宏蜂窩輔助的5G毫米波通信系統架構

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宏蜂窩輔助的5G毫米波通信系統架構

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目前，5G系統各項需求指標已經基本明確，其多元化的業務對系統性能的要求趨于多極化，僅采用一種無線傳輸技術很難滿足所有業務的需求。因此，5G將是一種由多項無線傳輸技術融合而成的多元化通信系統。隨著對多種潛在候選技術研究的逐漸深入，工作于毫米波頻段的微蜂窩技術獲得了越來越多的關注。本文從如何將毫米波微蜂窩與現有移動通信系統融合的角度出發，分析了宏蜂窩輔助的毫米波通信系統的應用場景，并對可能的系統架構進行了探討，提出了網絡架構按需分配的方案。

5G 毫米波通信 宏蜂窩輔助

1 引言

近年來，智能移動終端與各種新型應用得到了廣泛普及，同時各種形態的移動終端被越來越多地應用于物聯網中。這種發展使得移動通信系統逐漸超越了“連接人與人”的基本訴求，開始向“連接一切”邁進。人們的生活方式、工業的發展形態進而人類社會的很多方面都在這場變革中被迅速而深刻地改變著，移動通信系統中的終端數目與數據業務量均呈現出爆炸式增長，現有的移動通信系統很難滿足未來需求的快速增長。面向2020年及未來的第五代移動通信（5G）便應運而生。目前，5G愿景與關鍵能力需求已經基本明確。除加強對傳統的移動寬帶數據業務支持外，5G還將支持海量終端連接和新型低時延高可靠性通信，各種應用場景對5G提出不同方面的極端要求，例如機器類型場景要求能夠支持100萬/km2設備的同時連接。采用任意單一無線傳輸技術很難滿足所有場景的需求，因此5G將是一種由多項無線傳輸技術融合而成的多元化通信系統。現有3/4G系統不會迅速退出商用，而是會被整合進5G系統中。

與即將面對的巨大的業務需求相對的是傳統移動通信頻譜資源已趨飽和，如何將移動通信系統部署在6GHz以上的毫米波（MillimeterWave，MMW）頻段正成為業界廣泛研究的課題。相比于傳統移動通信頻譜的昂貴授權費，MMW頻段中包含若干免授權頻段，使得MMW的使用成本可能會降低。MMW頻譜資源極為豐富可以尋找到帶寬為數百兆甚至數千兆的連續頻譜，連續頻譜部署在降低部署成本的同時提高了頻譜使用率。

與傳統的6GHz以下頻譜資源相比，MMW頻段更適合用于短距離通信，因為MMW頻段的信道傳播路徑損耗較大，空氣或者水分會對電波產生很強的吸收作用。然而，由于波長較短，MMW頻段天然地具有集成射頻元器件實現緊湊封裝的優勢，即可以把非常多的天線集中在非常小的區域內，這樣便可以方便地使用高指向性的波束賦型（Beam-forming）技術，用以補償MMW的傳播損耗。MMW信號穿透性較差很容易因障礙物的遮擋造成信號大幅度衰減，從而帶來間歇性通信中斷的問題。由于MMW微蜂窩覆蓋范圍小且無線鏈路變化劇烈不穩定，通常會采用動態波束追蹤（Beam-tracking）算法輔以特別設計的移動性管理策略來為移動用戶提供服務。如果MMW被5G采納，它必將會與3/4G系統共存相當長的一段時間。如何將MMW微蜂窩系統與現有移動通信網絡融合使得二者揚長避短各自發揮優勢將變得至關重要。

2 Macro-assistedMMW系統

考慮到新系統部署成本，MMW微蜂窩系統會在很多室內和室外場景中被逐步部署。起初它可能會為宏蜂窩提供熱點覆蓋或在特定的區域獨立部署，接著在已有的移動通信系統上提供連續的覆蓋，最終實現大規模的密集部署。宏蜂窩輔助的MMW（MacroassistedMMW）系統就是在持續演進的LTE/LTE-A網絡上重疊覆蓋MMW微蜂窩。考慮到MMW的電波特性，通過宏蜂窩的輔助，MMW可以為用戶提供可靠性好、覆蓋率高、使用經濟且QoS多樣化的移動業務。針對5G對用戶連接密度的極端要求和MMW微蜂窩所能支持的用戶移動速度，主要考慮了幾個重要的應用部署場景，具體參見圖1。

MMW基站既可以獨立為用戶提供接入和服務，也可以依賴宏基站的控制與用戶進行數據傳輸。Macro-assistedMMW系統需要采取合適的系統架構達到其在用戶體驗速率、網絡容量、移動性能等關鍵性能的設計目標。選擇何種融合方式，需要基于一些對網絡參數的基本假設，其中比較重要的就是回程線路（Backhaul）的容量和傳輸時延。理想的Backhaul一般都需要光纖，但新建光纖存在部署困局，投資回報困難，一些區域的光纖建設面臨入場難、要價高的問題，尤其在密集網絡部署的情況下，光纖無法全面覆蓋，所以在實際系統中并非處處都可獲得，這就限制了必須使用理想Backhaul才能實現的網絡架構的可用范圍。相反，利用無線回傳具有成本低、易部署的優點，使用MMW正逐漸成為實現微蜂窩回傳的重要解決手段。但利用MMW做回傳很難達到理想Backhaul要求的微秒級的傳輸時延。例如，目前的E-Band可以很容易實現Gbit/s的數據速率，同時點對點的傳輸時延可以在幾個毫秒甚至是毫秒級以下。

圖1 Macro-assistedMMW幾種重要的應用部署場景

基于對非理想Backhaul的假設，MMW蜂窩可以在協議層（L2/3）上與宏蜂窩進行融合，可以借鑒3GPP標準化的雙連接（Dual Connectivity，DuCo）的方式實現。實現控制/數據解耦（C/USplit）是5G系統架構的趨勢，DuCo為實現C/U解耦提供了很好的技術基礎和市場鋪墊；而且C/U解耦是非常通用的系統設計，同樣可以用于Macro-assistedMMW系統。

3 Macro-assistedMMW系統架構

3.1 控制面的系統架構

基于C/U解耦的基本原則，宏蜂窩主要負責用戶的接入管理、網絡連接控制，以及包括廣播信息、尋呼消息、NAS消息等重要控制消息的傳輸和移動性管理。其他的無線資源控制（RRC）的功能和流程，可以采用兩種系統架構，即集中式RRC和分布式RRC，具體參見圖2。注：相對高速是以MMW微蜂窩系統所能支持的用戶移動速度為限。當用戶的移動速度超過這個限制，將可能只與宏蜂窩通信以保證用戶的移動性能和業務質量。

圖2 集中式RRC和分布式RRC

集中式RRC目前已經被3GPP標準采用，不論是對網絡還是用戶都實現簡單，并與現有系統有很好的兼容性。在未來密集部署的網絡中所存在的海量終端連接，雖然MMW微蜂窩通過分布式RRC可以為宏蜂窩分擔一部分控制功能，但這種優勢相較于集中式RRC優勢并不顯著，都要求宏基站有非常強大的處理能力和豐富的無線資源。在集中式RRC中，MMW資源配置信息都要通過宏基站來傳輸，宏基站和MMW基站之間的信息交互、協作會引入額外的配置時延。對于LTE/LTEA系統，額外的配置時延不會對系統性能帶來很大的影響。但MMW對無線環境的影響很敏感，存在遮擋問題，信道變化快，對于中高速移動的用戶尤為明顯，這就需要用戶能及時有效地得到與當前MMW無線鏈路狀況最為匹配的配置信息。而分布式RRC在縮短配置時延上比集中式RRC更具有優勢。MMW從物理層上來看是全新的傳輸技術，與LTE/LTE-A相比，對用戶處理能力的要求差別很大，且集中體現在基帶和射頻上。因此，宏基站和MMW基站并不需要像DuCo那樣進行非常緊密的協作溝通。通過分布式RRC，MMW基站可以根據用戶當前的信道狀況和業務特點直接做資源配置。但會帶來額外的處理復雜度，需要用戶支持來自不同基站的并行的RRC流程。

根據以上分析，表1總結了集中式RRC和分布式RRC在Macro-assistedMMW系統中的優缺點。當用戶處于靜止或低速運動過程中，并且遮擋問題不嚴重，MMW信道變化相對緩慢，對資源配置的時延不敏感，就可以沿用集中式RRC的架構；當用戶處于中速或高速運動中，或遮擋問題嚴重，信道變化相對劇烈，就會對資源配置的時延比較敏感，這時適合采用分布式RRC的架構。

3.2 數據面的系統架構

Macro-assistedMMW用戶面系統架構主要考慮是否支持相同數據無線承載（DRB）在不同數據通道上的傳輸和MMW基站從何處獲得用戶的業務數據。Macro-AssistedMMW系統可以采用3種系統架構。

表1 集中式RRC和分布式RRC的比較

如圖3所示，方式1中用戶的業務數據會不經由宏基站而直接從SGW通過MMW基站傳輸給用戶；方式2中，用戶的業務數據會從SGW由宏基站轉發給MMW基站。這兩種方式可以實現C/U完全解耦。方式3中用戶業務數據除了會由宏基站轉發給MMW基站，還會參與到用戶業務數據的傳輸中。

方式1不能解決MMW間歇性鏈路中斷的問題，因為一旦發生MMW鏈路中斷，就需要核心網參與到SGW與不同基站之間的數據通道的轉換。這不僅會對核心網產生頻繁的信令交互，還會引起數據傳輸的中斷，所以這種架構無法為用戶提供穩定的數據速率體驗。

方式2和3對Backhaul的要求會很高，尤其是在超密集用戶連接的場景中，由于宏基站負責為MMW基站轉發用戶數據，這對宏基站的處理能力和存儲器的容量都將是巨大的挑戰，并且宏基站到SGW的Back-haul很容易因用戶數龐大而造成網絡擁塞。但這兩種架構的好處是，當MMW出現間歇性鏈路中斷時，不需要執行SGW與不同基站之間的數據通道的轉換，從而避免了對核心網產生的頻繁的信令交互。在方式2中數據傳輸也是中斷的；而方式3卻可以在宏蜂窩上持續地為用戶提供數據傳輸，幫助穩定用戶的數據速率體驗，不過這時用戶還是會感受數據速率的突降，同時需要注意到這樣的優勢也只有當宏蜂窩處于輕度或中度負載時才會體現。

圖3 Macro-assistedMMW數據面架構

表2 3種數據面架構的比較

方式3需要宏基站對MMW基站進行非常頻繁的流量控制，在超密集用戶連接的場景中，帶來的復雜度和信令開銷都是不可想像的，同時在Macro-assisted MMW系統中LTE和MMW能夠達到的數據速率差異非常大，LTE這條鏈路將可能是影響整個UE用戶體驗速率的瓶頸。

根據以上分析，表2總結了這3種方式在Macro-assistedMMW系統中的優缺點。由于上述3種數據面的架構都沒有辦法很好地適應MMW在實際環境中存在的問題，就考慮是否可用其他的數據面架構來解決。可能的方式是在采用用戶與多個MMW基站的多連接，這樣用戶業務數據會通過多個MMW基站的協作來為用戶傳輸，所以當其中一個MMW鏈路出現中斷的時候，可以快速地通過另外可用的MMW鏈路繼續傳輸。只有當所有的MMW鏈路都出現問題的時候，才有可能需要核心網對其做SGW到宏基站的數據通道的轉換。考慮到MMW微蜂窩系統是噪聲受限系統而非干擾受限系統，MMW每個小區的小區邊界沒有非常明確，所以同一個用戶可以同時檢測到幾個MMW小區，這也為實現與MMW基站的多連接提供了天然的有利條件。

圖4 ORCA設定的3種網絡架構

4 網絡架構按需配置

在實際系統中，沒有一種網絡架構可以以最優的方式滿足5G用戶多樣化的需求，動態變化的無線環境以及不同的應用場景，Macro-assistedMMW系統需要一種靈活的系統架構可以實現控制面和數據面的按需分配（On-demandRe-configurableControlPlaneandUser PlaneArchitecture，ORCA/ORUA），這樣對應特定的場景都可以有與之對應的最優化的配置方式。ORCA/ ORUA都是保持系統的硬件架構不變，但是會在這樣的硬件架構上面通過軟件配置來實現不同架構。圖4 以ORCA為例，進行了3種網絡架構的設定。設定1是只通過MMW基站進行RRC的連接和控制，設定2是使用集中式的RRC，設定3是使用分布式的RRC。用戶和網絡都可以基于實時的需求去觸發不同網絡架構的軟件配置。ORCA/ORUA還可以通過虛擬小區的技術結合SDN和NFV演進成為C-RAN的網絡架構,這樣SGW成為可以對MMW進行基帶處理的集中式BBU，而MMW基站則退化為RRU。通用的架構設計需要考慮很多不同的場景，要想使網絡的硬件部署能長期持久不頻繁改變，就需要它能很好地適應業務密度、用戶的移動速率、或者新的接入技術的引進而帶來的應用場景的變化。這樣就使得接入網架構軟件配置成為非常自然的選擇并與SDN的概念是一致的。

5 結束語

5G系統將是一個多種無線傳輸技術共存的多元化的通信系統。本文探討了通過Macro-assisted的方式使毫米波與LTE/LTE-A進行融合來滿足5G的各項需求。根據C/U解耦的基本原則，分別從控制面和數據面評估了多種Macro-assistedMMW的系統架構，但這些系統架構都不能完美地適應MMW本身的頻率特性以及適應其在實現傳輸環境中存在的問題。考慮到5G用戶多樣化的需求，動態變化的無線環境以及不同的應用場景，需要Macro-assistedMMW的系統架構可以靈活自適應地進行按需配置，同時也能為網絡設備商和終端廠商提供一種經濟的向后兼容的解決方案。

1 IMT-2020(5G)推進組.5G愿景和需求白皮書.2014,5

2 IMT-2020(5G)推進組.5G概念白皮書.2015,2

3 EU METIS.Summary on Preliminary Trade-off Investigations andFirstSetofPotentialNetwork-levelSolutions.ICT-317669-METIS/D4.1

4 ITU-WP5D-929.Report on theTwenty-first Meeting ofWorkingParty5D.2015

5 NGMNAlliance.NGMN5GWhitePaper.2015

6 Peng Wang,Yonghui Li,Lingyang Song,and Branka Vucetic. Multi-gigabit Millimeter Wave Wireless Communications for 5G:From FixedAccess to Cellular Networks.IEEE CommunicationsMagazine.2015

7 3GPP Specification TS36.842,V12.0.0.Study on Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN;Higher Layer Aspects

5GMillimeterWaveCommunicationSystemArchitecturewith Macro-assisted

5Gmobilecellularsystemwillneedtosupportdrasticallydifferentperformancerequirementsinawiderangeofdiversified scenarios.Multiple radio access technologies are expected to be integrated within 5G system and the millimeter wave(MMW)technologyisenvisionedasoneofthekeycomponentsfor5Gsystemtoaccessfruitfulspectrumresourcesover higher(>6GHz)frequencybands.InordertointegratetheMMWsmallcellsintotheexistingcellularnetwork,thispaperanalyzes the scenarios for macro-assisted MMW system,investigates the design tradeoff among different architecture alternativesanddiscussesthepossibledirectionfor5Gmacro-assistedMMWaccesssystemdesign.

5G,MMW,Macro-assisted

2015-04-30）