5G網絡中異構無線網絡和云架構研究

董春利，王 莉，張 暉

（1.南京交通職業技術學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211188；2.上海劍曦信息科技有限公司，上海 200051；3.南京郵電大學 信息與通信工程學院，江蘇 南京 210003）

異構無線網絡（HetNets）的部署，需要傳統宏蜂窩和小蜂窩之間的協調，以減少相互干擾，如圖1所示[1]。加拿大曼尼托巴大學的研究人員，強調5G通信的多層網絡和干擾升級，討論了5G混合網絡中的各種干擾管理挑戰。5G HetNets中宏蜂窩和第2層蜂窩間的干擾由反向時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）協議解決，它有助于本地估算本層和跨層信道。在反向TDD模式中，當小型蜂窩接入（Small-Cell Acess，SCA）在上行鏈路中操作時，BS處于下行鏈路操作中，反之亦然。

1 HetNets的現狀

高通公司和三星移動實驗室的研究人員強調了網絡和設備端干擾管理技術[2]。具有利用干擾信號結構（包括調制星座，編碼方案，信道和資源分配）優勢的先進接收機被視為主要驅動因素。不恰當的無線電接入技術（Radio Access Technology，RAT）會產生不必要的信令開銷。為了緩解多RAT中的這些問題，提出了有效的RAT切換決策和優化的公共資源劃分。同時使用多個RAT可提高容量和連接性。然而，聯合使用多個網絡并沒有得到很多研究的關注。多個RAT之間的智能耦合有望實現HetNets容量和覆蓋范圍的提高。在文獻[3]中，作者介紹了毫微微蜂窩啟用的HetNets的各種無線資源管理方案。解決跨層和共層干擾問題，同時保持最佳的無線資源利用率，公平性和QoS。各種頻率調度算法和頻率復用技術增強了HetNets的性能，并提供了一個綠色HetNets的整體框架，用于平衡能量效率和頻譜效率。提出的兩層異構網絡，通過協同定位大規模MIMO BS和低功耗SCA來保證網絡性能的提高。盡管大規模MIMO通過確保室外移動覆蓋獲得了傳統優勢，但具備認知和協作功能的SCA，可充當室內和室外低移動用戶的主要容量驅動力。但在高密集SCA部署中，回程成為主要瓶頸之一。

圖1 HetNets的概念

2 C-RAN和H-CRAN

高密度5G網絡的高效運作，新的空中接口需要重要的范例，改變了基帶和射頻[4]。最近液體蜂窩、軟蜂窩和幻影蜂窩正在成為新的潛在無線電接入架構。新興的云無線接入網絡（Cloud Radio Access Network，C-RAN）架構，以用戶為中心的覆蓋范圍，降低了開銷和能耗。云架構可以簡化傳統蜂窩站點，并將所有處理轉移到集中式云數據中心。傳統的站點被轉換為節能的無線電頭。盡管比較了各種C-RAN集成移動前傳和回程架構，但研究人員指出，數據中心的能源消耗和碳足跡預計會增加。伴隨著工作量整合和資源過載，討論了工作量預測，虛擬機放置，以便對云中心進行節能管理。將更多數量的服務器調整為低功耗狀態，并增加已經活動的服務器的使用，實現云數據中心的高節能。

HetNets提高了覆蓋率和容量。異構C-RAN（H-CRAN）結合了HetNets和云架構。文獻[5]探討了H-CRAN中節能的資源分配。通過逐步演進C-RAN并將其集成到無線網絡中，有價值的節能是可行的。為了提高H-CRAN的能量效率，作者描述了用戶與RRH和高功率節點的關聯，并將能量有效的優化問題，表述為基于正交頻分復用的H-CRAN的非凸目標函數，特別強調資源分配和功率分配。通過使用拉格朗日對偶分解方法，重新構造了一個等價的凸可行性問題，來獲得能源有效的資源分配解決方案。我們相信，這種創新的方式能使能量感知的5G網絡得到發展。一個以綠色為準則的，有計劃的積極主動的方法，會引導一個可持續的5G通信。

3 C-RAN的試驗

如前節所述，C-RAN提供了改進的系統容量和更低的能耗。中國移動、華為、諾基亞、三星、阿爾卡特朗訊和高通等大多數主要無線廠商和運營商，表現出了對C-RAN技術的濃厚興趣[6]。日本電信、韓國電信、法國電信/橙色、西班牙電信、日本軟銀/斯普林特和中國移動等運營商，也支持小型蜂窩C-RAN。中國移動研究院作為C-RAN的先驅，已經發表了C-RAN的技術，優勢和挑戰的全面綜述。他們提出了一種逐步構建C-RAN的方法，用于連接8～12個宏站點，最大環路距離為40 km。中國移動已與IBM，中興，華為，英特爾，大唐移動，法國電信北京研究中心，北京大學，中國電信，中國科學院合作開發了C-RAN原型，該原型機成功完成了與使用GSM-TD- SCDMA的用戶設備的互操作性。

喬治亞理工學院提出了多業務蜂窩云無線覆蓋光纖（Radio-over Fiber，RoF）接入系統。三星電子討論了云在信息和移動技術中的重要性，LTE-Adv系統的蜂窩邊緣性能和網絡密度，其重點在重新設計了“以內容為中心的網絡”的平臺。

4 H-CRAN的提案

面向5G蜂窩網絡，我們已經強調了HetNets和云技術。在HetNets中，相鄰BS之間的通信是一個重大挑戰。通過結合HetNets，C-RAN和SDN的優勢，H-CRAN正在成為5G通信中的關鍵組件。文獻[6]提出了非凸分數規劃優化的拉格朗日對偶分解方法，來解決H-CRAN能量有效的資源分配問題。諾基亞，西門子提出的“液體無線電”，是一種靈活的網絡設計，用于5G網絡Gbps高數據速率的要求。片上系統芯片（System on Chip，SoC）設計為H-CRAN架構提供了一種有前途且簡單的天線配置，并提出了用于卸載流量和無縫混合技術的異構網絡。所提出的針對傳統通信的各種RAN，有新實體“節點C”的軟件定義的H-CRAN設計。節點C是節點B（BS）的演進，對新設計的RRH，可處理和網絡化其功能。

5 結語

為了簡化HetNets的部署、運營、管理和全天候優化，云端輔助平臺被提倡。此外，基于云的智能切換和位置管理可以確保HetNets中的無縫連接。因此，我們相信，小型蜂窩的異構連接是新興5G架構的主要組成部分。方向性和小蜂窩設計，再加上資源分配的進步，有望為5G通信提供更高的覆蓋率和數據速率。

[參考文獻]

[1]AGIWAL M，ROY A，SAXENA N.Next generation 5G wireless networks: a comprehensive survey[J].IEEE Communications Surveys &Tutorials，2016（3）：1617-1655.

[2]NAM W，BAI D，LEE J，et al.Advanced interference management for 5G cellular networks[J].IEEE Communications Magazine，2014（5）：52-60.

[3]LEE Y L，CHUAH T C，LOO J，et al.Recent advances in radio resource management for heterogeneous LTE/LTE-A networks[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2014（4）：2142-2180.

[4]CHIH L I，ROWELL C，HAN S，et al.Toward green and soft: a 5G perspective[J].IEEE Communications Magazine，2014（2）：66-73.

[5]PENG M，ZHANG K，JIANG J，et al.Energy-ef fi cient resource assignment and power allocation in heterogeneous cloud radio access networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016（12）：5275-5287.

[6]PENG M，LI Y，ZHAO Z，et al.System architecture and key technologies for 5G heterogeneous cloud radio access networks[J].IEEE Network，2015（2）：6-14.