5G超密集網絡虛擬化解決方案

周宏成

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

5G超密集網絡虛擬化解決方案

周宏成

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

密集部署傳輸節點，減少小區半徑，獲得更大的小區分裂增益是5 G超密集網絡實現容量提升目標的關鍵手段。本文首先介紹了5 G超密集網絡的含義、典型覆蓋場景和面臨的挑戰；其次，分析了5 G虛擬化網絡架構；最后介紹了5 G移動通信系統以用戶為中心的虛擬化技術，重點介紹了小區虛擬化和終端虛擬化技術在解決移動性和干擾問題方面的優勢。

5 G；超密集網絡；虛擬小區；網絡架構；終端虛擬化

1 概述

5G移動通信系統較4G系統在網絡容量方面達到1000倍的提升，減少小區半徑、密集部署傳達節點，獲得更大的小區分裂增益是達到這一目標的關鍵手段。隨著小區分裂技術的發展，低功率傳輸節點（TP）被部署在宏基站覆蓋范圍內，形成了由宏基站和微基站組成的多層異構網絡（Het-Net）。HetNet既保證了小區覆蓋，又提升了系統容量。超密集網絡（UDN）是小區增強技術的進一步演進。在超密集網絡中，低功率傳輸節點的密度進一步提高，覆蓋范圍進一步縮小，服務對象局限在很少幾個用戶。超密集網絡部署拉近了低功率傳輸節點與終端的距離，使得他們的發射功率大大降低，且非常接近，上下行鏈路的差別也越來越小。隨著網絡密集化程度的不斷提高，干擾和移動性問題變得越來越嚴重，以小區為中心的架構已經不能滿足5G網絡的需求。5G提出了以用戶為中心的小區虛擬化技術，使服務區內不同位置的用戶都能根據其業務QoE（Quality of Experience）的需求獲得高速率、低時延的服務，解決小區邊緣效應問題，達到“一致的用戶體驗”的目標。本文首先介紹了5G超密集網絡的典型場景，然后分別介紹了5G虛擬化網絡架構、小區虛擬化及終端虛擬化解決方案。

2 5G超密集典型場景

5G超密集網絡是基于場景驅動的，IMT-2020歸納了6大典型的超密集網絡場景，即密集住宅區、密集商務區、公寓、購物中心及交通樞紐、大型活動場館、地鐵。

(1)場景一：密集住宅區

該場景同時存在室外移動狀態用戶和室內靜止狀態用戶，用戶密度較高。該場景業務類型豐富多樣，包括FTP業務、互動游戲、視頻業務、上網瀏覽等。在超密集部署傳輸節點的情況下，系統的邊緣效應會變得非常突出。如何有效解決邊緣效應問題，讓不同位置的終端有相同的、高質量的通信體驗是這一場景需要重點解決的問題。

(2)場景二：密集商務區

密集商務區以室內用戶為主，且多為高端用戶，以FTP、視頻業務、移動辦公等業務為主。在該場景通過部署低功率傳輸節點提供高容量的數據傳輸服務。超密集部署使每個傳輸節點的服務終端數降低，各個傳輸節點處于中、低負載狀態，進而產生上、下行業務量的較大波動。為了在上下行鏈路業務波動時充分利用資源，該場景需要使用動態上下行資源分配技術。

(3)場景三：公寓

公寓為室內低用戶密度場景，用戶以靜止狀態為主，包括高、中、低端用戶，業務類型比較豐富，需要針對混合業務進行部署。該場景存在室內傳輸節點與室外基站間的干擾，室內傳輸節點之間的干擾；每個傳輸節點負載不均衡，需使用上下行鏈路動態資源分配技術。

(4)場景四：購物中心及交通樞紐

該場景包括大型商場、城市綜合體、機場、火車站等，室內用戶高度密集，用戶處于移動狀態，業務類型豐富。在該場景中，低功率節點密集部署在室內，提供大容量的數據傳輸業務。為了實現室內廣域覆蓋，在低功率傳輸節點的基礎上再部署高功率傳輸節點，形成多層室內異構網絡。

(5)場景五：大型活動場館

該類場景包括體育場館、音樂廳、會展中心等，用戶密度在活動期間非常高，平時則非常低。該場景部署的低功率傳輸節點使用定向天線，無線信號的傳播以直射為主。該場景業務以視頻業務為主，且上行業務大于下行業務。該場景空曠區域較大，需要解決干擾問題、核心網信令壓力和上行業務風暴問題。

(6)場景六：地鐵

該場景用戶超高密度分布在車廂和站臺里，車廂用戶處于高速移動狀態，業務類型多種多樣。該場景在車廂內密集部署低功率傳輸節點提供高速數據服務，也可以在地鐵沿線部署泄露電纜，利用沿線的外部基站為車廂用戶提供服務。

3 5G虛擬化網絡架構

5G網絡架構的虛擬化包括H0層的核心網虛擬化，H1層宏基站和微基站組成的基站層虛擬化，H2層由終端設備組成的終端云虛擬化，以及H1/H2層之間由中繼站和用戶設備通過虛擬化技術混合組成的中繼云虛擬化。5G的虛擬化網絡架構在多層實現如圖1所示。

圖1 5G多層虛擬化的網絡架構

上述網絡架構中，同一層內相對于跨層間存在高容量和低成本的同層通信技術。核心網的網元間和基站之間通過光纖進行連接，在終端層和中繼層內，采用設備直通（D2D）技術以及有線直連技術。設備直通技術通過使用豐富的頻譜資源、高頻譜效率和近距離低功率提供的高空間重用因子，實現大容量、低成本的通信。因此，無線接入網的瓶頸在于層間通信，特別是基站層和終端層之間的通信。

終端虛擬化和小區虛擬化賦予了層間協作更大的自由度，為層間通信帶來了更高的可靠性和靈活性。通過增加層內通信量，緊密的層內協作換來了更加高效的層間通信。在虛擬終端和虛擬小區間，通信鏈路可以被靈活選擇或者聯合處理以提高鏈路的效率。

4 5G小區虛擬化

5G小區虛擬化采用平滑的、以用戶為中心的虛擬小區（Smooth Virtual Cell，SVC），用于解決超密集網絡的移動性和干擾問題，為用戶提供一致的服務體驗。SVC基于混合控制機制進行工作，用戶周圍的多個傳輸節點形成一個虛擬小區，其中一個節點被選為主控傳輸節點（Master TP，MTP），負責管理虛擬小區的工作過程，以及虛擬小區內其他節點的行為。不同主控傳輸節點之間交互各自虛擬小區的信息，通過協商的方式實現虛擬小區之間的協作，解決沖突。虛擬小區內各個傳輸節點之間，以及相鄰虛擬小區主控傳輸節點之間的距離比較近，因此SVC可以實現快速控制或協作。SVC技術在移動性和干擾方面具有一定的優勢，下面分別予以說明。

(1)移動性

在LTE R8階段引入了硬切換技術，主要解決宏小區之間的移動性問題，但隨著5G異構網絡的引入和網絡超密集程度的提高，硬切換技術越來越不適用于5G網絡。在硬切換過程中，通常需要鏈路質量在一段時間內持續低于某個門限才能進行切換，在切換時鏈路質量已經惡化。由于TCP的慢啟動特性，即便在切換完成后，TCP層需要較長的時間才能恢復性能，導致用戶的體驗下降。在5G超密集網絡中，終端數據速率較高，切換頻繁，如果采取硬切換，問題會變得更嚴重，SVC技術能夠支持靈活、快速的服務節點選擇，使用戶的鏈路質量變得更加平穩，保證了用戶體驗的一致性。

使用SVC技術，傳輸節點在加入虛擬小區之前已經完成了資源預留，在需要轉換服務節點時，不會發生虛擬小區內的傳輸節點拒絕成為服務節點的情況，終端鏈路質量可以保持在平穩狀態，降低了無線鏈路失敗的概率。另外，使用SVC技術使得傳輸節點在加入虛擬化小區時就已完成了上行定時測量，并不斷進行更新，當MTP決定轉換服務節點時，可以直接將上行定時信息發送給終端，避免數據傳輸的中斷。

(2)干擾問題

由于干擾和業務的突發性，不論用戶處于移動還是靜止狀態，用戶體驗都有可能隨著時間的變化而變化。小區專有參考信號是超密集網絡的主要干擾源之一，極大地限制了超密集網絡的增益。SVC技術利用SoTA實現虛擬小區之間的分布式協作和虛擬小區內的集中控制，根據用戶的業務狀態和干擾環境，動態打開或關閉傳輸節點，通過這種方式發送參考信號有效地解決了小區專有信號干擾問題。除此之外，突發數據產生的干擾也會導致信道質量的變化，對用戶體驗產生影響。通過虛擬化小區間的快速協作，可以有效控制信噪比的波動范圍，實現一致的用戶體驗。

相對于LTE的CoMP技術，SVC技術通過混合式控制/管理機制，以及SoTA等技術手段，實現了無規劃或半規劃部署低功率傳輸節點，在有效降低網絡部署成本的同時，達到干擾抑制的效果。

5 5G終端虛擬化

終端虛擬化是在鄰近用戶間，或同一個用戶的多個設備間組成一個虛擬用戶組或終端組，從基站側聯合接收或者傳輸數據，如圖2所示。

圖2 終端的虛擬化

在圖2（a）中，每個終端只有單載波處理能力，4個單載波終端合起來就具備了4個載波處理能力。4個終端可以利用各自的能力和設備直通鏈路為其中一個終端傳輸數據。如果設備直通鏈路足夠好，4個終端的協作傳輸將顯著提升目標終端的吞吐量。

在圖2（b）中，虛擬終端組可以共享彼此的能力，控制面來自其他使用更可靠的授權載波終端，用戶面則直接來自基站并基于不一定可靠的非授權載波，一個虛擬終端組中的所有設備都能共享授權載波上的控制面功能。

基站和虛擬終端之間也可以進行協作接收，如圖3所示。在步驟1（T0）中，基站傳輸復用數據給終端組，終端組內多個終端嘗試接收數據；在步驟2（T1）中，終端間交互數據以及和數據接收相關的參量；在步驟3（T2）中某個選出來的終端向基站發送ACK/NACK反饋。因此，在虛擬終端組看到的有效SINR會比基站和最好的終端間SINR還要高，基站和虛擬終端組間的頻譜效率也因此得以顯著提升。

圖3 虛擬終端組的協作接收

6 結論

5G網絡以用戶為中心的虛擬化技術，核心思想是以“用戶為中心”分配資源，使得服務區不同位置的用戶都能根據業務QoE（Quality of Experience）的需求獲得高速率、低時延的通信服務，同時保證用戶在運動過程中始終具有穩定的服務體驗，徹底解決小區邊緣效應問題，最終達到“一致的用戶體驗”的目標。5G系統采用平滑的虛擬小區技術SVC，很好地適應了網絡密集化的需求。在5G超密集網絡中，把移動通信網絡帶到每一個用戶身邊，帶來的不僅是容量，而是用戶體驗的全面提升。

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5G Ultra Dense Network Virtualization Solution

Zhou Hongcheng
(Guangdong Planning and Design Institute of Telecommunication Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,Guangdong)

Densely deploying transmission nodes,reducing the radius of the cell,and obtaining greater cell division gain are the key means of 5G mobile communication system to achieve the goal of capacity improvement.This paper firstly introduces the meaning,typical coverage and challenges of 5G ultra dense network;secondly,analyzes the 5G virtual network architecture;finally,introduces the user centric virtualization technology of 5G mobile communication system,focusing on the advantages of residential virtualization and terminal virtualization technology in solving mobility and interference problems.

5G;super dense network;virtual community;network architecture;terminal virtualization

TN929.5

A

1008-6609(2017)03-0036-03

周宏成(1973-)，男，重慶人，碩士研究生，高級工程師，國家注冊一級建造師，國家注冊咨詢工程師，研究方向為通信網絡規劃設計、系統集成、系統咨詢。