以用户为中心的5G关键技术
刘家祥 王达 2018-08-16 人民邮电报
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移动数据业务的爆炸式增长推动了移动通信的快速发展。5G通信系统能够达到10Gbps的下行峰值传输速率,旨在提供比LTE通信系统高1000倍的容量增益,100倍以上的连接数量和1/10的连接时延。与之前移动通信系统由技术驱动不同的是5G通信系统由业务驱动,提升用户体验成为其发展的原动力。用户为了获得极致的上网体验,需要超高的传输速率;物联网实现万物互联,机器类通信将产生海量设备接入需求;随着自动驾驶技术的应用与发展,需要提供高可靠低时延的通信作为支撑。基于以上需求,5G需要支持增强移动宽带、大规模机器类通信和高可靠低时延三大应用场景。

用户作为业务体验的主体,为用户提供个性化服务和高质量用户体验成为5G通信系统考虑的关键因素。为此,5G通信系统将突出“以用户为中心”,更加重视用户的个性化服务和用户体验。

目前,关于以用户为中心的5G关键技术在物理层、网络层和业务层都有涉及。

在物理传输方面,未来5G用户可以建立设备间的直连通信,克服了对基站部署的依赖;在网络选择方面,用户可以根据业务需求选择合适的接入节点;在业务服务方面,5G系统将管道精细化、网络智能化和服务内容多样化有机结合,真正实现了以用户为中心的服务体验。

D2D技术

D2D是指网络中近邻设备可以直接进行通信的技术。该通信方式给予用户更大的灵活性,通信过程不再依赖网络,D2D通信链路建立起来即可在没有网络设备干预的情况下传输数据,实现了用户间的直接通信。这种通信方式克服了基站位置固定的限制,并且可以在较低功率损耗水平下实现比基站转发更高的数据速率,更低的时延响应,非常适用于短距离通信。D2D体现了5G通信系统从传统的以基站为中心的通信模式向以用户为中心的通信模式的转变,面对复杂的通信场景需求,可以显著提高用户的通信体验。

D2D通信由于其通信距离较近,设备之间直接传输数据,具有以下优势。

提高频谱利用率:针对当前网络的上行链路负载低于下行链路负载的情况,D2D可以复用上行链路频谱资源建立连接以提高系统的频谱利用率,由于终端设备发射功率受限,对传统用户与基站间的通信干扰比较小。D2D用户还可以利用WIFI所在的非授权频段,扩大了5G系统的频谱资源范围,频谱效率可以得到显著提升。

提高信号覆盖质量:由于基站的位置相对固定,用户的活动范围要远大于基站的覆盖范围。在小区边缘可以采用中继的方式与基站进行通信,即小区边缘用户在信号质量难以满足通信需求的情况下与近邻用户设备建立一跳或多跳的D2D链路,最终通过覆盖信号好的用户设备将数据发送给基站,实现了边缘用户业务体验的提升,提高了基站的覆盖范围。除此之外,当遇到重大自然灾害基站不能工作时,D2D可以通过设备直连技术建立类似Ad-Hoc的网络,保障应急通信。

提高空分复用增益:受终端尺寸的影响,无法在终端侧配备大量天线以实现很高的空分复用增益。D2D技术可以实现用户间的协作通信,将多个终端设备的天线联合处理,与基站的多天线形成虚拟MIMO技术,通过与波束赋形算法的结合可以显著提高空分复用的增益。

超密集组网

5G将采用高频段进行部署,单小区的覆盖范围要小于LTE。为了达到5G要求的高峰值速率和系统容量,超密集组网技术成为解决这一难题的技术手段,通过密集部署基站来提升空间复用增益。随着小区部署数量的增多,同一用户被多个基站信号覆盖,而且不同基站支持不同的网络制式,例如GSM、LTE、5G等。如何对网络进行选择和切换,以达到更好的用户体验和服务一致性是超密集组网重点关注的问题。因此,5G组网策略的重心将从网络侧移动到用户侧,以用户为中心智能适配网络和用户需求,打破传统蜂窝网的小区边界限制实现网随人动,达到在复杂多样的无线网络接入环境下提供高质量业务服务的目的。

未来5G网络将会是宏基站和大量微基站密集部署的异构网络,由于基站间的距离减小,且很多基站覆盖范围重叠,基站间的相互干扰也相应增强。业界提出了簇化集中控制的方法,将小区划分为不同的簇来分配不同资源以减小小区间干扰。还提出了分布式的干扰管理办法,通过构建干扰矩阵的方式实现对载波、功率等的合理分配。

除了干扰管理,超密集组网场景还要考虑避免移动用户频繁发生小区切换的问题。解决这一问题的主流方法是利用多连接技术将用户控制平面的RRC连接始终由宏基站进行维护,在数据平面根据业务类型来决定合适的基站进行数据传输。针对时延敏感且数据速率要求不高的业务可以由宏基站进行传输,针对高速率时延不敏感业务可以在微基站进行传输。然而,以上方法是建立在有宏基站覆盖的场景下实现的,在无宏基站覆盖场景下,可以通过多个微基站使用相同的宏小区ID来建立虚拟宏小区,多个微基站共同维护用户的控制平面,同样可以达到减少切换频率的目的。

个性化服务

5G需要根据不同的业务特征,为用户提供个性化的服务。随着物联网、自动驾驶、虚拟现实、云计算等应用的层出不穷,其对数据传输速率、流量密度、时延、功耗等通信指标有着各自特殊的要求。5G将在QoS粒度方面进行细化,并且结合大数据、云计算、内容缓存等技术提升自身的服务能力,以用户为中心提供个性化的服务支撑能力。

在LTE系统中,端到端差异化的服务是通过承载体现出来的。端到端承载由EPS承载和外部承载构成;EPS承载又可分为E-RAB和S5/S8承载;E-RAB进一步分为无线承载和S1承载。不同的承载通过QCI参数区分不同的QoS服务质量。然而LTE在QoS控制方面处于较粗粒度,标准化的QCI值仅有9个,难以满足5G业务需求。因此未来5G会更加精细地对QoS进行划分,实现业务和通信指标的准确匹配,达到很好的服务效果。

5G除了要求在管道上做到精细化,还要做到智能化。通过与大数据技术的结合可以对用户行为进行分析。例如用户每天通勤的运动轨迹,用户对不同类型业务的偏好程度,用户的社交关系等等。通过对用户数据的收集、统计和分析,可以提取出大量有价值的信息,为网络配置提供指导。

5G系统还扩展了移动通信业务服务的维度,从单一地提供数据传输服务升级为提供计算、存储和通信的联合服务。移动边缘计算技术就是典型的代表,通过在无线接入网部署云服务器,可以为物联网设备提供计算卸载业务,克服了物联网设备能量和计算资源受限的劣势。移动边缘计算还可以提供内容缓存服务,将热门文件提前缓存在边缘服务器,可以极大减少用户访问资源的时延,与此同时实现了流量的本地化,节省了回传链路资源。

随着科技的发展,未来5G将会继续围绕提升用户体验这个核心目标运用更多新技术以更好地适应多样化场景需求。