5G超密集組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與組網(wǎng)架構(gòu)

李 瓊

（洛陽鐵路信息工程學(xué)校，河南 洛陽 471000）

1 5G超密集的背景分析

依據(jù)香農(nóng)理論進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)容量的分析，目前多以頻譜效率提升、帶寬增加、小區(qū)分裂作為常用容量提升手段。其中對于MAC調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)、多址技術(shù)等無線物理層技術(shù)的應(yīng)用，盡管可發(fā)揮出頻譜效率提升的作用，但其效率提升僅控制在幾十倍左右，頻譜效率與帶寬方面的優(yōu)化涉及較大成本投入，并因研發(fā)難度過大導(dǎo)致成果周期較長。在此背景下，頻譜效率與帶寬優(yōu)化難以滿足5G數(shù)據(jù)海量增長的需求，亟須借助更為合理、有效的手段來解決問題，而超密集組網(wǎng)技術(shù)則是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)容量提升的最佳手段之一[1]。

基于5G網(wǎng)絡(luò)的逐步普及，超密集組網(wǎng)應(yīng)用主要是合理控制小區(qū)半徑，通過對傳輸節(jié)點(diǎn)的密集部署來達(dá)到覆蓋范圍內(nèi)小區(qū)數(shù)量增多的目的，確保系統(tǒng)容量提升效果符合海量數(shù)據(jù)增長的需求。相關(guān)研究表明，通信系統(tǒng)在處于超密集組網(wǎng)環(huán)境時(shí)，覆蓋區(qū)內(nèi)小區(qū)密度與系統(tǒng)容量之間呈現(xiàn)出正比增長關(guān)系，且系統(tǒng)容量增長具備線性特點(diǎn)。所以，為有效降低數(shù)據(jù)流量增長對5G網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響，需重視對超密集組網(wǎng)的合理部署[2]。

2 超密集組網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)分析

5G UDN部署的場景需求：一是通過容量保障來支撐高流量熱點(diǎn)區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行，即在系統(tǒng)中部署微基站來達(dá)到容量擴(kuò)增的目的。二是覆蓋補(bǔ)盲，即對覆蓋區(qū)域內(nèi)部署宏基站來達(dá)到空洞區(qū)域補(bǔ)充的目的，進(jìn)行覆蓋補(bǔ)充時(shí)以微基站的建設(shè)為基準(zhǔn)[3]。

2.1 宏基站—微基站模式分析

該模式中主基站通常為宏基站，運(yùn)行期間承擔(dān)著信令基站控制、無線資源協(xié)調(diào)、基站切換、微基站接入控制、移動(dòng)性管理等職責(zé)，而微基站在該模式下僅需進(jìn)行范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的承載，保障數(shù)據(jù)流量得以有效分流控制（如圖1所示）。

圖1 宏基站-微基站模式

運(yùn)行期間分別采用不同RAT技術(shù)支撐宏基站與微基站功能，其中微基站無線回傳的實(shí)現(xiàn)與頻譜接入的方式一致，同時(shí)依托雙連接技術(shù)，以終端側(cè)為載體進(jìn)行宏基站與微基站同步連接，避免因切換過于頻繁影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定性，并以分離的形式進(jìn)行承載與控制的處理[4]。

2.2 微基站——微基站的模式分析

不同于宏基站-微基站模式，該模式下，以成片微基站構(gòu)建“簇”，且“簇”可依托虛擬小區(qū)技術(shù)進(jìn)行多層網(wǎng)的建構(gòu)，其中涉及多個(gè)物理微小區(qū)與一個(gè)虛擬宏小區(qū)（見圖2）。在運(yùn)行期間，微基站均以虛擬宏小區(qū)為載體來實(shí)現(xiàn)無線資源協(xié)調(diào)、干擾協(xié)調(diào)、接入控制、外基站切換控制、移動(dòng)性管理等功能，而覆蓋區(qū)內(nèi)則由物理微小區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)承載[5]。

圖2 微基站-宏基站模式

在構(gòu)建虛擬宏小區(qū)時(shí)需進(jìn)行多個(gè)微基站對信號、載波、信道等部分資源共享，且簇內(nèi)微基站對于控制面板承載傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)需以相同資源為基準(zhǔn)，以確保承載與控制處于分離狀態(tài)。針對虛擬宏小區(qū)技術(shù)的應(yīng)用，可同時(shí)兼容單載波配置或多載波配置基站。若以單載波配置為基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)虛擬宏小區(qū)，需在小區(qū)構(gòu)建時(shí)采用不同信道或信號；若以多載波配置為基準(zhǔn)進(jìn)行虛擬宏小區(qū)構(gòu)建，可在構(gòu)建時(shí)對不同載波合理應(yīng)用。對于數(shù)據(jù)承載與分離目的的達(dá)成，需在無線資源相同的前提下，利用各微基站進(jìn)行控制面的承載，并在剩余無線資源中以獨(dú)立的形式實(shí)現(xiàn)微基站數(shù)據(jù)承載[6]。

3 5G超密集組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 多鏈接技術(shù)的分析

5G通信背景下，對于宏微異構(gòu)組網(wǎng)的應(yīng)用，通常會(huì)在熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行微基站的合理部署，并保證微基站處于非連續(xù)覆蓋的狀態(tài)[7]。所以，微基站的構(gòu)建需在增設(shè)以信令基站為基準(zhǔn)的控制功能基礎(chǔ)上，結(jié)合對實(shí)際部署要求的分析，按照控制指令提供末端用戶面數(shù)據(jù)。在5G超密集異構(gòu)組網(wǎng)過程中，多連接技術(shù)的有效應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)以多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行宏微基站與用戶終端的連接，且不同節(jié)點(diǎn)支持多個(gè)或單個(gè)無線接入。同時(shí)，宏微小區(qū)因不涉及用戶面處理，無須同步處理即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，確保宏微小區(qū)運(yùn)行不受回傳鏈路的影響。在雙鏈接模式下，可實(shí)現(xiàn)以雙鏈接形式來支撐宏基站有效運(yùn)行，并以集中統(tǒng)一的方式進(jìn)行宏基站有效控制。而微基站需借助雙鏈接來輔助控制，并在運(yùn)行期間僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)承載，輔基站在運(yùn)行期間無需與UE控制面保持連接狀態(tài)。此外，對于無線資源管理會(huì)通過主副基站進(jìn)行功能協(xié)商，對于配置信息可將輔基站作為發(fā)送者，以X2借口為載體在主基站和輔基站之間進(jìn)行傳遞，最后僅需將主基站作為途徑即可將RRC消息傳輸至UE。

3.2 接入與回傳聯(lián)合設(shè)計(jì)

接入與回傳聯(lián)合設(shè)計(jì)在5G超密集組網(wǎng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可借助多跳多路徑、混合分層等技術(shù)來支撐超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行[8]。對于混合分層而言，主要是對于不同基站在架構(gòu)中進(jìn)行標(biāo)示分層，其中一級回傳層涉及宏基站以及享有回傳資源的小基站，而一級回傳層基站與一跳形式基站連接則為二級回傳層。對于多跳多路徑回傳而言，主要無線回傳小基站及其相鄰基站視情況進(jìn)行多跳路徑的擇優(yōu)選擇，且系統(tǒng)容量得益于多路徑承載管理與建設(shè)實(shí)現(xiàn)增大效益。自回傳技術(shù)主要是將無線傳輸技術(shù)應(yīng)用于接入與回傳鏈路中，以同個(gè)頻帶為基準(zhǔn)進(jìn)行鏈路控制。對于回用資源的控制以頻分或時(shí)分方式作為主要控制方式。

3.3 干擾管理與抑制

需注意的是，在系統(tǒng)容量不斷提升過程中，受到覆蓋范圍重疊、小區(qū)部署愈發(fā)密集等因素的影響，極易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中出現(xiàn)干擾問題，為此，需借助有效干擾管理與抑制手段來支撐5G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行[9]，其中，以自適應(yīng)小小區(qū)分簇、多小區(qū)協(xié)作傳輸?shù)燃夹g(shù)應(yīng)用較為常見。例如，自適應(yīng)小小區(qū)分簇技術(shù)的應(yīng)用，主要是以子幀、開關(guān)狀態(tài)的優(yōu)化調(diào)整為前提，形成小小區(qū)分簇來抑制干擾。在明確實(shí)際狀態(tài)的前提下，將無須提供額外容量或無用戶連接的小小區(qū)關(guān)閉，以降低干擾，減少對臨近小小區(qū)的影響。即使在超級小區(qū)場景狀態(tài)下，若實(shí)際激活的CP下發(fā)功率與UE接收CRS功率存在差異，極易對UE下行解調(diào)效果產(chǎn)生影響，此時(shí)可通過關(guān)閉話務(wù)量較低的小小區(qū)方式來降低干擾。在集中控制下，多小區(qū)協(xié)作傳輸則是在合理選擇相關(guān)小區(qū)的前提下，以聯(lián)合協(xié)作傳輸?shù)姆绞絹頊p小干擾，對來自于多個(gè)小區(qū)的信號利用終端進(jìn)行合并處理，在促進(jìn)系統(tǒng)頻譜優(yōu)化的同時(shí)，避免網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行受到嚴(yán)重的干擾。以分簇為基準(zhǔn)，依照干擾抑制最優(yōu)的原則進(jìn)行多小區(qū)頻率資源的合理協(xié)調(diào)，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行密集小基站資源的劃分處理，可為邊緣用戶體驗(yàn)效果的增強(qiáng)助力。

3.4 小區(qū)虛擬化技術(shù)

在5G超密集組網(wǎng)中該技術(shù)應(yīng)用涉及軟扇區(qū)技術(shù)、虛擬化小區(qū)技術(shù)以及虛擬層技術(shù)等。其中虛擬化小區(qū)技術(shù)強(qiáng)調(diào)以用戶為核心，可在突破小區(qū)邊界的前提下以用戶為中心，并圍繞用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋處理。若用戶處于移動(dòng)狀態(tài)，虛擬小區(qū)會(huì)隨之更新變化，并保證用戶終端與虛擬小區(qū)間鏈路始終處于較為理想的狀態(tài)，確保在部署區(qū)域內(nèi)無論用戶怎樣移動(dòng)，其高QoS//QoE的獲取均處于一致水平[10]。針對虛擬層技術(shù)應(yīng)用，主要以密集部署下小基站實(shí)體層與虛擬層網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)為基準(zhǔn)。在運(yùn)行期間，虛擬層控制信令的實(shí)現(xiàn)包括尋呼與廣播，并有助于促進(jìn)移動(dòng)性管理的優(yōu)化。而實(shí)體層則以數(shù)據(jù)傳輸為主要功能體現(xiàn)，若虛擬層中用戶存在快速移動(dòng)情況，可借助虛擬層技術(shù)來規(guī)避小區(qū)切換、重選情況出現(xiàn)，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)度。針對軟扇區(qū)技術(shù)應(yīng)用，則是以波束賦形的方式對集中式設(shè)備進(jìn)行軟扇區(qū)構(gòu)建，確保站址、設(shè)備、傳輸大量產(chǎn)生時(shí)的成本得以有效控制。在實(shí)際應(yīng)用過程中，基于對集中式天線系統(tǒng)構(gòu)建，依托有小區(qū)分裂技術(shù)、多輸入多輸出技術(shù)等，可做到對小區(qū)特性波束的半靜態(tài)賦形，使其以類似于虛擬化的UDN形態(tài)存在。波束成型后會(huì)進(jìn)行物理小區(qū)廣播信息和ID的賦予，其形態(tài)類似于獨(dú)立小區(qū)，可借助干擾協(xié)調(diào)技術(shù)來抑制虛擬小區(qū)間存在的干擾問題，對于宏基站小區(qū)可以窄波束虛擬小區(qū)為載體進(jìn)行虛擬，構(gòu)建具備異構(gòu)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。另外，通過對統(tǒng)一化平臺(tái)的建構(gòu)，有助于提升物理小區(qū)、虛擬軟扇區(qū)的維護(hù)的有效性。將虛擬小區(qū)技術(shù)與傳統(tǒng)UDN技術(shù)比對，具體表現(xiàn)如下。

（1）在設(shè)備實(shí)現(xiàn)方面。傳統(tǒng)UDN技術(shù)涉及到對回傳資源、站址資源的大量應(yīng)用，而虛擬小區(qū)對于TXRU的需求量較低，且僅需少量波束即可實(shí)現(xiàn)集中式部署。

（2）在標(biāo)準(zhǔn)化與兼容性方面。傳統(tǒng)UDN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性，對于相關(guān)干擾抑制技術(shù)有較強(qiáng)依賴性。而虛擬小區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化影響明顯更低，可以更為自然的方式進(jìn)行終端接入。

（3）在適合場景方面。傳統(tǒng)UDN技術(shù)以用戶分布熱點(diǎn)場景為主，而虛擬小區(qū)技術(shù)極易在使用過程中受到限制，對于用戶熱點(diǎn)分布有可分辨限制，且需以宏基站覆蓋為前提。同時(shí)，虛擬小區(qū)技術(shù)目前無法適用于大型集會(huì)、密集住宅等場景[11]。

4 5G超密集組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究重點(diǎn)

為促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)的全面布設(shè)，未來需將研究重點(diǎn)放在以下方面：一是對于微基站——宏基站模式而言，需加大對微基站簇邊界設(shè)置的研究力度，進(jìn)而為容量的優(yōu)化控制提供支撐。二是結(jié)合實(shí)際發(fā)展需求制定更為科學(xué)的無線回傳頻譜策略，并重視對編碼技術(shù)的創(chuàng)新要求，以加強(qiáng)全雙工的干擾規(guī)避效果。三是加大對集中控制功能算法的研究力度，進(jìn)一步促進(jìn)頻譜效率的提升。四是研究在超密集組網(wǎng)中進(jìn)行D2D技術(shù)的合理應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)回傳網(wǎng)絡(luò)壓力的降低，并通過時(shí)延優(yōu)化控制來提高用戶滿意度。五是加大對超密集組網(wǎng)中自適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用的研究力度，促使5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性得以顯著提升。

5 結(jié)束語

綜上所述，5G網(wǎng)絡(luò)的全面普及離不開超密集組網(wǎng)技術(shù)的有效應(yīng)用，可在促進(jìn)基站加密部署優(yōu)化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)質(zhì)量的有效提升。多連接、虛擬小區(qū)、無線回傳等技術(shù)的有效應(yīng)用，可為5G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供支撐。未來需亟須加大對超密集組網(wǎng)技術(shù)的研究力度，將微基站簇邊界設(shè)置原則、集中控制功能算法、D2D技術(shù)應(yīng)用等作為研究重點(diǎn)，確保5G網(wǎng)絡(luò)全面普及與部署。