面向5G超密集組網(wǎng)的無線回傳技術(shù)

付秀花

【摘 要】超密集組網(wǎng)是保證5G技術(shù)目標(biāo)的主要保證之一。分析了5G超密集組網(wǎng)的無線回傳需求，論述了無線自回傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)5G超密集組網(wǎng)的可行性。最后重點(diǎn)分析了無線自回傳的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括路由管理、資源分配以及接入網(wǎng)緩存等。

【關(guān)鍵詞】超密集組網(wǎng)（UDN）;小基站;回傳鏈路;無線自回傳

中圖分類號(hào)： TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）27-0011-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.004

【Abstract】Ultra Dense Network （UDN） is one of the main guarantees to ensure 5G technical goals. The paper analyzed the wireless backhaul requirements of 5G UDN， and discussed the feasibility of wireless self-backhaul technology to realize 5G UDN. Finally， the key technical issues of wireless self-backhaul are analyzed， including routing management， resource allocation， and access network caching.

【Key words】Ultra Dense Network （UDN）; Micro-Base Station; Backhaul Link; Wireless self-Backhaul

第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）使用Sub6G和毫米波頻段為用戶提供更高的傳輸速率、更大的連接數(shù)和更低的時(shí)延，并要實(shí)現(xiàn)更高系統(tǒng)容量、更高頻譜效率以及更低能耗。超密集組網(wǎng)是滿足5G技術(shù)目標(biāo)的主要保證之一，也是5G關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 5G超密集組網(wǎng)需求

由于采用更適合移動(dòng)通信的無線電工作頻段，傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)基本采用宏站覆蓋方式。盡管5G采用更高的工作頻段實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率，但由于頻譜越高，傳輸損耗越大，5G基站的覆蓋距離將大大減小，從而導(dǎo)致5G基站的數(shù)量需求大大增加。但僅依靠宏站進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋是不現(xiàn)實(shí)的，一是現(xiàn)有宏站已經(jīng)占據(jù)了有利的地理位置，很難再找到建設(shè)大量5G宏站的新站址;二是宏站建設(shè)周期長(zhǎng)、代價(jià)高、功耗大、輻射高，并不適合高密度大規(guī)模建設(shè)。 因此，5G網(wǎng)絡(luò)部署將是宏站和大量小基站共同覆蓋的情況，尤其是在密集城區(qū)和熱點(diǎn)地區(qū)等，需要大量小基站來擴(kuò)展5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，增加系統(tǒng)容量和提升用戶傳輸速率，形成5G超密集組網(wǎng)的架構(gòu)[1]。

2 5G超密集組網(wǎng)的無線回傳需求和方式

對(duì)于宏基站和小基站以及小基站之間的連接，可以采用光纖有線連接，也可以采用無線連接方式。受光纖傳輸資源成本及鋪設(shè)情況限制，基站間采用大量有線連接方式不可行，因此，基站間無線傳輸將成為5G無線接入網(wǎng)絡(luò)可預(yù)見的一種主要連接方式。而且，由于5G小基站部署的靈活性和即插即用需求，也使得無線傳輸成為基站間連接的一種有效解決途徑。與用戶終端（UE）到基站的接入鏈路相對(duì)應(yīng)，基站間以及基站到核心網(wǎng)之間的鏈路統(tǒng)稱為回傳鏈路?？梢灶A(yù)見，除了5G宏基站到核心網(wǎng)以及少量小基站到宏基站采用有線回傳方式，大量的小基站到宏基站以及小基站之間將主要采用無線回傳方式進(jìn)行部署建網(wǎng)。

目前全球有一半左右的移動(dòng)基站通過微波進(jìn)行回傳，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的快速部署，微波作為一種主要的傳統(tǒng)無線回傳方式仍將得到一定應(yīng)用。另外，考慮到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)在辦公樓、校園、家庭等區(qū)域的廣泛覆蓋，基于Wi-Fi技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)回傳是未來無線接入網(wǎng)絡(luò)的一種趨勢(shì)。對(duì)于微波回傳，會(huì)增加硬件成本以及額外的頻譜代價(jià)，較低的小基站天線高度使得微波信號(hào)更容易被遮擋，回傳鏈路信號(hào)波動(dòng)起伏較大。對(duì)于基于Wi-Fi的無線回傳，由于使用非授權(quán)頻段，無線信道傳輸質(zhì)量得不到保障。目前，采用無線自回傳技術(shù)，是業(yè)界正在積極探索的5G無線回傳方式[2]。在5G無線自回傳方式中，回傳鏈路和接入鏈路通過時(shí)分或頻分等方式共享無線頻譜資源，使用相同無線傳輸技術(shù)，從而減少硬件和頻譜成本，降低部署成本，有效保證無線回傳鏈路傳輸質(zhì)量，提高傳輸可靠性和有效性。初步研究證實(shí)，利用毫米波進(jìn)行無線回傳具有一定的可行性。Facebook的Terragraph 網(wǎng)絡(luò)將城市路燈網(wǎng)絡(luò)更新成具有無線信號(hào)傳輸功能的收發(fā)設(shè)備，并形成毫米波無線回傳網(wǎng)狀網(wǎng)。AT&T的AirGig項(xiàng)目在電線桿上安裝毫米波頻段收發(fā)設(shè)備，通過構(gòu)建強(qiáng)大的無線回傳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外信號(hào)的無縫覆蓋。2018年底，德國(guó)電信和愛立信聯(lián)合進(jìn)行了E-band毫米波頻段無線回傳傳輸測(cè)試，利用愛立信最新的移動(dòng)傳輸技術(shù)，在1.4km傳輸距離下實(shí)現(xiàn)了40Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時(shí)，該測(cè)試還實(shí)現(xiàn)了100μs的鏈路往返延遲，證實(shí)了毫米波無線回傳技術(shù)不僅可以滿足5G網(wǎng)絡(luò)的高傳輸速率需求，也可以滿足5G網(wǎng)絡(luò)特定的低時(shí)延延遲要求。

在基于無線回傳的5G超密集組網(wǎng)下，小基站將通過多跳的形式形成自組織網(wǎng)絡(luò)，大量小基站通過兩跳或多跳無線回傳路徑接入宏基站，再通過宏基站接入移動(dòng)通信核心網(wǎng)，如圖1所示。對(duì)于小基站，由于與宏站一般相距較遠(yuǎn)，高頻段情況下信號(hào)損耗快、穿透和繞射能力等都較差，如果以一跳路徑接入宏站，將無法保證小基站穩(wěn)定的回傳鏈路質(zhì)量。而且，考慮到回傳鏈路的傳輸開銷以及IP層協(xié)議安全開銷等，回傳鏈路的容量一般要比接入鏈路的峰值速率高。如果大量小基站通過一跳路徑接入宏站，對(duì)宏站的回傳鏈路將造成巨大挑戰(zhàn)。因此，小基站應(yīng)盡可能選擇周圍鄰近的小基站作為宿主基站，回傳鏈路情況較好，能夠支持大帶寬高速率數(shù)據(jù)傳輸。

3 無線自回傳關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1 路徑建立和路由管理

基于無線自回傳技術(shù)的5G小基站需要具備即插即用功能，當(dāng)小基站部署好開機(jī)后，需要發(fā)現(xiàn)一個(gè)宿主基站，以便連接到5G無線接入網(wǎng)絡(luò)。為節(jié)約5G基站的能量消耗，由剛開機(jī)的小基站主動(dòng)發(fā)起發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求，具備宿主功能的5G基站收到請(qǐng)求后進(jìn)行響應(yīng)，小基站根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度、距離以及響應(yīng)消息中包含的可用傳輸資源、業(yè)務(wù)負(fù)載等綜合因素選擇一個(gè)最優(yōu)的5G基站作為其宿主基站。為保證無線回傳的魯棒性，可選擇一個(gè)最優(yōu)的作為主宿主基站，其他若干個(gè)次優(yōu)的作為輔宿主基站。從數(shù)學(xué)模型上來看，5G超密集組網(wǎng)的基站間將可能構(gòu)成一個(gè)有向有環(huán)圖。無線自回傳網(wǎng)絡(luò)的路徑建立就是找到一條最優(yōu)的5G小基站到5G宏站的路徑。

無線自回傳網(wǎng)絡(luò)路徑建立可以采用集中式和分布式兩種方式。集中式方法中，5G接入網(wǎng)絡(luò)需要有一個(gè)集中控制節(jié)點(diǎn)，可以是5G宏站，也可以單獨(dú)開發(fā)其功能設(shè)備。集中式控制節(jié)點(diǎn)獲取5G基站間的相互連接信息，對(duì)無線自回傳網(wǎng)絡(luò)路徑進(jìn)行整體規(guī)劃，并把結(jié)果通知給各個(gè)5G基站。這種方式可以獲取整體最優(yōu)，但不夠靈活、反應(yīng)較慢。分布式路徑建立不需要開發(fā)額外集中控制功能，每個(gè)小基站獲取無線鄰居基站的路徑信息，進(jìn)行局部最優(yōu)選擇。這種方式雖然不一定能獲取整體最優(yōu)，但快速靈活、開發(fā)成本低。

為了提高無線回傳鏈路的傳輸帶寬和傳輸性能，可以在無線自回傳網(wǎng)絡(luò)中建立多連接路徑，小基站通過多跳路徑連接到5G宏站。在多連接傳輸模式中，需要解決的問題是控制面和用戶面功能分配以及用戶面承載資源在不同連接路徑上的均衡分配。

5G小基站間運(yùn)行時(shí)業(yè)務(wù)需求、無線傳輸鏈路狀況等都可能發(fā)生變化。另外，5G小基站具有游牧部署需要，出于綠色環(huán)保和節(jié)能考慮，小基站也可能存在不斷開關(guān)的情況。因此，無線回傳鏈路需要實(shí)時(shí)更新。路徑更新的前提是無線回傳鏈路傳輸情況的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量和傳遞。

3.2 回傳鏈路和接入鏈路聯(lián)合資源分配

無線鏈路傳輸是影響移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素。對(duì)于基于無線自回傳技術(shù)的5G超密集無線接入網(wǎng)，接入鏈路和回傳鏈路的傳輸質(zhì)量都會(huì)直接影響5G用戶體驗(yàn)，因此在進(jìn)行無線資源分配時(shí)，需要綜合考慮用戶業(yè)務(wù)需求、傳輸鏈路質(zhì)量等情況，對(duì)接入鏈路和回傳鏈路進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，并進(jìn)行聯(lián)合資源分配。

回傳鏈路和接入鏈路可以同頻部署（帶內(nèi)方式），也可以異頻部署（帶外方式）[3]。同頻部署較為簡(jiǎn)單，但回傳鏈路占用了部分系統(tǒng)傳輸資源，降低了用戶傳輸速率。異頻部署較為復(fù)雜，小基站射頻要具備多套收發(fā)裝置，但可以獲取更大的頻譜效率和用戶傳輸速率。除了頻譜帶寬資源，基站功率、CPU處理能力、天線數(shù)量等也是需要聯(lián)合分配的系統(tǒng)資源。系統(tǒng)資源分配就是要分配給不同用戶合適的接入資源，并分配給不同小基站合適的回傳資源。如果接入資源太多，回傳資源太少，回傳鏈路就會(huì)成為無線接入傳輸瓶頸。如果分配給回傳鏈路較多的資源，接入鏈路的傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)容量就得不到保證，回傳鏈路的利用率也不會(huì)很高。因此，系統(tǒng)無線資源分配就是在接入資源和回傳資源間尋找最佳平衡點(diǎn)，使系統(tǒng)容量、頻譜效率、功率效率等同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

3.3 接入網(wǎng)緩存

為滿足5G網(wǎng)絡(luò)端到端低時(shí)延要求，5G引入移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）技術(shù)。MEC要求在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣部分部署本地計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，其中一項(xiàng)保障措施就是可以在無線自回傳網(wǎng)絡(luò)的小基站中進(jìn)行業(yè)務(wù)內(nèi)容緩存。實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)緩存后，用戶請(qǐng)求的熱點(diǎn)文件或相同文件可直接從緩存的5G基站中獲取，而不用再訪問核心網(wǎng)。這樣，既大大減少了網(wǎng)絡(luò)延遲，也可以降低回傳鏈路的負(fù)載，從而減小回傳資源需求，提高接入資源分配，增加5G接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。

接入網(wǎng)緩存要解決兩大問題。一是進(jìn)行準(zhǔn)確的業(yè)務(wù)內(nèi)容預(yù)測(cè)，基于用戶在熱點(diǎn)地區(qū)和密集區(qū)域訪問文件的聚集性，通過用戶訪問行為分析，預(yù)測(cè)或統(tǒng)計(jì)出用戶要訪問的相同文件內(nèi)容，以提高用戶訪問命中率。二是選擇合適的小基站傳輸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩存，在不同傳輸節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行緩存內(nèi)容分配，同時(shí)考慮緩存資源成本和訪問命中率兩項(xiàng)指標(biāo)，提高無線自回傳網(wǎng)絡(luò)整體最優(yōu)的資源配置和傳輸性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉毅，劉紅梅.面向5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的密集組網(wǎng)實(shí)踐與研究[J].移動(dòng)通信，2018，42（01）：43-48.

[2]馮桂敏，吳國(guó)良，韋鳳.5G網(wǎng)絡(luò)基站無線回傳技術(shù)研究[J].電信技術(shù)，2018（08）：12-14.

[3]張靜雷，邱玲.基于帶內(nèi)自回傳小基站系統(tǒng)的干擾抑制方案[J].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，33（04）：548-553.