董春利，王莉

(南京交通职业技术学院电子信息工程学院，江苏南京， 211188）

0 引言

近年来，通过研究和创新，无线技术的潜力得到了提升。各种无线设备的指数级增长、数据的更多使用、服务质量的提高，以及蜂窝网络的扩展变得越来越重要。主要驱动因素是各种无线设备的指数级增长、数据饥饿应用，以及提供改善的服务质量/体验，需要扩展蜂窝网络，以支持即将到来的5G 用例。与4G-LTE 网络相比，无线网络的这种发展包括每秒千兆位的高速、低延迟、高吞吐量和更好的频谱效率[1]。第五代无线技术支持所有这些用例，并且可以通过网络的异构行为来实现。小型蜂窝是低功率蜂窝无线电接入节点和5G 无线网络架构的骨干。切换是存在小蜂窝范式的关键挑战，例如用户和小蜂窝之间可能会出现许多障碍物。因此，使用毫米波和波束成形技术支持从10m 到几公里范围内的小蜂窝，这会导致可靠性和多次切换发生，特别是在可能突然中断连接的高速移动的情况。

切换衡量可以分为四类，其中人为障碍物，行人是切换的原因；移动障碍物，其中过往车辆是切换的原因；在旋转时，手的移动和用户的旋转，是切换的一个原因；最后一类，固定障碍物、建筑物和大型构筑物引起的切换。毫米波的最重要的场景是在城市和半城市地区的热点部署，吉比特/秒是5G 无线技术的主要关注点。在这方面，以下三个主要部署场景是：街边服务、体育场/音乐会服务、校园服务。在街边场景中，餐馆、商店和行人是毫米波接入点提供所需服务的关注点，其中强调了干扰和信号被大障碍物阻挡的影响。在校园/音乐会类型中，重点是研讨会大厅、音乐会画廊和会议/教室周围的走廊等聚集场所。而在足球、网球、板球、橄榄球和竞技场等体育场馆的情况下，需要高数据速率，即将推出的虚拟、增强和混合现实服务。

5G 通信的多种技术，包括大规模多输入多输出 (mMIMO)、毫米波通信(mmWave)、自组织网络(SON)和超密集网络(UDN)，支持所有这些场景[2]。在5G 技术中，服务运营商和供应商在切换实施方面，面临着不同的挑战。

第一个挑战是不精确的信号测量，其中毫米波的带宽和频率很高，这对于增加网络通信系统的容量至关重要。由于大气条件、墙壁或障碍物周围的低衍射以及雨水吸收，信号路径损耗在高频段变得很高。这些因素会减小信号的范围。此外，工作在高频段的信号很容易成为衰落的牺牲品，这反过来又会产生错误，降低切换的整体切换速率或不必要的漫游。总之，它会降低客户的体验。下一个挑战是立即切换，其中小区半径的尺寸小于UDN 架构中的标准尺寸。在每个小蜂窝中，用户设备的总时间间隔变得比较小，导致频繁的切换。结果，两个终端的重叠时间也变得相对较低。最后，与4G 和3G 网络通信相比，5G 不包含相同的网络层和技术，并且垂直和水平切换过程，都包含5G 中的切换问题。除了这些挑战之外，由于网络的异构通信行为、5G 技术的融合以及现有流程的优化自动化，还存在许多其它挑战。5G NR 通信系统构建了一个异构环境的系统，所需用例，即eMBB、uRLLC、mMTC。

5G 的工作条件与其它蜂窝网络几乎相同，由小区和扇区组成。数据可以在无线电波的帮助下传输。这些小区通过有线或无线连接网络。5G 技术使用的编码技术是正交频分复用(OFDM)。移动连接和移动用户不断扩大，以满足服务需求、高数据速率、客户行为的变化以及从无线节点到机器人、聊天机器人和自主运输的各种用例。无线行业和移动运营商需要发展和不断增长来应对这些挑战。今后通过创新的网络设计技术和存在的先进模块，无线行业可以实现数据流量的指数级增长，到2022 年将达到每月77.5 艾字节。

同样，GSM 协会估计，到2025 年，物联网设备的总数将达到251 亿左右。统计数据证明，现有的移动网络和运营商不足以完成物联网的覆盖和容量需求。因此，移动运营公司必须改变现有的模式、设计和运营商，以应对未来的挑战。各种研究论文提出了MIMO 的概念，来提高5G 网络的频谱效率。同样，随后引入了毫米波通信以提高5G 信号的传输带宽。吞吐量和能耗是当时的主要挑战。

1 5G 技术和特点

在5G 网络中，小区分为大蜂窝和小蜂窝，以提供更高的网络效率。5G 使用以用户为中心的全球无线网络概念，而4G则以服务为中心。通过使用以用户为中心的概念，5G 能够支持多种应用和不同的服务来连接世界。5G 移动通信嵌入了许多不同的技术，例如设备对设备(D2D)、机器对机器(M2M)、多输入多输出(MIMO)、边缘计算(EC)、小型蜂窝(SC)、波束成形(BF)、WiFi 和蜂窝的融合、非正交多址接入(NOMA)、软件定义的网络(SDN)、网络功能虚拟化(NFV)和信道编码(CC)。5G 还引入了一些特性，即5G 架构将包括云计算、以设备为中心和分布式系统，提供几乎以千兆为单位的更高数据速率，支持大量设备，电池利用率低，基础设施成本低。为了在移动系统中提供无处不在的通信，5G 包括机器对机器通信技术，几乎连接了1000 亿台设备。为了提供更高的吞吐量并提供更高的频谱效率，5G 使用MIMO 技术。5G 还利用了其它技术，如OFDM、物联网、UDSC 网络和毫米波。为了获得更高的数据速率和设备之间的直接连接，5G 使用设备到设备的通信技术。成功的四种行为确保了5G 中D2D 通信超越场景，即设备中继与操作员控制的链路建立(DR-OC)、直接D2D 通信与操作员控制的链路建立(DC-OC)、设备中继与设备控制的链路建立(DR-DC)，以及通过设备控制的链路建立(DCDC)进行直接D2D 通信[3]。

小蜂窝技术是一种有前途但经济驱动的方法，可以克服移动网络运营商、5G 覆盖、容量和物联网设备的障碍。尽管小型蜂窝采用短距离基站，但它们有潜力处理移动用户的高数据速率、监控连接的事物并推出5G 和6G。小型蜂窝，例如微微蜂窝、毫微微蜂窝和微蜂窝，部署在位于同一地理区域内的宏蜂窝网络上，以形成HetNets。这些HetNets 能够提供具有高数据速率和高质量服务的不间断通信，确保用户在从一个小区移动到另一个小区时利用可靠的移动网络服务。然而，部署大量小蜂窝来设计HetNets 会产生诸如高蜂窝间交互和蜂窝边界扩展等问题，从而导致切换失败和无线电链路失败。总之，HetNets 中的小蜂窝数量越多，移动性管理问题就越大[4]。

2 5G 小蜂窝架构

3GPP（第三代合作伙伴计划）展示了5G 结构以改善蜂窝通信。如3GPP 所提议的，在控制平面功能之间部署了不同的基于服务的通信模型。主要方法包括但不限于克服核心网络(CN)和接入网络(AN)之间的依赖关系，提升接入服务，并在控制平面(CP)和用户平面(UP)之间获得明确的分离，在部署和扩展阶段以增强灵活性。5G 结构还支持并发接入，这对于低延迟用例至关重要。UDSC 网络的架构在文献[5]中提出并与传统的网络架构进行了比较。在传统的蜂窝网络架构中，使用树形网络基础设施，其中基站管理器用于处理核心网络中的所有宏蜂窝基站，而所有回程流量都从网关转移到核心网络。需要一种混合架构来支持微蜂窝在传统蜂窝网络中的部署。在混合架构中，微蜂窝基站管理器用于处理微蜂窝基站，回程流量通过光纤路由转移到核心网络。与宏蜂窝基站相比，微蜂窝基站可以在家庭和热点用例中提供高速无线广播。尽管如此，两者都有可能独立地将用户数据和管理数据传播给相应的用户。图1 展示了5G NR 小蜂窝架构及其工作模型。

图1 5G NR 小型蜂窝部署

移动用户还可以根据需要在宏蜂窝或微蜂窝中进行切换。因此，微蜂窝网络架构被用作高速无线传输和通信目的的辅助组件。同样，类似的方法用在5G 蜂窝网络中部署小型蜂窝，但通过光纤链路或使用宽带互联网从每个小型基站(BS)转发回程流量非常具有挑战性，特别是在成本和地理分期付款的城市环境中的主要关注点。由于无线传输距离的限制，小型蜂窝基站无法将回程业务传输到给定网关。为了应对这一挑战，提出了一种分布式超密集5G 蜂窝网络，其中微蜂窝基站和宏蜂窝基站的功能是分布式的。这意味着执行微蜂窝BS 的配置，以处理管理数据并监控小型蜂窝中的切换问题。而另一方面，用户数据的传输由小蜂窝基站控制。此外，超密集蜂窝网络的两种不同分布架构如下。

（1）在UDSC 网络中使用单一网关

单个网关被部署、配置和安装在具有嵌入大量 MIMO 毫米波天线的能力的宏蜂窝基站上。集成这些天线的目的是接受来自位于宏蜂窝中的小型蜂窝的无线回程流量。收集所有回程流量后，通过多跳毫米波链路移动到宏蜂窝基站，然后通过光纤链路进一步转发到核心网络。

（2）在UDSC 网络中使用多个网关

在这种情况下，通过检查回程流量和地理场景的条件，在大规模的微蜂窝BS 中使用和部署多个网关。使用多个网关而不是单个网关的原因是它们更灵活地处理回程流量并将其转发到核心网络。在这种情况下，来自小型蜂窝的所有回程流量都分散在宏蜂窝中的多个网关上，然后在网关处合并，通过光纤到机柜(FTTC)链路向核心网络移动。

3 5G 小蜂窝工作模式

5G 的参考模型如图1 所示，其中AMF 或接入和移动管理功能充当模型的大脑。它执行不同的管理角色，例如连接、移动性和注册管理。与AMF 一样，SMF 或会话管理功能也是模型的重要组成部分，它负责控制、监视会话上下文、编辑PDU和链接以解耦数据平面。DN 和架构之间的连接由用户平面功能(UPF)提供。UPF 还负责PDU 会话锚点、管理服务质量以及路由和转发数据包[6]。

4 结论

5G 的通行能力和网络效率都是4G-LTE 的100 倍，使其能够提供20Gbps 的峰值数据速率和100+Mbps 的平均数据速率。小型蜂窝技术使5G 网络能够提供这些益处。通过小区密集化，连接距离变小，确保每个UE 的高网络资源。与宏蜂窝网络相比，超密集网络中小型蜂窝基站的大量分布使得连接距离更小，从而在每个UE 上提供更好的信号质量，UE 可以支持高移动服务、在线游戏和流线型视频。此外，超密集网络中的小区UE 数量有限，使其能够体验到更多的网络资源。