5G無線網絡虛擬化演進研究

劉東升

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

5G無線網絡虛擬化演進研究

劉東升

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

傳統無線網絡架構已無法滿足未來5G超高速率、超大連接、超低時延的要求，為了解決超密集組網帶來的問題，文章論證了無線網絡虛擬化的必要性和可行性，并給出了面向5G的無線網絡虛擬化演進建議方案。

5G 網絡虛擬化 異構網 虛擬層

1 引言

目前移動通信技術已經步入后4G時代，5G相關標準規范體系正在快速構建中。與3G向4G演進的驅動力不同，當前工業4.0、新型城鎮化和智慧城市、消費升級不斷推動社會進步，因此4G向5G的演進將面臨一個需求特征劇烈變革的時代。移動通信技術的服務對象正在從人變成物，層出不窮的垂直行業應用使得網絡需求從單一的速率變為高速率、低時延、高可靠性、大連接的復雜組合。

2 5G關鍵特征和無線網絡關鍵技術

2.1 5G關鍵特征

針對5G的需求特點，ITU在其發布的5G白皮書中定義了5G的三大場景，具體如圖1所示。

ITU同時定義了5G峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時延、連接密度、網絡能效、區域容量等八方面關鍵能力，具體如圖2所示。

這些關鍵能力在不同場景有著不同的需求，具體如圖3所示。

從圖3可以看到，這三類業務對于關鍵能力的需求不同。面對如此多樣化的應用場景和業務能力需求，一方面，需要5G網絡的無線空口資源支持按需分配，與具體業務類型實現一定程度的解耦，以實現更加靈活的無線資源調配。相應地，頻譜、幀結構、物理層過程、高層處理流程等協議設計需要優化。另一方面，需要盡可能做到處理能力的軟硬件解耦，按需分配處理能力和資源，實現網絡能力的快速匹配和調整，以支持包括eMBB、mMTC、uRLLC在內的復雜需求，實現更加高效的網絡資源復用和共享。

圖1 5G目標場景

圖2 IMT-Advanced向IMT-2020演進的關鍵能力增強

圖3 不同使用場景下的關鍵能力重要性

2.2 5G無線網絡關鍵技術

5G無線網絡關鍵技術如圖4所示。5G網絡無線側將引入全新空口。5G F-OFDM技術（Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing，靈活自適應正交頻分復用）可以實現可變子載波帶寬的基礎波形，稀疏碼分多址技術可以提升3倍連接數，全新信道編碼技術-極化碼使得系統容量逼近香農極限并帶來更高的可靠性，Massive-MIMO技術（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大規模天線）成倍提升頻譜效率。

5G頻段主要位于3.5 GHz以及6 GHz以上。3.5 GHz頻段可用于大范圍連續覆蓋，滿足移動性需要，6 GHz以上頻點可用于小微站點，吸收容量。5G網絡的基站形態將更為豐富，包括宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩、RRU、有源天線單元、各類分布系統等。

3 無線網絡虛擬化的必要性

無線網絡需要從網絡架構上進一步拓展增強“彈性”以支持5G網絡特征和關鍵技術，因此業界均認為無線網絡虛擬化是移動通信網絡演進的必選途徑，具體原因如下。

（1）蜂窩分裂的需要

圖4 5G無線網絡關鍵技術

由于5G網絡工作頻段高，覆蓋范圍小，因此5G網絡蜂窩將進一步分裂。為避免頻繁切換，影響用戶感知，有必要淡化傳統蜂窩小區邊界，讓網絡更好地服務于用戶和業務。

（2）超密集組網和高速率的需要

大規模天線和超密集組網等技術的引入，將導致網絡接入傳輸的壓力驟增，現有的分布式BBU（Base Band Unit，基帶單元）+RRU（Remote Radio Unit，遠端射頻單元）架構無法滿足超密集組網時多小區協作和干擾控制的要求。

（3）無線資源管理的需要

5G垂直應用場景多樣化，需求各異，例如低時延類業務需要網絡功能的邊緣部署。面對如此多樣化的應用場景需求，需要無線資源能夠靈活地按需分配，盡可能使得無線資源在不同層面上與具體業務解耦。同時需要做到硬件和軟件分離，更進一步提高處理能力和資源使用效率，實現無線網絡能力的快速切片響應。

（4）網絡運營管理的需要

預計4G和5G網絡將長期共存，并且還有窄帶物聯網這類物聯網應用為主的網絡，設備平臺種類繁多，網絡管理維護難度大，網絡擴容升級復雜度高。無線虛擬化可使多種類型的網絡管理更加統一高效，網絡擴容升級更加平滑，同時降低了運營商的建設和運營成本。

為此，有必要建立無線網絡資源靈活高效的調度機制和面向業務需求的邏輯資源池，逐步實現無線網絡的虛擬化。

4 無線網絡虛擬化架構和關鍵技術

ITU將網絡虛擬化的關鍵特征定義為將各種網絡資源整合并抽象的能力和網絡間靈活管控的能力。

前期業界針對網絡虛擬化技術的研究主要集中在核心網，包括SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡）、NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）等。面向垂直行業的新需求，5G核心網需要支持垂直行業的多種接入技術，例如目前國內三大運營商已開始部署接入的窄帶物聯網技術。4G核心網承載基礎業務，5G核心網面向多樣業務生成差異化網絡。

通過SDN/NFV，推進網絡云化轉型，使網絡從中低速向高速、多層級向扁平、剛性向柔性、非智能向智能轉型。NFV是一種虛擬多個網絡節點以便大規模提供通信服務的服務器虛擬化技術。為提高網絡的可擴展性、靈活性及效率，NFV將網絡功能從專屬設備轉移到運行虛擬化技術的通用型服務器上。目前國內各大運營商都在進行NFV的規模試點，引入基于NFV技術的vEPC（virtual Evolved Packet Core，虛擬演進型分組核心），從而提供更為彈性的網絡擴縮容能力。

4.1 無線網的架構演進

雖然早年就有軟件定義無線電，但無線網架構形態一直以來沒有發生顯著的變化。3G和4G典型的網絡架構如圖5所示：

圖5 3G和4G典型網絡架構

4G時代提出了異構網的概念。異構網的狹義形態稱為分層異構網，就是在宏蜂窩進行基礎覆蓋的基礎上，微蜂窩用于局部區域補充，這種宏微協同分層覆蓋結構在4G網絡中已經部署。

然而，一方面受制于基站間X2接口能力，另一方面由于目前4G業務量對超密集組網的需求并不迫切，多點協作傳輸和小區間干擾協調等協同和抗干擾的關鍵技術并未規模應用，同頻宏蜂窩和微蜂窩的重疊覆蓋區域內極易產生干擾，從而惡化網絡質量。尤其當微蜂窩為了分擔更多宏站的業務負荷，引入小區范圍擴展技術時，延伸區域干擾問題更為突出。因此，目前同頻微蜂窩的使用規模受到嚴格控制。基于以上分析，4G LTE的異構網架構在現網中并未真正實現。

4.2 4G無線資源協同和干擾消除技術

4G多點協作傳輸技術是指地理位置上多個分散蜂窩之間的動態協作，協同參與一個終端的數據傳輸或者聯合接收一個終端發送的數據，改善小區邊緣用戶的服務質量，從而提高小區尤其是邊緣吞吐量。

4G小區間干擾協調技術可以測量相鄰小區測量信號和干擾強度并產生干擾信息，通過基站間X2接口消息，相鄰小區共享干擾信息，鄰小區之間的X2傳輸時延應短于算法周期。小區根據接收到鄰區的干擾信息，運行干擾協調算法確定小區邊緣的資源塊發射功率。

4G小區間干擾協調技術只能降低業務信道干擾，不能解決控制信道干擾。3GPP在R10版本中引入了增強型小區間干擾協調技術，用于解決異構網下的宏微蜂窩干擾問題。但該技術只能解決業務信道和控制信道的干擾問題，仍不能有效地解決小區公共信道干擾問題。

仿真數據顯示，以上資源協同和干擾消除技術的使用應緊密結合現網情況，逐小區對相關小區參數進行調整優化，否則會影響現網的信噪干擾功率比和小區吞吐量指標。

4.3 5G無線網絡虛擬化目標架構

高階MIMO、大帶寬和低時延的要求使得無線空口物理層難以實現虛擬化，因此目前3GPP關于5G無線網絡架構的討論集中在無線鏈路層控制層協議的功能劃分上，無線網絡虛擬化的重點也是無線鏈路層中對于時延敏感性較低的業務，以及無線資源控制等層三功能。根據IMT-2020推進組對5G網絡架構的愿景，5G無線網絡架構如圖6所示。

6月29日，市人大常委會召開了一次預算績效管理工作督導會，會上聽取了市財政局、市教育局、市城管局、市衛生局等四個單位的工作匯報，深入天門市小板鎮兩個村實地參觀了市城管局“農村垃圾集中處理”項目現場。市人大領導對存在的問題和薄弱環節提出了整改意見，提出市政府每年至少要召開一次預算績效管理工作專題會議，將預算績效管理工作納入政府考核內容范圍；各單位要提高認識，組建專班負責這項工作；市財政局要完善各項制度、建立平臺操作機制、建立自評報告考評機制、建立動態管理項目機制。

圖6 5G無線網絡虛擬化目標架構

4.4 5G無線網絡虛擬化關鍵技術

5G時代，超高帶寬、超大連接、超低時延需求將推動無線網絡虛擬化和超密集組網技術的發展，這離不開靈活高效的無線資源管理和干擾抑制技術。目前5G無線資源管理及干擾消除技術、虛擬小區技術標準還在研究和探討中。

（1）靈活無線資源管理和干擾抑制技術

具體包括5G多小區協同技術、多維資源調度技術和自適應干擾消除技術。其中，5G多小區協同技術是4G增強型多點協作傳輸技術的進一步演進。

（2）小區虛擬化技術

小區虛擬化技術包括以用戶為中心的虛擬小區、虛擬層、軟小區等技術。

以用戶為中心的虛擬小區技術將多個物理小區虛擬成一個邏輯小區，虛擬小區的資源構成可以根據用戶的移動、業務需求、無線環境變化等實現動態配置和更改。

虛擬層技術是指通過虛擬層小區和實體層小區的劃分，解決超密集組網下頻繁切換重選的問題，并實現更為有效的小區間協作。

1）宏微分層：這和4G宏微分層覆蓋系統有著本質的區別。5G分層結構中，宏蜂窩為虛擬層，承載控制信令，負責移動性管理；微蜂窩為實體層，承載業務數據傳輸。宏蜂窩和微蜂窩深度協同，顯著提升用戶感知。

2）載波內/載波間分層：對于單載波網絡通過不同的信道構建虛擬多層網絡，對于多載波網絡則可以通過不同的載波構建虛擬多層網絡。

軟小區技術結合波束賦形，精確控制小區覆蓋范圍，減少干擾。軟小區技術可以有效解決小區公共信道的干擾問題。

圖7 無線網絡虛擬化演進圖

5 無線網絡虛擬化實施建議

在4G向4G+網絡演進的過程中，為了平滑有序地演進，應考慮提前引入符合5G應用場景的虛擬化技術。

無線網絡虛擬化是一個循序漸進的過程，一方面要基于現網架構、配套和傳輸資源逐步推進；另一方面需要結合無線資源管理和干擾控制協作技術的發展。基于無線網絡虛擬化是未來網絡發展的必然方向，因此應通過逐步試點積累經驗，積極進行相關技術和資源儲備，一種可行的演進途徑如圖7所示。

當前國內4G網絡采用BBU和RRU分離，BBU集中放置的部署方式，這是無線網絡虛擬化的雛形。其主要基于分布式基站，將基帶處理單元和遠程射頻單元進行分離，基帶處理單元通常選取在傳輸資源豐富的區域中心機房集中部署，從而節省無線站址和相關配套資源。

此外，由于協作和干擾消除技術對于實現網絡虛擬化至關重要，現階段可對站內多點協作傳輸和小區間干擾協調進行試點研究，配合審慎的小區參數調整優化，為未來大話務量和宏微蜂窩密集組網下性能的保證提供建設和優化經驗。

后期隨著4G業務量的不斷增加，網絡需要部署大量小微蜂窩以吸收話務，協同和干擾消除成為網絡必須解決的首要問題，網絡逐步真正實現蜂窩甚至制式異構。為此，在BBU集中放置的基礎上，推進BBU機房內的池化，形成真正意義的基帶資源池，實現基帶資源的動態分配。在提升資源利用率、降低能耗的同時，實現對站間多點協作傳輸和增強型小區間干擾協調等技術的有效支持，從而進一步提升網絡性能。

在5G階段，覆蓋范圍較大的宏蜂窩網絡將演進為虛擬層網絡，主要承載廣播和尋呼等控制消息，實現移動性管理功能。星羅棋布的小微蜂窩主要承載業務數據傳輸，在同一個虛擬層蜂窩下跨小微蜂窩的移動不會產生切換和重選。BBU資源池可進一步裂分為中心控制節點和遠端控制節點。中心控制節點實現高層協議功能，進行集中控制和統一調度；遠端控制節點實現底層協議功能，有利于快速本地化資源管理和響應，遠端控制節點可以和MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）合設。不同時期無線網絡蜂窩結構及關鍵技術如圖8所示。

圖8 不同時期無線網絡蜂窩結構及關鍵技術

6 結束語

當前國內4G用戶數已形成相當規模，物聯網業務也將迎來爆發期，移動網絡承載的業務量和業務需求面臨更高的要求。移動核心網已經率先邁向虛擬化，而無線網絡蜂窩結構雖然采用不斷分裂及載波聚合等方式，其承載能力仍捉襟見肘。切換、重選、干擾等問題越來越突出，無線網絡規劃、建設和優化面臨重大挑戰，這極大地制約了運營商的業務拓展。

針對以上背景，無線網絡虛擬化是走向5G時代的必由之路。本文結合現網情況和技術演進，分析了無線資源管理和干擾抑制技術，小區虛擬化技術等虛擬化所需要的關鍵技術。提出了逐步試點推進基帶資源池化，多點協作傳輸和小區間干擾協調等技術，為無線網絡向5G的轉型升級做準備。

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Research on Evolution of 5G Wireless Network Virtualization

LIU Dongsheng
（Huaxing Consulting and Designing Institute Co., Ltd., Hangzhou 310014, China）

The conventional network architecture can not meet the requirements of ultra high speed, massive connections and ultra-low latency for 5G in the future. In order to deal with the problems of ultra-dense network, the necessity and feasibility of wireless network virtualization were demonstrated, and then the suggested evolution solution to wireless network virtualization oriented to 5G was put forward.

5G network virtualization heterogeneous network virtual layer

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.009

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0048-06

劉東升. 5G無線網絡虛擬化演進研究[J]. 移動通信, 2017,41(18): 48-53.

2017-06-30

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

劉東升：高級工程師，學士畢業于浙江工業大學通信工程專業，現任華信咨詢設計研究院有限公司無線院副總工，長期從事移動通信網絡規劃、設計和研究工作，所負責的規劃設計項目多次獲得國家和省部級優秀設計和咨詢獎。