面向未来移动通信的超蜂窝网络架构

面向未来移动通信的超蜂窝网络架构作者：来源：《中兴通讯技术》2014年第02期提出了一种面向未来移动通信的超蜂窝网络架构设计，其核心技术包括：超蜂窝无线组网技术、接入网虚拟小区技术和云平台支撑技术。超蜂窝无线组网技术的特点是空口控制与业务覆盖的分离，进而演进为对空口资源和 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 的重构；接入网虚拟小区技术的特点是处理逻辑与空口覆盖的分离，进而演进为以用户为中心、结合SDN（Software-definednetworking，软件定义网络）技术的接入网处理重构；云平台支撑技术的特点是接入网处理与计算资源的分离，进而演进为面向运营、平台化和虚拟化的计算重构。超蜂窝网络架构的设计与大规模天线阵、高频段大带宽通信的新兴物理层传输技术有很好的统一性，并且衍生出了一些新颖的跨层跨域的统一研究方法。超蜂窝网络架构；虚拟化；平台化；空口覆盖分离；接入网处理重构；接入网计算重构；大规模天线阵从2008年开始，移动通信行业迎来了一轮前所未有的数据业务大爆炸时期，不仅移动数据业务经历了快速增长，移动业务特征也发生了颠覆性的变化。这种增长速度超乎于5年前所有分析师的预测，甚至ITU-R也不得不修正其在2005年发布报告M.2072中的预测[1]。ITU-R回顾了2005—2011年的行业发展，并在2012年出版的M.2243[2]中修正其预测，其关键结论有：·移动数据业务大爆炸比M.2072的预测早两年发生。·现实中移动数据业务流量5倍于M.2072预测的上轨。·2012年运营商承受的业务压力，在此前的预测中到2020年才会发生。·M.2072中预测移动数据业务总量将在2015年超越移动话音业务，事实上，这个情形在2009年已经发生。进而，ITU-R综合了若干咨询公司的分析报告给出了新的预测：移动数据业务的年化增长率（CAGR）将超过158%，从而移动通信业务总量将在2020年超过现有规模的1000倍，在2030年超过10000倍，与此对应的将是蜂窝小区的空前密集部署，对移动通信的峰值速率和业务延迟都有更高的要求。此外，终端数量饱和之后还会进一步形成对消费者的包围，应用种类进一步渗透生活的方方面面，多种无线接入技术（RAT）形成统一移动通信网络服务。所有的这一切都意味着普适通信（PervasiveCommunication）时代的到来，与此对应，5G要求更直接的用户感受（QoE），比如：小于1ms的接入时延、网络自组织和自调整、更安全的网络、更丰富的通信方式。随着移动数据业务超越移动语音业务，相应的总体业务模式和网络特性发生了变化，来自不同类型用户的业务贡献也有所不同，不同地理位置上的业务分布也极大不同，不同的业务种类在时间上也有不同的变化模式。这种快速增长和业务的高度变化性和不均与特征，很快就对传统的移动通信技术和网络架构产生了挑战。下一代网络架构的设计如何满足爆炸式的容量需求、快速的发展速度和多样化的业务需求，与此同时，还需要应对逐渐走低的数据业务收入和随之而来的巨额基础建设投资；如何降低运营成本（OPEX）和资本性支出（CAPEX）成为课题。由此可见，2020年后5G网络架构面临的是一个多维的需求维度，传统的单一维度评价准则已不适用。我们可将5G移动通信网络架构面临的多维需求概括为：（1）域效5G网络架构需要能有效地在不同地理位置部署蜂窝小区，以适应巨大的数据业务密度要求。（2）谱效因为数据业务的数据速率与用户QoE有很直接的关联，所以人们追求在小区内任意位置都能获得满意的QoE，所以对移动通信效率的关注点从传统的峰值频谱效率（PSE）转换到了小区频谱效率（CSE）。（3）能效随着人们对绿色通信的期望，系统的平均每比特能耗也是关注热点之一。（4）体验用户的真实业务体验已经不再直接映射为峰值速率和业务延迟等指标，5G网络架构需要能以用户感受为优化目标自适应地对网络进行管理。（5）弹性弹性即网络可扩展性。新业务快速部署，后向兼容和一致性等对5G网络架构的弹性设计的需求，是为了应对业务种类的快速演进和业务容量的增长速度。1面向新需求的移动通信新技术为了应对上述来自业务需求层面的挑战，近年来已经有很多新技术出现：（1）空口覆盖的分离设计——信令与业务分离的异构组网技术根据无线接入中不同信道的特征和需求，对其采用不同的组网方式，并在统一的系统架构下相互协作。这是一种由来已久从组网实践中发展出来的技术，TD-SCDMA技术标准中从N频点组网到多载波HSPA技术[3-4]，都对分离覆盖有所考虑；清华大学从绿色通信的角度，提出了控制信息的广域覆盖与业务数据的密集覆盖这种超蜂窝无线组网技术[5]；LTE-A中的异构网络（Hetnet）组网 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[6]；DOCOMO提出的PhantomCell主要考虑低频宏站广域覆盖，辅助高频小基站局部覆盖，满足对LTE网络的容量增长需求[7]。分离是为了实现多系统、多网络、多覆盖间的资源协作，以控制信令无缝覆盖来保障业务基站动态、柔性（按需）覆盖。（2）接入网处理的分离设计——协作处理技术接入网处理与小区相分离，比如协作多点发送与接收（CoMP）中用户数据的接收处理已经脱离某一个小区的范畴，而是多个小区联合进行处理[8]；分布式无线通信系统（DWCS）中的以用户为中心的分布式天线系统设计[9]，尝试了空口信号与基站分离；比如超蜂窝无线组网方案中控制与业务异质覆盖对应的接入网处理中控制与业务的处理已经脱离某一具体实体小区，而是与以用户为中心的虚拟小区相对应，但也面对一些技术挑战，比如高质量、实时前端回传（Front-haul）网络支持。（3）接入网计算的分离设计——接入网虚拟化技术接入网的处理逻辑与具体计算资源的分离，比如云接入网（C-RAN）中的虚拟化技术[10]使得接入网处理可以平滑分布在通用处理器和硬件加速器卡上，某一虚拟小区的处理不再绑定某一特定硬件，而是可以平滑在计算资源间迁移，最终形成开放、实时无线云计算平台。清华大学最近提出的5G超蜂窝网络架构，基于上述3种技术，将其概括为移动通信网络3个域的“重构”，形成统一的5G网络架构中的3个基础技术。1.1空口的覆盖重构覆盖又可分为资源的覆盖和流程的覆盖：（1）下行资源的定义包括不同的频带（Band）、不同的RAT、不同的空间资源（大尺度蜂窝复用与准静态小尺度空分复用），从而形成一个可被管理的多维资源体系。（2）上行由网络对用户资源及其覆盖进行感知和接收，形成以用户为中心的资源复用体系。（3）流程的覆盖有如下几个例子，一是将一些控制和信令用鲁棒性控制进行全局覆盖，一是载波侦听多址接入/碰撞检测（CSMA/CD）与随机接入信道（RACH）流程结合的以用户为中心的接入感知，以及用资源分配的变化代替切换的非显式切换流程等等。由于上述控制的全局覆盖对上下行资源的覆盖的集中控制，再加上大规模矩阵处理大幅减少干扰，从而改变了无线组网的干扰模型。上述控制与业务的分离覆盖，符合接入网的软件定义网络（SDN）趋势，使得以用户需求与特征为中心动态调整资源及其覆盖成为可能。超蜂窝网络架构——空口覆盖重构如图1所示。1.2接入网的处理重构接入网处理以用户为中心，而不是以覆盖为组织方式。SDN化处理框架也使得接入网处理，与核心网转发与移动性管理（Forwarding/Mobility）处理[11]统一起来。超蜂窝网络架构——接入网处理重构如图2所示。图2将接入网分为两个部分：（1）泛化射频前端（RRU），负责资源及其覆盖的形成和用户向资源的投射。（2）泛化基带处理单元（BBU），负责用户相关处理，用户面/控制面/管理面不同的处理过程与架构定义，例如，用户面可集中计算，但是每用户单独处理，管理面集中处理，控制面/管理面与SDN结合。即可解决IPForwarding/Mobility的问题，而不用定义新的网元。全局化管理面负责全局数据和全局编程，控制面不对用户面进行编程，而只是配置其参数（这里编程定义为处理逻辑的改变）。1.3接入网的计算重构借鉴IT领域的云计算理念[12]，这部分（如图3所示）也有3个层面。（1）虚拟化类似云计算的基础设施即服务（IaaS），隔离上层用户面/控制面/管理面（U/C/M）处理与底层的计算、存储和传输资源。（2）平台化类似云计算的平台即服务（PaaS），包括中央统一数据库、数据挖掘引擎等基础服务，支持接入网处理的可重构、可编程等特性。（3）服务化类似云计算的软件即服务（SaaS），这里提出网络即服务（NaaS），编排器（Orchestra）按需串接或编程资源，动态构建服务。SDN技术在平台层有很明显的体现，比如集中式管理面，数据集中的分布式控制面，以用户为组织方式的用户面，从而允许以用户为中心对资源进行动态调配以适应用户的需求和行为。25G超蜂窝网络架构以上3种技术方向不是孤立的，而是相互关联互相影响的，我们将上述3个重要的技术演进方向勾勒为一个5G的超蜂窝网络架构全貌，如图4所示。5G超蜂窝网络架构主要的技术特征有：面向运营、以用户为中心、多域虚拟化、平台支撑的软件定义接入网处理和空口无线组网的高弹性覆盖设计。2.15G超蜂窝网络架构关键问题在上述3个研究方向下，衍生出如下5个关键技术点：（1）超蜂窝无线组网方案之空口流程重定义，其关键技术是控制信息与业务数据的在异质覆盖下的流程重构。（2）超蜂窝无线组网方案之空口资源重定义，其关键技术是以用户为中心的空口信号设计。（3）超蜂窝接入网处理之以用户为中心的虚拟小区，主要作用是管理面、控制面以及用户面处理的划分和互动。（4）超蜂窝接入网处理之接入网与核心网的融合和统一设计，需要统一的SDN处理框架。（5）超蜂窝接入网平台之虚拟化和平台化技术，重点研究以用户为中心的多域虚拟化技术，包括不同类型计算需求在不同类型计算资源上的调配技术，以及跟随业务或网络行为的智能迁移技术；研究端到端可重构技术、控制面与用户面处理分离的保障技术以及管理面跨层多域协同的保障技术等。2.25G超蜂窝网络架构关键问题的关联性和特点几个技术点之间的相互联系可以用图5来说明。超蜂窝无线组网架构空口流程设计（HCA-Flow）和超蜂窝无线组网架构空口信号/资源设计（HCA-Signal）形成5G超蜂窝无线组网方案，有不同的侧重，但又互相补充。比如空口流程的重定义离不开空口资源的灵活划分，空口资源的重定义同样离不开高弹性空口流程的组织和调度。协作式接入网架构无线网（CAN-WNW）与HCA-Signal/Flow是映射关系，同样的数据面和控制面分离技术在两个关键技术中都有所研究，但是HCA-Signal/Flow侧重为了满足网络性能指标的逻辑定义，而CAN-WNW侧重为了构建高弹性可重构的接入网而对不同类型的处理进行解耦以及耦合。简单来说，HCA-Signal/Flow的空口逻辑定义向CAN-WNW的接入网处理提出需求，CAN-WNW将HCA-Signal/Flow实现在接入网中；CAN-WNW的接入网处理框架特性，对HCA-Signal/Flow的空口技术体制的定义所有约束和促进。CAN-WNW-IP与CAN-WNW同属于5G接入网设计，一个侧重业务和移动性管理，一个侧重空口的处理。但同时，CAN-WNW-IP所研究的移动互联网业务和行为，对CAN-WNW或HCA-Signal/Flow也会有所影响，所谓跨层多域协同和以用户QoE为标的的网络资源调配和管理。协作式接入网架构平台化/虚拟化（CAN-Platform/Virt）对CAN-WNW和CAN-WNW-IP有直接的支撑作用，CAN-WNW和CAN-WNW-IP的处理逻辑设计，提炼出公共的平台性需求形成CAN-Platform/Virt的研究范畴，同时CAN-Platform/Virt引入和借鉴IT领域的技术又可以对CAN-WNW和CAN-WNW-IP的技术体制的定义有所约束和支撑，进而影响到HCA-Signal/Flow技术体制的定义。35G超蜂窝网络架构与物理层新技术3.1一致设计图2中已经将传统的BBU以及RRU的功能和定义做了扩展。其中，RRU中除了具有传统RRU的射频前端的能力外，还负责系统资源的映射，比如从用户数据向时间、频率和空间等资源的映射，其映射指令来自于BBU，但是RRU负责对系统资源进行维护。BBU负责对系统资源的管理和用户数据链的处理。这种划分方式可以简化BBU与RRU之间的数据传输压力，同时具有较好的可扩展性。按照上述的BBU和RRU定义，给出一种初步的组网方案，如图6所示。对应小基站（Smallcell）组网[13]、分布式天线或分布式大规模天线阵（LargeScaleMIMO）[14]。其中，图6中的链路都是通用公共无线接口（CPRI）链路，具有数据传输能力，时钟和频率同步能力以及管理和运维（O&M）传输能力。BBU0和BBU1在空口划分大的控制域，控制域之间可以有重叠，用户从控制域之间通过L3信令进行切换。BBU控制域内存在大量的RRU，每个RRU有完整的时间和频率资源，空间资源需要一个或多个RRU之间协同定义。RRU具有级联和聚合能力，对于相同的用户流可以聚合，对于不同的用户流则需要额外的传输资源，由于每个RRU具有的级联传输能力是有限的，或者说RRU空口覆盖对应的业务是动态变化的，则RRU需要具有2条向上的连接路径，比如一个末端RRU可以通过两个级联RRU最终接入BBU。CPRI交换单元（SWITCH）具有交换能力但不具有覆盖能力的设备，SWITCH之间可以星形组网。从RRU级联以及SWITCH之间组网的交换逻辑由BBU通过SDN的方式或者静态方式进行设置。BBU中有集中控制单元，负责网络资源的控制和调度，也有分布式的以用户流为单位的处理单元。由于用户流中的数据流需要密集计算，所以完全分布式处理，而用户流中的对等控制流属于逻辑密集型，虽然是按照用户划分完全独立的，但是可以集中处理。与上述接入网架构对应的空口覆盖图景如图1。基本可以认为用户流中的对等控制流需要一个全局覆盖，比如L2/L3的信令，L2/L3的信令传输独立于用户流中的业务流，在以往的系统中，包括LTE，通过某种时序关系，隐含了对等控制流与业务流之间的一一对应关系，这里为了灵活和可扩展性，假设对等控制流如果对用户流处理有所设置，总是需要指定具体的业务流的时序和标识。对等控制流总是有比业务流更高的优先级，其性能和时延优先，容量次之。而业务流则按照指定的优先级，一般来说容量/速率优先。3.2一致设计带来的新思路这种架构设计，将大规模天线阵列（传统认为是空口物理层传输层面的设计）与接入网的SDN化以及空口网络架构的超蜂窝化（控制覆盖与业务覆盖的分离这种异构设计，空口的SmallCell化以及CoMP化趋势）相统一，从而使得上述3个研究领域可以在新的层面统一进行研究。（1）信道状态信息（CSI）构成的大规模多维稀疏矩阵[15]，用一个比较规整的数据模型将上述链路级和系统级问题统一起来，里面会蕴含大量的系统级问题，比如功率控制、自适应调度等等，不再是单纯的链路级求逆问题，而可以采用大量系统级算法，比如Genetic算法、Greedy算法、Heuristic算法等。（2）SDN化的原则：特征数据集中化，比如CSI；用户流数据本地化，比如分布式预编码（Precoding）。（3）如果稀疏矩阵的处理可以分解为迭代式的话，就完全可以在RRU中分布式处理，而不需要在BBU中集中处理。（4）空口的异构设计中，大区覆盖主要针对L2/L3等用户控制数据的覆盖，切换只发生在大区之间，在RRU覆盖范围内不触及切换，只会引起RRUPrecoding稀系数的平滑改变。（5）上述网络设计有较好的可扩展性，BBU只有用户流的处理和对天线数据（CSI）的集中化处理；而天线的处理在RRU内部或通过RRU聚合消化掉。4结束语类似10年前的Internet大发展，移动通信需求端正经历一场变革，并将改变移动通信行业的生态环境。在此移动数据业务大爆炸时代，运营商所遭遇的困境在于：尽管移动数据业务总量经历着快速增长，营收增长却经历不匹配的低速增长。其可能的原因有：下滑的每用户平均收入（ARPU），移动用户增长的饱和等。由于OPEX跟随数据业务总量增长的速度，运营商的利润也就因此而反方向下降[16]。一些分析师按照运营经济学的方式仔细分析现状，并不约而同给出了非常相似的解决方案，其关键词就是：网络共享、外包、智能网管、移动虚拟运营商（MVNO）等。前3个主要是通过合作模式来压缩成本，第4种手段主要通过合作模式来发现新的服务类型。无论是提高运营效率还是采用智能网络管理，所有这些手段背后的思路都是通过在运营的不同层面（例如，建设、运营、网络优化和业务推广）采用合作模式来寻求成本削减。这种倾向可以进一步拓展为一种变革性运营模式，正如移动互联网和智能手机行业所采用的那样，合作与竞争并重。相比传统模式（封闭与集中化），这将是一种健康的发展模式（开放与多元化）。进而，这种变迁的模式迫切需要一种变革性网络架构，来支持和帮助移动通信行业向健康发展模式的迁移。这种网络架构解决方案的核心就是虚拟化、平台化和面向服务化，正如Internet领域发展出的云计算技术一样。总之，电信行业需要具有竞争合作模式的变革性网络架构，来解决需求端革命与运营利润现状之间的深刻矛盾，其基本思路就是采用IT界的方法论，采用具有虚拟化、平台化以及面向服务化特质的解决方案。从这个意义上，5G超蜂窝网络架构及其技术路线会深刻的影响具体网络技术，进而影响网络的建设和运营模式等。从标准化角度，网络架构参考模型为网络技术确定标准文本的组织方式；从系统研发角度，网络架构参考模型决定系统设计划分原则，以及从标准向实现的迁移方式，比如，标准中ASN.1[17]的采用使得 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 层编解码器的自动化成为可能，IEEE802.11所定义层间原语极大的影响了Wi-Fi领域存在的大量技术创新；从网络建设角度，网络架构参考模型[18]决定了某种具体网络的工程建设模式（全局集中建设还是分担式共建）；从网络运营角度，网络架构参考模型决定了成本与收益模式；从产业格局角度，网络架构参考模型影响了行业的组织方式。所以，5G超蜂窝网络架构及其关键技术的研究，不仅能从技术层面满足业务层面对5G移动通信系统的需求，更能从经济和社会层面解决运营经济学中所面临的困境，进而促进移动通信行业的发展。