鐘 旻
5G的目標(biāo)是能實(shí)現(xiàn)如圖1所示的連接。按照這個(gè)目標(biāo),5G將推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)信息交互方式的進(jìn)一步升級(jí),為用戶提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清(3D)視頻、移動(dòng)云等更加身臨其境、前所未有的體驗(yàn);通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)極大擴(kuò)展通信服務(wù)范圍,從人與人通信延伸到人與物、物與物智能互聯(lián)。這意味著將面臨海量、密集的用戶,巨大的通信容量和速率要求的挑戰(zhàn),是以前幾代的蜂窩無(wú)線移動(dòng)通信無(wú)法勝任的,于是5G應(yīng)運(yùn)而生,在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜皖l譜投入上,通過(guò)新的發(fā)展、開(kāi)拓來(lái)達(dá)到目的。
圖1 5G無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)
在第一講中,我們介紹了5G的一些應(yīng)用場(chǎng)景,如連接廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接、低時(shí)延高可靠等,滿足不同要求的解決方案是引入多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖2所示。在蜂窩移動(dòng)通信中,宏蜂窩小區(qū)覆蓋范圍為1~25km,為適應(yīng)5G的應(yīng)用,在一些超密集用戶分布的地方,嵌入小區(qū)(smal l cell),設(shè)置小區(qū)基站,如圖2 所示。小區(qū)包括微小區(qū)(覆蓋半徑30~300m)、微微小區(qū)(10~30m)、飛蜂窩(超小型,家庭型)等,除網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、大小不同外,可能采用不同的接入技術(shù),因而稱為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNet)。由于毫米波具有豐富的頻譜資源,但傳播衰減較大,穿透能力弱,可用來(lái)提供LOS傳輸;而宏蜂窩采用較低的頻段傳輸信號(hào),從而保證甚至在NLOS條件下,獲得較大的、適當(dāng)?shù)母采w。而且,宏小區(qū)和小區(qū)基站采用不同的頻帶,可避免宏小區(qū)與小區(qū)之間的相互干擾。這種多頻段異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)例子如表1所示[1]。
圖2 5G的多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
表1 多頻段異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)舉例
要指出,小區(qū)的設(shè)置可能是離散的,即非無(wú)縫隙連接,這樣會(huì)產(chǎn)生越區(qū)切換的問(wèn)題,在每個(gè)小區(qū)基站中通過(guò)信令信道去實(shí)施是相當(dāng)復(fù)雜的;另外,用戶設(shè)備要配備雙頻段,也增加了復(fù)雜度和成本。一個(gè)解決方案是將用戶(U)和控制(C)平面分離,如圖3示。宏小區(qū)支持C平面和U平面二者的信令,通過(guò)宏小區(qū)通信進(jìn)行管理,利用用戶設(shè)備與宏基站之間進(jìn)行信令交互。小區(qū)僅用于傳遞用戶業(yè)務(wù)。宏基站能對(duì)用戶設(shè)備的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)進(jìn)行中心化集中管理。在典型的蜂窩區(qū)點(diǎn),有一基帶單元(BBU),用以處理用戶和控制數(shù)據(jù)。
圖3 用戶平面與控制平面的分離
現(xiàn)代通信過(guò)程通常是通過(guò)電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。完整的電信網(wǎng)絡(luò)的組成如圖4所示。其中,核心網(wǎng)是由長(zhǎng)途網(wǎng)和中繼網(wǎng)組成的,而用戶與核心網(wǎng)之間的接續(xù)網(wǎng)絡(luò),便是接入網(wǎng)(AN,Access Network)。
圖4 現(xiàn)代電信網(wǎng)絡(luò)的組成
圖4中,CPN為用戶駐地網(wǎng),UNI為用戶網(wǎng)絡(luò)接口,SNI為業(yè)務(wù)接點(diǎn)接口。
ITU-T G.902給出的接入網(wǎng)的定義是:AN是由業(yè)務(wù)接點(diǎn)接口(SNI)和相關(guān)用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)之間的一系列傳送實(shí)體(如線路設(shè)施和傳輸設(shè)施)所組成的、為傳送電信業(yè)務(wù)提供所需承載能力的實(shí)施系統(tǒng)。提出接入網(wǎng)(AN)的概念,其目的之一是采用多種傳輸媒體來(lái)靈活支持混合的不同接入類(lèi)型與業(yè)務(wù)。按此概念,接入網(wǎng)的物理媒體可以是基于有線(如光纖),也可以是基于無(wú)線的。無(wú)線接入網(wǎng)分為固定無(wú)線接入網(wǎng)和移動(dòng)接入網(wǎng)。
表2是mmMAGIC列出的毫米波移動(dòng)無(wú)線接入網(wǎng)的8種使用情況[2]。
表2 毫米波移動(dòng)無(wú)線接入網(wǎng)的8種使用情況
圖5給出了用戶設(shè)備通過(guò)WiFi中繼接入基站的示意圖。對(duì)于固定的無(wú)線接入,則如圖6所示,圖中的用戶轉(zhuǎn)接設(shè)備也就是無(wú)線路由器。在圖7所示的移動(dòng)用戶接入中,使用了一種稱為“Mobility First” 的路由器,它是采用一種適合移動(dòng)接入的新的互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議[3][4]。
圖5 用戶設(shè)備通過(guò)WiFi 中繼的接入
圖6 固定用戶設(shè)備的無(wú)線接入
圖7 移動(dòng)用戶設(shè)備的接入
在分層的電信網(wǎng)中,回程是核心網(wǎng)或骨干網(wǎng)和處于邊緣或遠(yuǎn)處的小子網(wǎng)之間的中間鏈路,是網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。在5G中,宏蜂窩基站與與小區(qū)基站之間,就是通過(guò)回程鏈路連接的。
在人口和通信設(shè)備密集的市區(qū),光纖作為回程鏈路得到了廣泛的應(yīng)用,它能提供高的數(shù)據(jù)速率和高的可靠性(達(dá)99.999%);而在人口較少的郊區(qū)和農(nóng)村,或光纖難以到達(dá)的地方,將采用無(wú)線回程鏈路,它具有高的性價(jià)比,并使運(yùn)營(yíng)商能獲得網(wǎng)絡(luò)端到端的控制,而無(wú)須租用第三方的有線回程連接。選擇微波還是毫米波,其最佳方案取決于傳播環(huán)境,以及系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù),如小區(qū)位置、配置密度、所要求的回程容量、干擾條件、成本、覆蓋、硬件要求等。
表3列出了用于5G小區(qū)基本的無(wú)線回程頻譜方案摘要。從表可見(jiàn),在網(wǎng)絡(luò)密集的市區(qū),用于回程鏈路的毫米波是更為可取的,下面將進(jìn)一步說(shuō)明。
表3 用于5G小區(qū)基本的無(wú)線回程頻譜方案摘要
在密集、超密集網(wǎng)絡(luò)中,小區(qū)部署在熱點(diǎn)地區(qū),如辦公大樓、購(gòu)物大廳和公寓等處,通過(guò)高速數(shù)據(jù)率提供來(lái)自宏蜂窩小區(qū)的卸載,以滿足這些熱點(diǎn)對(duì)大業(yè)務(wù)量的需求,因此,宏蜂窩小區(qū)基站與相關(guān)的小區(qū)基站之間的回程,應(yīng)提供大帶寬頻譜,用于可靠的鏈路傳輸,故無(wú)線方式中,毫米波是最好的選擇:
(1)高容量和可接受的成本付出。60GHz頻段和部分E頻段(71-80GHz),可提供潛在的GHz傳輸帶寬,傳送Gb/s級(jí)或更高速的大容量信息。
(2)干擾少。由于自由空間傳播損耗、大氣吸收和雨衰等因素制約,60GHz的傳播距離限于數(shù)百米,適合超密集小區(qū)的覆蓋,有利于頻率復(fù)用,降低小區(qū)間的干擾。
(3)小的“形成系數(shù)”,即設(shè)備的小型化。由于毫米波的波長(zhǎng)甚短,做成大陣列天線很容易安裝在宏蜂窩和小區(qū)基站上。而大天線陣列和波束形成有利于獲得高的天線增益、自適應(yīng)處理的能力。毫米波回程設(shè)備小而緊湊,很容易安裝在廉價(jià)的場(chǎng)所,如電燈柱上、建筑物墻壁上、公交站(圖8)等,安裝時(shí)間也較短。
圖8 毫米波回程設(shè)備安裝舉例
移動(dòng)前向鏈路(Fronthaul)是一種新的無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)架構(gòu)[6][7],由中心化(集中)的基帶單元(BBU)和獨(dú)立的無(wú)線前端組成。無(wú)線前端(RRH)可安裝在距離數(shù)千米至數(shù)十千米的遠(yuǎn)地小區(qū)處,即BBU與遠(yuǎn)地?zé)o線前端(RRU)的中間鏈路。
圖9 前向鏈路的連接
圖9中,引進(jìn)了基于集中化管理、協(xié)作無(wú)線電和實(shí)時(shí)云計(jì)算架構(gòu)的無(wú)線接入網(wǎng),簡(jiǎn)稱云—無(wú)線接入。其間,多個(gè)小區(qū)基站作為無(wú)線遠(yuǎn)程前端(RRH),多個(gè)基帶處理單元(BBU)組成“BBU 池”。RHH負(fù)責(zé)射頻信號(hào)下行鏈接移動(dòng)站(用戶設(shè)備),而基帶信號(hào)通過(guò)上行鏈路到BBU池處理,所有RRH可連接到一開(kāi)關(guān)(交換)設(shè)備,以便將來(lái)自單個(gè)或多個(gè)RRH的上行信號(hào),靈活地、動(dòng)態(tài)地安排給BBU處理;BBU池就成為虛擬的基站,可處理基帶信號(hào)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。