5G網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)和云架構(gòu)研究

董春利，王 莉，張 暉

（1.南京交通職業(yè)技術(shù)學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211188；2.上海劍曦信息科技有限公司，上海 200051；3.南京郵電大學 信息與通信工程學院，江蘇 南京 210003）

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)（HetNets）的部署，需要傳統(tǒng)宏蜂窩和小蜂窩之間的協(xié)調(diào)，以減少相互干擾，如圖1所示[1]。加拿大曼尼托巴大學的研究人員，強調(diào)5G通信的多層網(wǎng)絡(luò)和干擾升級，討論了5G混合網(wǎng)絡(luò)中的各種干擾管理挑戰(zhàn)。5G HetNets中宏蜂窩和第2層蜂窩間的干擾由反向時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）協(xié)議解決，它有助于本地估算本層和跨層信道。在反向TDD模式中，當小型蜂窩接入（Small-Cell Acess，SCA）在上行鏈路中操作時，BS處于下行鏈路操作中，反之亦然。

1 HetNets的現(xiàn)狀

高通公司和三星移動實驗室的研究人員強調(diào)了網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備端干擾管理技術(shù)[2]。具有利用干擾信號結(jié)構(gòu)（包括調(diào)制星座，編碼方案，信道和資源分配）優(yōu)勢的先進接收機被視為主要驅(qū)動因素。不恰當?shù)臒o線電接入技術(shù)（Radio Access Technology，RAT）會產(chǎn)生不必要的信令開銷。為了緩解多RAT中的這些問題，提出了有效的RAT切換決策和優(yōu)化的公共資源劃分。同時使用多個RAT可提高容量和連接性。然而，聯(lián)合使用多個網(wǎng)絡(luò)并沒有得到很多研究的關(guān)注。多個RAT之間的智能耦合有望實現(xiàn)HetNets容量和覆蓋范圍的提高。在文獻[3]中，作者介紹了毫微微蜂窩啟用的HetNets的各種無線資源管理方案。解決跨層和共層干擾問題，同時保持最佳的無線資源利用率，公平性和QoS。各種頻率調(diào)度算法和頻率復用技術(shù)增強了HetNets的性能，并提供了一個綠色HetNets的整體框架，用于平衡能量效率和頻譜效率。提出的兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)同定位大規(guī)模MIMO BS和低功耗SCA來保證網(wǎng)絡(luò)性能的提高。盡管大規(guī)模MIMO通過確保室外移動覆蓋獲得了傳統(tǒng)優(yōu)勢，但具備認知和協(xié)作功能的SCA，可充當室內(nèi)和室外低移動用戶的主要容量驅(qū)動力。但在高密集SCA部署中，回程成為主要瓶頸之一。

圖1 HetNets的概念

2 C-RAN和H-CRAN

高密度5G網(wǎng)絡(luò)的高效運作，新的空中接口需要重要的范例，改變了基帶和射頻[4]。最近液體蜂窩、軟蜂窩和幻影蜂窩正在成為新的潛在無線電接入架構(gòu)。新興的云無線接入網(wǎng)絡(luò)（Cloud Radio Access Network，C-RAN）架構(gòu)，以用戶為中心的覆蓋范圍，降低了開銷和能耗。云架構(gòu)可以簡化傳統(tǒng)蜂窩站點，并將所有處理轉(zhuǎn)移到集中式云數(shù)據(jù)中心。傳統(tǒng)的站點被轉(zhuǎn)換為節(jié)能的無線電頭。盡管比較了各種C-RAN集成移動前傳和回程架構(gòu)，但研究人員指出，數(shù)據(jù)中心的能源消耗和碳足跡預計會增加。伴隨著工作量整合和資源過載，討論了工作量預測，虛擬機放置，以便對云中心進行節(jié)能管理。將更多數(shù)量的服務(wù)器調(diào)整為低功耗狀態(tài)，并增加已經(jīng)活動的服務(wù)器的使用，實現(xiàn)云數(shù)據(jù)中心的高節(jié)能。

HetNets提高了覆蓋率和容量。異構(gòu)C-RAN（H-CRAN）結(jié)合了HetNets和云架構(gòu)。文獻[5]探討了H-CRAN中節(jié)能的資源分配。通過逐步演進C-RAN并將其集成到無線網(wǎng)絡(luò)中，有價值的節(jié)能是可行的。為了提高H-CRAN的能量效率，作者描述了用戶與RRH和高功率節(jié)點的關(guān)聯(lián)，并將能量有效的優(yōu)化問題，表述為基于正交頻分復用的H-CRAN的非凸目標函數(shù)，特別強調(diào)資源分配和功率分配。通過使用拉格朗日對偶分解方法，重新構(gòu)造了一個等價的凸可行性問題，來獲得能源有效的資源分配解決方案。我們相信，這種創(chuàng)新的方式能使能量感知的5G網(wǎng)絡(luò)得到發(fā)展。一個以綠色為準則的，有計劃的積極主動的方法，會引導一個可持續(xù)的5G通信。

3 C-RAN的試驗

如前節(jié)所述，C-RAN提供了改進的系統(tǒng)容量和更低的能耗。中國移動、華為、諾基亞、三星、阿爾卡特朗訊和高通等大多數(shù)主要無線廠商和運營商，表現(xiàn)出了對C-RAN技術(shù)的濃厚興趣[6]。日本電信、韓國電信、法國電信/橙色、西班牙電信、日本軟銀/斯普林特和中國移動等運營商，也支持小型蜂窩C-RAN。中國移動研究院作為C-RAN的先驅(qū)，已經(jīng)發(fā)表了C-RAN的技術(shù)，優(yōu)勢和挑戰(zhàn)的全面綜述。他們提出了一種逐步構(gòu)建C-RAN的方法，用于連接8～12個宏站點，最大環(huán)路距離為40 km。中國移動已與IBM，中興，華為，英特爾，大唐移動，法國電信北京研究中心，北京大學，中國電信，中國科學院合作開發(fā)了C-RAN原型，該原型機成功完成了與使用GSM-TD- SCDMA的用戶設(shè)備的互操作性。

喬治亞理工學院提出了多業(yè)務(wù)蜂窩云無線覆蓋光纖（Radio-over Fiber，RoF）接入系統(tǒng)。三星電子討論了云在信息和移動技術(shù)中的重要性，LTE-Adv系統(tǒng)的蜂窩邊緣性能和網(wǎng)絡(luò)密度，其重點在重新設(shè)計了“以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)”的平臺。

4 H-CRAN的提案

面向5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，我們已經(jīng)強調(diào)了HetNets和云技術(shù)。在HetNets中，相鄰BS之間的通信是一個重大挑戰(zhàn)。通過結(jié)合HetNets，C-RAN和SDN的優(yōu)勢，H-CRAN正在成為5G通信中的關(guān)鍵組件。文獻[6]提出了非凸分數(shù)規(guī)劃優(yōu)化的拉格朗日對偶分解方法，來解決H-CRAN能量有效的資源分配問題。諾基亞，西門子提出的“液體無線電”，是一種靈活的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，用于5G網(wǎng)絡(luò)Gbps高數(shù)據(jù)速率的要求。片上系統(tǒng)芯片（System on Chip，SoC）設(shè)計為H-CRAN架構(gòu)提供了一種有前途且簡單的天線配置，并提出了用于卸載流量和無縫混合技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。所提出的針對傳統(tǒng)通信的各種RAN，有新實體“節(jié)點C”的軟件定義的H-CRAN設(shè)計。節(jié)點C是節(jié)點B（BS）的演進，對新設(shè)計的RRH，可處理和網(wǎng)絡(luò)化其功能。

5 結(jié)語

為了簡化HetNets的部署、運營、管理和全天候優(yōu)化，云端輔助平臺被提倡。此外，基于云的智能切換和位置管理可以確保HetNets中的無縫連接。因此，我們相信，小型蜂窩的異構(gòu)連接是新興5G架構(gòu)的主要組成部分。方向性和小蜂窩設(shè)計，再加上資源分配的進步，有望為5G通信提供更高的覆蓋率和數(shù)據(jù)速率。

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