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未來 5G 網(wǎng)絡正朝著網(wǎng)絡多元化,、 寬帶化,、 綜合化,、 智能化的方向發(fā)展,。隨著各種智能終端的普及,，面向 2020 年及以后,，移動數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長。在未來 5G 網(wǎng)絡中,， 減小小區(qū)半徑,， 增加低功率節(jié)點數(shù)量,，是保證未來 5G 網(wǎng)絡支持 1 000 倍流量增長的核心技術(shù)之一 。因此,， 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡成為未來 5G 網(wǎng)絡提高數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵技術(shù) [29]  ,。
未來無線網(wǎng)絡將部署超過現(xiàn)有站點 10 倍以上的各種無線節(jié)點，在宏站覆蓋區(qū)內(nèi),，站點間距離將保持 10 m 以內(nèi),，并且支持在每 1 km2 范圍內(nèi)為 25 000個用戶提供服務 。同時也可能出現(xiàn)活躍用戶數(shù)和站點數(shù)的比例達到 1∶ 1的現(xiàn)象,， 即用戶與服務節(jié)點一一對應,。密集部署的網(wǎng)絡拉近了終端與節(jié)點間的距離，使得網(wǎng)絡的功率和頻譜效率大幅度提高,，同時也擴大了網(wǎng)絡覆蓋范圍,，擴展了系統(tǒng)容量，并且增強了業(yè)務在不同接入技術(shù)和各覆蓋層次間的靈活性,。雖然超密集異構(gòu)網(wǎng)絡架構(gòu)在 5G 中有很大的發(fā)展前景,，但是節(jié)點間距離的減少，越發(fā)密集的網(wǎng)絡部署將使得網(wǎng)絡拓撲更加復雜,， 從而容易出現(xiàn)與現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)不兼容的問題,。在 5G 移動通信網(wǎng)絡中，干擾是一個必須解決的問題,。網(wǎng)絡中的干擾主要有：同頻干擾,， 共享頻譜資源干擾， 不同覆蓋層次間的干擾等?，F(xiàn)有通信系統(tǒng)的干擾協(xié)調(diào)算法只能解決單個干擾源問題,， 而在 5G 網(wǎng)絡中，相鄰節(jié)點的傳輸損耗一般差別不大,，這將導致多個干擾源強度相近,，進一步惡化網(wǎng)絡性能，使得現(xiàn)有協(xié)調(diào)算法難以應對,。此外,， 由于業(yè)務和用戶對 QoS需求的差異性很大，5G 網(wǎng)絡需要采用一些列措施來保障系統(tǒng)性能,，主要有：不同業(yè)務在網(wǎng)絡中的實現(xiàn),，各種節(jié)點間的協(xié)調(diào)方案,，網(wǎng)絡的選擇 ,， 以及節(jié)能配置方法等 [29]  。
準確有效地感知相鄰節(jié)點是實現(xiàn)大規(guī)模節(jié)點協(xié)作的前提條件,。在超密集網(wǎng)絡中,，密集地部署使得小區(qū)邊界數(shù)量劇增，加之形狀的不規(guī)則，導致頻繁復雜的切換,。為了滿足移動性需求,， 勢必出現(xiàn)新的切換算法；另外,，網(wǎng)絡動態(tài)部署技術(shù)也是研究的重點,。由于用戶部署的大量節(jié)點的開啟和關(guān)閉具有突發(fā)性和隨機性， 使得網(wǎng)絡拓撲和干擾具有大范圍動態(tài)變化特性,；而各小站中較少的服務用戶數(shù)也容易導致業(yè)務的空間和時間分布出現(xiàn)劇烈的動態(tài)變化 [29]  ,。
自組織網(wǎng)絡
傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡中， 主要依靠人工方式完成網(wǎng)絡部署及運維,，既耗費大量人力資源又增加運行成本,，而且網(wǎng)絡優(yōu)化也不理想。在未來 5G 網(wǎng)絡中,，將面臨網(wǎng)絡的部署,、 運營及維護的挑戰(zhàn)， 這主要是由于網(wǎng)絡存在各種無線接入技術(shù),， 且網(wǎng)絡節(jié)點覆蓋能力各不相同,，它們之間的關(guān)系錯綜復雜。因此,，自組織網(wǎng)絡(self-organizing network,， SON) 的智能化將成為 5G 網(wǎng)絡*的一項關(guān)鍵技術(shù) [29]  。
自組織網(wǎng)絡技術(shù)解決的關(guān)鍵問題主要有以下 2點：①網(wǎng)絡部署階段的自規(guī)劃和自配,；②網(wǎng)絡維護階段的自優(yōu)化和自愈合,。自配置即新增網(wǎng)絡節(jié)點的配置可實現(xiàn)即插即用，具有低成本,、 安裝簡易等優(yōu)點,。自優(yōu)化的目的是減少業(yè)務工作量， 達到提升網(wǎng)絡質(zhì)量及性能的效果,， 其方法是通過 UE 和eNB 測量,，在本地 eNB 或網(wǎng)絡管理方面進行參數(shù)自優(yōu)化。自愈合指系統(tǒng)能自動檢測問題,、 定位問題和排除故障,，大大減少維護成本并避免對網(wǎng)絡質(zhì)量和用戶體驗的影響。自規(guī)劃的目的是動態(tài)進行網(wǎng)絡規(guī)劃并執(zhí)行,，同時滿足系統(tǒng)的容量擴展,、 業(yè)務監(jiān)測或優(yōu)化結(jié)果等方面的需求。目前,，主要有集中式,、 分布式以及混合式 3 種自組織網(wǎng)絡架構(gòu),。其中， 基于網(wǎng)管系統(tǒng)實現(xiàn)的集中式架構(gòu)具有控制范圍廣,、 沖突小等優(yōu)點,，但也存在著運行速度慢、 算法復雜度高等方面的不足,；而分布式恰恰相反,， 主要通過 SON 分布在eNB 上來實現(xiàn)， 效率和響應速度高,， 網(wǎng)絡擴展性較好,，對系統(tǒng)依懶性小， 缺點是協(xié)調(diào)困難,；混合式結(jié)合集中式和分布式 2 種架構(gòu)的優(yōu)點,，缺點是設(shè)計復雜。SON 技術(shù)應用于移動通信網(wǎng)絡時,， 其優(yōu)勢體現(xiàn)在網(wǎng)絡效率和維護方面,， 同時減少了運營商的資本性支出和運營成本投入。由于現(xiàn)有的 SON 技術(shù)都是從各自網(wǎng)絡的角度出發(fā),， 自部署,、 自配置、 自優(yōu)化和自愈合等操作具有獨立性和封閉性,， 在多網(wǎng)絡之間缺乏協(xié)作,。因此，研究支持異構(gòu)網(wǎng)絡協(xié)作的 SON 技術(shù)具有深遠意義 [29]  ,。
內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡
在未來 5G 中,， 面向大規(guī)模用戶的音頻、 視頻,、圖像等業(yè)務急劇增長,， 網(wǎng)絡流量的爆炸式增長會極大地影響用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)的服務質(zhì)量 。如何有效地分發(fā)大流量的業(yè)務內(nèi)容,， 降低用戶獲取信息的時延,，成為網(wǎng)絡運營商和內(nèi)容提供商面臨的一大難題。僅僅依靠增加帶寬并不能解決問題,， 它還受到傳輸中路由阻塞和延遲,、 網(wǎng)站服務器的處理能力等因素的影響，這些問題的出現(xiàn)與用戶服務器之間的距離有密切關(guān)系,。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡 (content distribution network,， CDN) 會對未來 5G 網(wǎng)絡的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用 [29]  。
內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中添加新的層次,，即智能虛擬網(wǎng)絡,。CDN 系統(tǒng)綜合考慮各節(jié)點連接狀態(tài)、 負載情況以及用戶距離等信息,，通過將相關(guān)內(nèi)容分發(fā)至靠近用戶的 CDN 代理服務器上,， 實現(xiàn)用戶就近獲取所需的信息，使得網(wǎng)絡擁塞狀況得以緩解,，降低響應時間,，提高響應速度。CDN 網(wǎng)絡架構(gòu)在用戶側(cè)與源 server 之間構(gòu)建多個 CDN代理 server,，可以降低延遲,、 提高 QoS(quality of service)。當用戶對所需內(nèi)容發(fā)送請求時,， 如果源服務器之前接收到相同內(nèi)容的請求,， 則該請求被 DNS 重定向到離用戶近的 CDN 代理服務器上， 由該代理服務器發(fā)送相應內(nèi)容給用戶,。因此,， 源服務器只需要將內(nèi)容發(fā)給各個代理服務器， 便于用戶從就近的帶寬充足的代理服務器上獲取內(nèi)容,， 降低網(wǎng)絡時延并提高用戶體驗,。隨著云計算、 移動互聯(lián)網(wǎng)及動態(tài)網(wǎng)絡內(nèi)容技術(shù)的推進,， 內(nèi)容分發(fā)技術(shù)逐步趨向于專業(yè)化,、 定制化，在內(nèi)容路由,、 管理,、 推送以及安全性方面都面臨新的挑戰(zhàn) [29]  。
在未來 5G 網(wǎng)絡中,， 隨著智能移動終端的不斷普及和快速發(fā)展的應用服務,， 用戶對移動數(shù)據(jù)業(yè)務需求量將不斷增長， 對業(yè)務服務質(zhì)量的要求也不斷提升,。CDN 技術(shù)的優(yōu)勢正是為用戶快速地提供信息服務,，同時有助于解決網(wǎng)絡擁塞問題。因此,，CDN技術(shù)成為 5G *的關(guān)鍵技術(shù)之一 [29]  ,。
D2D 通信
在未來 5G 網(wǎng)絡中， 網(wǎng)絡容量,、 頻譜效率需要進一步提升,，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗也是 5G 的演進方向。設(shè)備到設(shè)備通信 ( device-to-device communication,，D2D) 具有潛在的提升系統(tǒng)性能,、 增強用戶體驗,、 減輕基站壓力、 提高頻譜利用率的前景,。因此,， D2D 是未來 5G 網(wǎng)絡中的關(guān)鍵技術(shù)之一 [29]  。
D2D 通信是一種基于蜂窩系統(tǒng)的近距離數(shù)據(jù)直接傳輸技術(shù),。D2D 會話的數(shù)據(jù)直接在終端之間進行傳輸,， 不需要通過基站轉(zhuǎn)發(fā)， 而相關(guān)的控制信令,，如會話的建立,、 維持、 無線資源分配以及計費,、 鑒權(quán),、 識別、 移動性管理等仍由蜂窩網(wǎng)絡負責 ,。蜂窩網(wǎng)絡引入 D2D 通信,， 可以減輕基站負擔， 降低端到端的傳輸時延,， 提升頻譜效率,， 降低終端發(fā)射功率。當無線通信基礎(chǔ)設(shè)施損壞,， 或者在無線網(wǎng)絡的覆蓋盲區(qū),，終端可借助 D2D 實現(xiàn)端到端通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡。在 5G 網(wǎng)絡中,， 既可以在授權(quán)頻段部署 D2D 通信,，也可在非授權(quán)頻段部署 [29]  。
M2M 通信
M2M(machine to machine,， M2M)作為物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)階段常見的應用形式,， 在智能電網(wǎng)、 安全監(jiān)測,、城市信息化,、 環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化應用。3GPP 已經(jīng)針對 M2M 網(wǎng)絡制定了一些標準,， 并已立項開始研究 M2M 關(guān)鍵技術(shù),。根據(jù)美國咨詢機構(gòu)FORRESTER 預測估計， 到 2020 年,， 物與物之間的通信將是人與人之間通信的 30 倍,。IDC 預測，在未來的 2020 年，500 億臺 M2M 設(shè)備將活躍在移動網(wǎng)絡中,。M2M 市場蘊藏著巨大的商機,。因此，研究 M2M 技術(shù)對 5G 網(wǎng)絡具有非比尋常的意義 [29]  ,。
M2M 的定義主要有廣義和狹義 2 種,。廣義的M2M 主要是指機器對機器、 人與機器間以及移動網(wǎng)絡和機器之間的通信,， 它涵蓋了所有實現(xiàn)人、 機器,、系統(tǒng)之間通信的技術(shù),；從狹義上說， M2M 僅僅指機器與機器之間的通信,。智能化,、 交互式是 M2M 有別于其它應用的典型特征， 這一特征下的機器也被賦予了更多的“智慧” [29]  ,。
信息中心網(wǎng)絡
隨著實時音頻,、 高清視頻等服務的日益激增，基于位置通信的傳統(tǒng) TCP /IP 網(wǎng)絡無法滿足海量數(shù)據(jù)流量分發(fā)的要求,。網(wǎng)絡呈現(xiàn)出以信息為中心的發(fā)展趨勢,。信息中心網(wǎng)絡 ( information-centric network，ICN)的思想早是 1979 年由 Nelson 提出來的 ,，后來被 Baccala 強化 ,。目前， 美國的 CCN,、 DONA和 NDN 等多個組織對 ICN 進行了深入研究,。作為一種新型網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，ICN 的目標是取代現(xiàn)有的 IP [29]  ,。
ICN 所指的信息包括實時媒體流,、 網(wǎng)頁服務、 多媒體通信等,，而信息中心網(wǎng)絡就是這些片段信息的總集合,。因此，ICN 的主要概念是信息的分發(fā),、 查找和傳遞,，不再是維護目標主機的可連通性。不同于傳統(tǒng)的以主機地址為中心的 TCP /IP 網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu),，ICN 采用的是以信息為中心的網(wǎng)絡通信模型,， 忽略 IP 地址的作用， 甚至只是將其作為一種傳輸標識,。全新的網(wǎng)絡協(xié)議棧能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡層解析信息名稱,、 路由緩存信息數(shù)據(jù),、 多播傳遞信息等功能， 從而較好地解決計算機網(wǎng)絡中存在的擴展性,、 實時性以及動態(tài)性等問題,。ICN 信息傳遞流程是一種基于發(fā)布訂閱方式的信息傳遞流程。首先,，內(nèi)容提供方向網(wǎng)絡發(fā)布自己所擁有的內(nèi)容,，網(wǎng)絡中的節(jié)點就明白當收到相關(guān)內(nèi)容的請求時如何響應該請求。然后,，當個訂閱方向網(wǎng)絡發(fā)送內(nèi)容請求時,，節(jié)點將請求轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)容發(fā)布方，內(nèi)容發(fā)布方將相應內(nèi)容發(fā)送給訂閱方,， 帶有緩存的節(jié)點會將經(jīng)過的內(nèi)容緩存,。其他訂閱方對相同內(nèi)容發(fā)送請求時，鄰近帶緩存的節(jié)點直接將相應內(nèi)容響應給訂閱方,。因此,，信息中心網(wǎng)絡的通信過程就是請求內(nèi)容的匹配過程。傳統(tǒng) IP 網(wǎng)絡中,， 采用的是“推” 傳輸模式,，即服務器在整個傳輸過程中占主導地位， 忽略了用戶的地位,， 從而導致用戶端接收過多的垃圾信息,。ICN 網(wǎng)絡正好相反， 采用“拉” 模式,， 整個傳輸過程由用戶的實時信息請求觸發(fā),， 網(wǎng)絡則通過信息緩存的方式，實現(xiàn)快速響應用戶,。此外,，信息安全只與信息自身相關(guān)，而與存儲容器無關(guān),。針對信息的這種特性,，ICN 網(wǎng)絡采用有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡安全機制的基于信息的安全機制。這種機制更加合理可信,， 且能實現(xiàn)更細的安全策略粒度,。和傳統(tǒng)的 IP 網(wǎng)絡相比,，ICN 具有性,、 高安全性且支持客戶端移動等優(yōu)勢。目前比較典型的 ICN 方案有 CCN， DONA,，NetInf,，INS 和 TRIAD [29]  。
移動云計算
近年來,，智能手機,、 平板電腦等移動設(shè)備的軟硬件水平得到了極大地提高，支持大量的應用和服務,，為用戶帶來了很大的方便 ,。在 5G 時代，將會出現(xiàn) 500 億連接的萬物互聯(lián)服務,，人們對智能終端的計算能力以及服務質(zhì)量的要求越來越高,。移動云計算將成為 5G 網(wǎng)絡創(chuàng)新服務的關(guān)鍵技術(shù)之一。移動云計算是一種全新的 IT 資源或信息服務的交付與使用模式,， 它是在移動互聯(lián)網(wǎng)中引入云計算的產(chǎn)物,。移動網(wǎng)絡中的移動智能終端以按需,、 易擴展的方式連接到遠端的服務提供商,， 獲得所需資源，主要包含基礎(chǔ)設(shè)施,、 平臺,、 計算存儲能力和應用資源。SaaS 軟件服務為用戶提供所需的軟件應用,，終端用戶不需要將軟件安裝在本地的服務器中,，只需要通過網(wǎng)絡向原始的服務提供者請求自己所需要的功能軟件。PaaS 平臺的功能是為用戶提供創(chuàng)建,、 測試和部署相關(guān)應用等服務,。PaaS 自身不僅擁有很好的市場應用場景， 而且能夠推進 SaaS,。而 IaaS 基礎(chǔ)設(shè)施提供基礎(chǔ)服務和應用平臺 [29]  ,。
SDN /NFV
隨著網(wǎng)絡通信技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展， 互聯(lián)網(wǎng) + ,、 三網(wǎng)融合,、 云計算服務等新興產(chǎn)業(yè)對互聯(lián)網(wǎng)在可擴展性、 安全性,、 可控可管等方面提出了越來越高的要求,。SDN(software-defined networking， 軟件定義網(wǎng)絡) /NFV(network function virtualization,，網(wǎng)絡功能虛擬化)作為一種新型的網(wǎng)絡架構(gòu)與構(gòu)建技術(shù),， 其倡導的控制與數(shù)據(jù)分離、 軟件化、 虛擬化思想,， 為突破現(xiàn)有網(wǎng)絡的困境帶來了希望,。在歐盟公布的 5G 愿景中， 明確提出將利用 SDN /NFV 作為基礎(chǔ)技術(shù)支撐未來 5G 網(wǎng)絡發(fā)展,。SDN 架構(gòu)的核心特點是開放性,、 靈活性和可編程性。主要分為 3 層:基礎(chǔ)設(shè)施層位于網(wǎng)絡,，包括大量基礎(chǔ)網(wǎng)絡設(shè)備,，該層根據(jù)控制層下發(fā)的規(guī)則處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);中間層為控制層，該層主要負責對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面的資源進行編排,，控制網(wǎng)絡拓撲,、 收集全局狀態(tài)信息等;上層為應用層，該層包括大量的應用服務,，通過開放的北向 API 對網(wǎng)絡資源進行調(diào)用 [29]  ,。
SDN 將網(wǎng)絡設(shè)備的控制平面從設(shè)備中分離出來， 放到具有網(wǎng)絡控制功能的控制器上進行集中控制,?？刂破髡莆账斜匦璧男畔ⅲ?并通過開放的 API 被上層應用程序調(diào)用,。這樣可以消除大量手動配置的過程,，簡化管理員對全網(wǎng)的管理， 提高業(yè)務部署的效率,。SDN 不會讓網(wǎng)絡變得更快,， 但他會讓整個基礎(chǔ)設(shè)施簡化，降低運營成本,， 提升效率,。未來 5G 網(wǎng)絡中需要將控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，進一步優(yōu)化網(wǎng)絡的管理,，以 SDN 驅(qū)動整個網(wǎng)絡生態(tài)系統(tǒng) [29]  ,。
軟件定義無線網(wǎng)絡
無線網(wǎng)絡面臨著一系列的挑戰(zhàn)。首先,，無線網(wǎng)絡中存在大量的異構(gòu)網(wǎng)絡,， 如：LTE、 Wimax,、UMTS,、 WLAN 等，異構(gòu)無線網(wǎng)絡并存的現(xiàn)象將持續(xù)相當長的一段時間,。目前,， 異構(gòu)無線網(wǎng)絡面臨的主要挑戰(zhàn)是難以互通,，資源優(yōu)化困難，無線資源浪費,，這主要是由于現(xiàn)有移動網(wǎng)絡采用了垂直架構(gòu)的設(shè)計模式,。此外， 網(wǎng)絡中的一對多模型（即單一網(wǎng)絡特性對多種服務）,，無法針對不同服務的特點提供定制的網(wǎng)絡保障,，降低了網(wǎng)絡服務質(zhì)量和用戶體驗。因此,，在無線網(wǎng)絡中引入 SDN 思想將打破現(xiàn)有無線網(wǎng)絡的封閉僵化現(xiàn)象,，*改變無線網(wǎng)絡的困境 [29]  。
軟件定義無線網(wǎng)絡保留了 SDN 的核心思想,， 即將控制平面從分布式網(wǎng)絡設(shè)備中解耦,， 實現(xiàn)邏輯上的網(wǎng)絡集中控制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則由集中控制器統(tǒng)一下發(fā),。軟件定義無線網(wǎng)絡的架構(gòu)分為 3 個層面,。在軟件定義無線網(wǎng)絡中， 控制平面可以獲取,、更新,、預測全網(wǎng)信息，例如：用戶屬性,、動態(tài)網(wǎng)絡需求以及實時網(wǎng)絡狀態(tài),。因此,，控制平面能夠很好地優(yōu)化和調(diào)整資源分配,、轉(zhuǎn)發(fā)策略、流表管理等,，簡化了網(wǎng)絡管理,，加快了業(yè)務創(chuàng)新的步伐 [29]  。