周宏成

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630）

5G超密集網(wǎng)絡(luò)虛擬化解決方案

周宏成

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630）

密集部署傳輸節(jié)點(diǎn)，減少小區(qū)半徑，獲得更大的小區(qū)分裂增益是5 G超密集網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)容量提升目標(biāo)的關(guān)鍵手段。本文首先介紹了5 G超密集網(wǎng)絡(luò)的含義、典型覆蓋場(chǎng)景和面臨的挑戰(zhàn)；其次，分析了5 G虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；最后介紹了5 G移動(dòng)通信系統(tǒng)以用戶為中心的虛擬化技術(shù)，重點(diǎn)介紹了小區(qū)虛擬化和終端虛擬化技術(shù)在解決移動(dòng)性和干擾問(wèn)題方面的優(yōu)勢(shì)。

5 G；超密集網(wǎng)絡(luò)；虛擬小區(qū)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；終端虛擬化

1 概述

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)較4G系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)容量方面達(dá)到1000倍的提升，減少小區(qū)半徑、密集部署傳達(dá)節(jié)點(diǎn)，獲得更大的小區(qū)分裂增益是達(dá)到這一目標(biāo)的關(guān)鍵手段。隨著小區(qū)分裂技術(shù)的發(fā)展，低功率傳輸節(jié)點(diǎn)（TP）被部署在宏基站覆蓋范圍內(nèi)，形成了由宏基站和微基站組成的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Het-Net）。HetNet既保證了小區(qū)覆蓋，又提升了系統(tǒng)容量。超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN）是小區(qū)增強(qiáng)技術(shù)的進(jìn)一步演進(jìn)。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，低功率傳輸節(jié)點(diǎn)的密度進(jìn)一步提高，覆蓋范圍進(jìn)一步縮小，服務(wù)對(duì)象局限在很少幾個(gè)用戶。超密集網(wǎng)絡(luò)部署拉近了低功率傳輸節(jié)點(diǎn)與終端的距離，使得他們的發(fā)射功率大大降低，且非常接近，上下行鏈路的差別也越來(lái)越小。隨著網(wǎng)絡(luò)密集化程度的不斷提高，干擾和移動(dòng)性問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，以小區(qū)為中心的架構(gòu)已經(jīng)不能滿足5G網(wǎng)絡(luò)的需求。5G提出了以用戶為中心的小區(qū)虛擬化技術(shù)，使服務(wù)區(qū)內(nèi)不同位置的用戶都能根據(jù)其業(yè)務(wù)QoE（Quality of Experience）的需求獲得高速率、低時(shí)延的服務(wù)，解決小區(qū)邊緣效應(yīng)問(wèn)題，達(dá)到“一致的用戶體驗(yàn)”的目標(biāo)。本文首先介紹了5G超密集網(wǎng)絡(luò)的典型場(chǎng)景，然后分別介紹了5G虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、小區(qū)虛擬化及終端虛擬化解決方案。

2 5G超密集典型場(chǎng)景

5G超密集網(wǎng)絡(luò)是基于場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的，IMT-2020歸納了6大典型的超密集網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，即密集住宅區(qū)、密集商務(wù)區(qū)、公寓、購(gòu)物中心及交通樞紐、大型活動(dòng)場(chǎng)館、地鐵。

(1)場(chǎng)景一：密集住宅區(qū)

該場(chǎng)景同時(shí)存在室外移動(dòng)狀態(tài)用戶和室內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)用戶，用戶密度較高。該場(chǎng)景業(yè)務(wù)類型豐富多樣，包括FTP業(yè)務(wù)、互動(dòng)游戲、視頻業(yè)務(wù)、上網(wǎng)瀏覽等。在超密集部署傳輸節(jié)點(diǎn)的情況下，系統(tǒng)的邊緣效應(yīng)會(huì)變得非常突出。如何有效解決邊緣效應(yīng)問(wèn)題，讓不同位置的終端有相同的、高質(zhì)量的通信體驗(yàn)是這一場(chǎng)景需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

(2)場(chǎng)景二：密集商務(wù)區(qū)

密集商務(wù)區(qū)以室內(nèi)用戶為主，且多為高端用戶，以FTP、視頻業(yè)務(wù)、移動(dòng)辦公等業(yè)務(wù)為主。在該場(chǎng)景通過(guò)部署低功率傳輸節(jié)點(diǎn)提供高容量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。超密集部署使每個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)的服務(wù)終端數(shù)降低，各個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)處于中、低負(fù)載狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生上、下行業(yè)務(wù)量的較大波動(dòng)。為了在上下行鏈路業(yè)務(wù)波動(dòng)時(shí)充分利用資源，該場(chǎng)景需要使用動(dòng)態(tài)上下行資源分配技術(shù)。

(3)場(chǎng)景三：公寓

公寓為室內(nèi)低用戶密度場(chǎng)景，用戶以靜止?fàn)顟B(tài)為主，包括高、中、低端用戶，業(yè)務(wù)類型比較豐富，需要針對(duì)混合業(yè)務(wù)進(jìn)行部署。該場(chǎng)景存在室內(nèi)傳輸節(jié)點(diǎn)與室外基站間的干擾，室內(nèi)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的干擾；每個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡，需使用上下行鏈路動(dòng)態(tài)資源分配技術(shù)。

(4)場(chǎng)景四：購(gòu)物中心及交通樞紐

該場(chǎng)景包括大型商場(chǎng)、城市綜合體、機(jī)場(chǎng)、火車站等，室內(nèi)用戶高度密集，用戶處于移動(dòng)狀態(tài)，業(yè)務(wù)類型豐富。在該場(chǎng)景中，低功率節(jié)點(diǎn)密集部署在室內(nèi)，提供大容量的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)廣域覆蓋，在低功率傳輸節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上再部署高功率傳輸節(jié)點(diǎn)，形成多層室內(nèi)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

(5)場(chǎng)景五：大型活動(dòng)場(chǎng)館

該類場(chǎng)景包括體育場(chǎng)館、音樂(lè)廳、會(huì)展中心等，用戶密度在活動(dòng)期間非常高，平時(shí)則非常低。該場(chǎng)景部署的低功率傳輸節(jié)點(diǎn)使用定向天線，無(wú)線信號(hào)的傳播以直射為主。該場(chǎng)景業(yè)務(wù)以視頻業(yè)務(wù)為主，且上行業(yè)務(wù)大于下行業(yè)務(wù)。該場(chǎng)景空曠區(qū)域較大，需要解決干擾問(wèn)題、核心網(wǎng)信令壓力和上行業(yè)務(wù)風(fēng)暴問(wèn)題。

(6)場(chǎng)景六：地鐵

該場(chǎng)景用戶超高密度分布在車廂和站臺(tái)里，車廂用戶處于高速移動(dòng)狀態(tài)，業(yè)務(wù)類型多種多樣。該場(chǎng)景在車廂內(nèi)密集部署低功率傳輸節(jié)點(diǎn)提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)，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(wù)。

3 5G虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的虛擬化包括H0層的核心網(wǎng)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(shè)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(shè)備通過(guò)虛擬化技術(shù)混合組成的中繼云虛擬化。5G的虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在多層實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

圖1 5G多層虛擬化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

上述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，同一層內(nèi)相對(duì)于跨層間存在高容量和低成本的同層通信技術(shù)。核心網(wǎng)的網(wǎng)元間和基站之間通過(guò)光纖進(jìn)行連接，在終端層和中繼層內(nèi)，采用設(shè)備直通（D2D）技術(shù)以及有線直連技術(shù)。設(shè)備直通技術(shù)通過(guò)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(shí)現(xiàn)大容量、低成本的通信。因此，無(wú)線接入網(wǎng)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(qū)虛擬化賦予了層間協(xié)作更大的自由度，為層間通信帶來(lái)了更高的可靠性和靈活性。通過(guò)增加層內(nèi)通信量，緊密的層內(nèi)協(xié)作換來(lái)了更加高效的層間通信。在虛擬終端和虛擬小區(qū)間，通信鏈路可以被靈活選擇或者聯(lián)合處理以提高鏈路的效率。

4 5G小區(qū)虛擬化

5G小區(qū)虛擬化采用平滑的、以用戶為中心的虛擬小區(qū)（Smooth Virtual Cell，SVC），用于解決超密集網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性和干擾問(wèn)題，為用戶提供一致的服務(wù)體驗(yàn)。SVC基于混合控制機(jī)制進(jìn)行工作，用戶周圍的多個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)虛擬小區(qū)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)被選為主控傳輸節(jié)點(diǎn)（Master TP，MTP），負(fù)責(zé)管理虛擬小區(qū)的工作過(guò)程，以及虛擬小區(qū)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的行為。不同主控傳輸節(jié)點(diǎn)之間交互各自虛擬小區(qū)的信息，通過(guò)協(xié)商的方式實(shí)現(xiàn)虛擬小區(qū)之間的協(xié)作，解決沖突。虛擬小區(qū)內(nèi)各個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)之間，以及相鄰虛擬小區(qū)主控傳輸節(jié)點(diǎn)之間的距離比較近，因此SVC可以實(shí)現(xiàn)快速控制或協(xié)作。SVC技術(shù)在移動(dòng)性和干擾方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，下面分別予以說(shuō)明。

(1)移動(dòng)性

在LTE R8階段引入了硬切換技術(shù)，主要解決宏小區(qū)之間的移動(dòng)性問(wèn)題，但隨著5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的引入和網(wǎng)絡(luò)超密集程度的提高，硬切換技術(shù)越來(lái)越不適用于5G網(wǎng)絡(luò)。在硬切換過(guò)程中，通常需要鏈路質(zhì)量在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)低于某個(gè)門限才能進(jìn)行切換，在切換時(shí)鏈路質(zhì)量已經(jīng)惡化。由于TCP的慢啟動(dòng)特性，即便在切換完成后，TCP層需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)性能，導(dǎo)致用戶的體驗(yàn)下降。在5G超密集網(wǎng)絡(luò)中，終端數(shù)據(jù)速率較高，切換頻繁，如果采取硬切換，問(wèn)題會(huì)變得更嚴(yán)重，SVC技術(shù)能夠支持靈活、快速的服務(wù)節(jié)點(diǎn)選擇，使用戶的鏈路質(zhì)量變得更加平穩(wěn)，保證了用戶體驗(yàn)的一致性。

使用SVC技術(shù)，傳輸節(jié)點(diǎn)在加入虛擬小區(qū)之前已經(jīng)完成了資源預(yù)留，在需要轉(zhuǎn)換服務(wù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，不會(huì)發(fā)生虛擬小區(qū)內(nèi)的傳輸節(jié)點(diǎn)拒絕成為服務(wù)節(jié)點(diǎn)的情況，終端鏈路質(zhì)量可以保持在平穩(wěn)狀態(tài)，降低了無(wú)線鏈路失敗的概率。另外，使用SVC技術(shù)使得傳輸節(jié)點(diǎn)在加入虛擬化小區(qū)時(shí)就已完成了上行定時(shí)測(cè)量，并不斷進(jìn)行更新，當(dāng)MTP決定轉(zhuǎn)換服務(wù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以直接將上行定時(shí)信息發(fā)送給終端，避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛唷?/p>

(2)干擾問(wèn)題

由于干擾和業(yè)務(wù)的突發(fā)性，不論用戶處于移動(dòng)還是靜止?fàn)顟B(tài)，用戶體驗(yàn)都有可能隨著時(shí)間的變化而變化。小區(qū)專有參考信號(hào)是超密集網(wǎng)絡(luò)的主要干擾源之一，極大地限制了超密集網(wǎng)絡(luò)的增益。SVC技術(shù)利用SoTA實(shí)現(xiàn)虛擬小區(qū)之間的分布式協(xié)作和虛擬小區(qū)內(nèi)的集中控制，根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)狀態(tài)和干擾環(huán)境，動(dòng)態(tài)打開或關(guān)閉傳輸節(jié)點(diǎn)，通過(guò)這種方式發(fā)送參考信號(hào)有效地解決了小區(qū)專有信號(hào)干擾問(wèn)題。除此之外，突發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的干擾也會(huì)導(dǎo)致信道質(zhì)量的變化，對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生影響。通過(guò)虛擬化小區(qū)間的快速協(xié)作，可以有效控制信噪比的波動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)一致的用戶體驗(yàn)。

相對(duì)于LTE的CoMP技術(shù)，SVC技術(shù)通過(guò)混合式控制/管理機(jī)制，以及SoTA等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了無(wú)規(guī)劃或半規(guī)劃部署低功率傳輸節(jié)點(diǎn)，在有效降低網(wǎng)絡(luò)部署成本的同時(shí)，達(dá)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(gè)用戶的多個(gè)設(shè)備間組成一個(gè)虛擬用戶組或終端組，從基站側(cè)聯(lián)合接收或者傳輸數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 終端的虛擬化

在圖2（a）中，每個(gè)終端只有單載波處理能力，4個(gè)單載波終端合起來(lái)就具備了4個(gè)載波處理能力。4個(gè)終端可以利用各自的能力和設(shè)備直通鏈路為其中一個(gè)終端傳輸數(shù)據(jù)。如果設(shè)備直通鏈路足夠好，4個(gè)終端的協(xié)作傳輸將顯著提升目標(biāo)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(lái)自其他使用更可靠的授權(quán)載波終端，用戶面則直接來(lái)自基站并基于不一定可靠的非授權(quán)載波，一個(gè)虛擬終端組中的所有設(shè)備都能共享授權(quán)載波上的控制面功能。

基站和虛擬終端之間也可以進(jìn)行協(xié)作接收，如圖3所示。在步驟1（T0）中，基站傳輸復(fù)用數(shù)據(jù)給終端組，終端組內(nèi)多個(gè)終端嘗試接收數(shù)據(jù)；在步驟2（T1）中，終端間交互數(shù)據(jù)以及和數(shù)據(jù)接收相關(guān)的參量；在步驟3（T2）中某個(gè)選出來(lái)的終端向基站發(fā)送ACK/NACK反饋。因此，在虛擬終端組看到的有效SINR會(huì)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(xié)作接收

6 結(jié)論

5G網(wǎng)絡(luò)以用戶為中心的虛擬化技術(shù)，核心思想是以“用戶為中心”分配資源，使得服務(wù)區(qū)不同位置的用戶都能根據(jù)業(yè)務(wù)QoE（Quality of Experience）的需求獲得高速率、低時(shí)延的通信服務(wù)，同時(shí)保證用戶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終具有穩(wěn)定的服務(wù)體驗(yàn)，徹底解決小區(qū)邊緣效應(yīng)問(wèn)題，最終達(dá)到“一致的用戶體驗(yàn)”的目標(biāo)。5G系統(tǒng)采用平滑的虛擬小區(qū)技術(shù)SVC，很好地適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)密集化的需求。在5G超密集網(wǎng)絡(luò)中，把移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶到每一個(gè)用戶身邊，帶來(lái)的不僅是容量，而是用戶體驗(yàn)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(jí)工程師，國(guó)家注冊(cè)一級(jí)建造師，國(guó)家注冊(cè)咨詢工程師，研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)咨詢。