）也都受到了业界的广泛关注。
4.先进编码与调制技术
编码和调制是移动通信中利用无线资源的主要技术手段之一。由于未来5G应用场景和业务类型的巨大差异，单一的波形很难满足所有需求，多种波形技术共存，在不同的场景下发挥各自的作用。新型多载波从场景和业务的根本需求出发，以最适合的波形和参数，为特定业务达到最佳性能发挥基础性的作用。
5G高速数据业务对编译码的复杂度和处理时延提出了挑战，低密度奇偶校验码（LDPC,Low Density Parity Check Code）在大数据包和高码率方面具有性能优势并且译码复杂度低，但编码复杂度相对[37]较高 。对于低速数据和短包业务，极化码（Polar码）是逼近信道[38]容量的新型编码 ，在小数据包方面有更好的表现，适用于对顽健性要求较高的控制信道，因此成为5G控制信道编码方案。
目前，5G三大应用场景都分别采用适宜的编码方式，其中，LDPC成为5G数据信道编码方案，中国公司主推的Polar码成为5G控制信道编码方式。
5.高频通信技术
目前蜂窝移动通信系统工作频段主要在3 GHz以下，用户数的增加和更高通信速率的需求，使得频谱资源十分拥挤。业界预测到2020年移动通信频率需求总量为1390～1960 MHz，我国预测结果为1490～1810 MHz，频率缺口达到1 GHz。频率短缺矛盾凸显，而在6 GHz以上高频段具有连续的大带宽频谱资源。目前业界研究6～100 GHz的频段（称为毫米波通信，mmWave）来满足5G对更大容量和更高速率的需求，传送高达10 Gbit/s甚至更高的数据业务。
高频通信已应用在军事通信和无线局域网，应用在蜂窝通信领域的研究尚处于起步阶段。频段越高，信道传播路损越大，小区覆盖半径将大大缩小。因此， 5G毫米波的主要应用场景是室内场馆、办公区覆盖及室外热点覆盖、无线宽带接入等，可以与6 GHz以下网络协同组成双连接异构网络，实现大容量和广覆盖的有机结合。在一定区域内基站数量将大大增加，即形成超密集组网（UDN）。高频信道与传统蜂窝频段信道有着明显差异，存在传播损耗大、穿透能力有限、信道变化快、绕射能力差、移动性支持能力受限等问题，需要深入研究高频信道的测量与建模、高频新空口和组网技术。另外，研制大带宽、低噪声、高效率、高可靠性、多功能、低成本的高频器件，仍是产业化的瓶颈，而我国产业在这方面差距更大。
6.双工模式
双工模式是指如何实现信号的双向传输。时分双工（TDD,Time-Division Duplex）是通过时间分隔实现传送及接收信号。频分双工（FDD,FrequencyDivision Duplex）是利用频率分隔实现传送及接收信号。从1G到4G,GSM、CDMA、WCDMA和FDD LTE都是FDD系统，以大唐电信为代表的我国企业主导的3G TD-SCDMA和4G TD-LTE都是TDD系统。最新的研究方向是全双工。
全双工是指同时、同频进行双向通信，即无线通信设备使用相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，理论上可使无线通信链路的频谱效率提高一倍。由于收发同时同频，全双工发射机的发射信号会对本地接收机产生干扰。根据典型蜂窝移动通信系统不同的覆盖半径，天线接头处收发信号功率差通常在100～150 dB，如何简单有效地消除如此大的自干扰是个难题，还有邻近小区的同频干扰问题，以及工程实现上的电路小型化问题。目前自干扰抑制主要有空域、射频域、数字域联合等技术路线，研究以高校的理论分析和技术试验为主，还没有成熟的产品样机和应用。另外，全双工在解决无线网络中某些特殊问题有优势，如隐藏终端问题、多跳无线网络端到端时延问题。
灵活双工能够根据上下行业务变化情况，灵活地分配上下行的时间和频率资源，更好地适应非均匀、动态变化或突发性的业务分布，有效提高系统资源的利用率。灵活双工可以通过时域、频域的方案实现。若在时域实现，就是同一频段上下行时隙可灵活配比，也就是TDD方案。若在频域实现，则是存在多于两个频段时，可以灵活配比上下行频段。若在传统FDD上下行的两个频段中，将上行频段的时隙配置可灵活上下行时隙配比，则是TDD与FDD融合方案，可应用于低功率节点。这种方案需要调研各国频率政策，分析现有政策是否允许此方式。
目前产业界公认在LTE演进上主要定位TDD+,5G低频段将采用FDD和TDD，在高频段更宜采用TDD,TDD模式能更好地支持5G关键技术（如大规模多天线、高频通信等）。有研究认为：全双工在5G中应用还不成熟，TDD和FDD都会得到应用且融合发展，但TDD在5G解决大容量和高频段中会起到主导应用，而且5G新空口极可能采[8]用TDD模式 。
7.车联网直通技术
车联网直通技术是指基于无线通信技术实现车联网中车辆与车辆之间的直接通信。具体到5G系统中，是指基于蜂窝移动通信系统的C-V2X（Cellular Vehicle to Everything）技术在5G中的演进。[39]
目前，国际上用于V2X通信的主流技术包括IEEE 802.11p和基于蜂窝移动通信系统的C-V2X技术。前者由IEEE进行标准化，后者由3GPP主导推动。基于4G、5G蜂窝网络技术演进形成C-V2X技术，根据所基于的移动通信系统技术，C-V2X又包括LTE-V2X和NR（New [40-41]Radio）-V2X。5GAA（5G Automotive Association）对IEEE 802.11p和LTE-V2X进行了技术对比，从物理层设计、MAC层调度等[42]角度进行对比分析 ，福特也在5GAA发布了与大唐电信、高通联合[43]开展的实际道路性能测试 ，表明LTE-V2X在资源利用率、可靠性和稳定性等方面具有优势。
LTE-V2X主要面向辅助驾驶和半自动驾驶的基本道路安全类业务，为了提供车辆直通通信技术，针对道路安全业务的低时延高可靠传输要求、节点高速运动、隐藏终端等挑战，进行了物理层子帧结构[44-47]增强设计、资源复用、资源分配机制和同步机制等技术增强 。NR-V2X将面向车辆编队行驶、车载传感器数据共享、自动驾驶和远程驾驶等场景，面临低时延、高可靠、高速率、高载频的应用需求。3GPP已于2018年6月启动NR-V2X的研究，预计2020年完成标准制定。其中，将从无线接入角度研究面向5G新空口的物理层帧结构增强、资源分配、同步机制、QoS管理，以及NR-V2X与LTE-V2X的共存机[48-51]制；将从系统架构角度研究与MEC/SDN/NFV结合的核心网架构 。1.3.2 5G网络关键技术
在目前研究和定义的各项5G网络技术中，影响到5G网络架构的关键技术主要有两种：网络切片技术和移动边缘计算技术。网络切片技术是SDN/NFV技术与移动通信网结合的产物，能够让5G网络按需提供定制化的网络服务。移动边缘计算技术则赋予5G网络更强的性能和更优质的服务能力。
1.SDN/NFV技术
软件定义网络（SDN）始于学术研究和数据中心，是一种网络设计理念和新型开放网络架构，具有控制与转发分离、控制逻辑集中和网络可编程三大特征。控制器具有全局网络信息、负责调度网络资源和制定转发规则等，网络设备仅提供简单的数据转发功能。层间采用开放的统一接口（如OpenFlow等）进行交互，这样有利于实现网络连接的可编程。
网络功能虚拟化（NFV）由电信运营商联盟提出，是一种软件与硬件分离的架构。NFV通过在业界标准的服务器、存储设备和交换机等硬件基础设施上采用IT虚拟化技术实现软件的动态加载，从而实现
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]