基于軟件定義的以用戶為中心的5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

曲 樺 ，欒智榮 ，趙季紅 ，2，徐西光 ，張 濤

（1.西安交通大學電子與信息工程學院 西安710049；2.西安郵電大學通信與信息工程學院 西安 710061）

1 引言

移動通信已經(jīng)改變了人們的生活，隨著人們對高性能移動通信的不斷追求，5G移動通信系統(tǒng)的研發(fā)在全世界受到廣泛關(guān)注[1]。5G移動通信系統(tǒng)是面向2020年以后社會信息需求的無線通信系統(tǒng)，其支持業(yè)務(wù)總速率要達到10 Gbit/s，空中接口頻譜效率和功率效率相較于4G要提升 10 倍[1]。

5G典型場景涉及未來人們居住、工作、休閑和交通等各種區(qū)域，特別是密集住宅區(qū)、辦公室、體育場、露天集會、地鐵、快速路、高鐵和廣域覆蓋等場景[1]。從5G的典型應(yīng)用場景可以看出，未來的通信網(wǎng)絡(luò)需要在各種復雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中時刻為用戶提供良好的無線傳輸服務(wù)。同時，5G網(wǎng)絡(luò)還需要根據(jù)不同用戶的業(yè)務(wù)需求，為用戶制定有針對性的服務(wù)方案，體現(xiàn)個性化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

在用戶對無線傳輸需求的驅(qū)使下，無線網(wǎng)絡(luò)提升了傳輸性能，但也出現(xiàn)了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。無線網(wǎng)絡(luò)空中接口技術(shù)的不斷更新導致了多種接入技術(shù)并存的現(xiàn)狀。目前的無線接入網(wǎng)絡(luò)包含GSM網(wǎng)絡(luò)、CDMA網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)等，不同制式的網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)出縱向分布、相互封閉的特點。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，不同制式的網(wǎng)絡(luò)由各自獨立的控制單元進行管理，網(wǎng)絡(luò)間缺乏信息交互與協(xié)同，這限制了網(wǎng)絡(luò)性能。

未來的5G網(wǎng)絡(luò)是一個多種無線接入技術(shù)并存的網(wǎng)絡(luò)，為了最大化網(wǎng)絡(luò)性能，需要提出一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，統(tǒng)一管理不同的接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和頻譜效率的目標。通過分析當前無線網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)的缺陷和未來無線網(wǎng)絡(luò)需求，本文提出了一種新的基于軟件定義的以用戶為中心的無線網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)。該架構(gòu)一方面借鑒軟件定義的思想控制不同制式的網(wǎng)絡(luò)，另一方面以用戶為中心，保證每個用戶的傳輸性能，為用戶提供個性化的傳輸服務(wù)。

2 現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)存在的問題

現(xiàn)有無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一種多種制式網(wǎng)絡(luò)并存的無線接入環(huán)境，并朝著越來越密集的方向發(fā)展。通過對現(xiàn)有相關(guān)研究[2～8]的分析，將無線網(wǎng)絡(luò)存在的問題歸納如下。

2.1 從網(wǎng)絡(luò)的角度

首先，現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)缺乏協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的能力。頻譜資源有限，密集網(wǎng)絡(luò)中存在嚴重干擾。如何協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)間資源是密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能否充分發(fā)揮性能的關(guān)鍵。有效的資源管理需要基站和用戶在局部和大范圍協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并交互信息。現(xiàn)有的相關(guān)協(xié)作處理方案研究大都假設(shè)網(wǎng)絡(luò)之間的信息可以任意交互，而實際上接入網(wǎng)并沒有統(tǒng)一的信息交互協(xié)作處理平臺。

其次，網(wǎng)絡(luò)中信令開銷與信息交互量會占用大量網(wǎng)絡(luò)資源。無線資源協(xié)同管理的前提是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（基站和終端）間的數(shù)據(jù)交互。為了更好地提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，未來的網(wǎng)絡(luò)會在局部（如多基站為一個用戶服務(wù)）和大范圍（如頻譜資源動態(tài)規(guī)劃等）共同進行協(xié)作?；诓煌６鹊膮f(xié)作都依賴于大量的信息交互，包括環(huán)境信息、控制信息等。隨著網(wǎng)絡(luò)的逐漸密集部署，節(jié)點數(shù)量急劇增加，信息交互的開銷會爆炸式增長，從而占據(jù)大量網(wǎng)絡(luò)資源，而信息本身的可靠性也影響了網(wǎng)絡(luò)性能的發(fā)揮。如何降低信令開銷并增加信息的頑健性是未來密集網(wǎng)絡(luò)迫切需要解決的問題。

再次，不同制式的網(wǎng)絡(luò)難以協(xié)調(diào)資源?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)可以通過協(xié)作通信小范圍協(xié)調(diào)同制式的網(wǎng)絡(luò)資源，而缺少不同制式網(wǎng)絡(luò)的資源協(xié)調(diào)能力，網(wǎng)絡(luò)無法利用所有網(wǎng)絡(luò)為用戶提供可靠的服務(wù)。雖然同制式網(wǎng)絡(luò)的負載均衡已經(jīng)得到廣泛研究，但不同網(wǎng)絡(luò)間的負載均衡問題難以解決。需要提出一種網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理方法（稱為接入網(wǎng)絡(luò)的虛擬化技術(shù)），以統(tǒng)一調(diào)配無線資源，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的負載均衡與協(xié)作，將所有無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化為統(tǒng)一的無線資源。

最后，用戶的個性化服務(wù)難以實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)資源控制以小區(qū)為單位，難以顧及網(wǎng)絡(luò)中的每個用戶，尤其是處于多個網(wǎng)絡(luò)邊緣的用戶。網(wǎng)絡(luò)之間的獨立性和封閉性降低了處于多個網(wǎng)絡(luò)覆蓋下用戶的性能。

2.2 從用戶的角度

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境越發(fā)復雜，而對于用戶來說，相較于越來越復雜的網(wǎng)絡(luò)，用戶則希望感受到更簡潔的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。而對網(wǎng)絡(luò)本身沒有感受，終端需要做的決策越少越好，不論用戶處于何種場景（多網(wǎng)絡(luò)、單網(wǎng)絡(luò)、密集、松散），用戶只是希望得到高速服務(wù)，而不用關(guān)心具體的過程。對用戶來說，現(xiàn)有密集網(wǎng)絡(luò)的管理方法存在以下問題。

首先，用戶需要繁瑣的網(wǎng)絡(luò)選擇方法，人為選擇不同制式的網(wǎng)絡(luò)，如Wi-Fi、LTE等。而這種網(wǎng)絡(luò)選擇方法不一定能保證用戶始終處于最佳通信質(zhì)量。同時，由于用戶數(shù)量大，這種網(wǎng)絡(luò)選擇方式也大大增加了信令開銷和控制開銷。

其次，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和公平性差。用戶大都以自身的通信狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)剩余負載作為網(wǎng)絡(luò)接入的參考依據(jù)，忽視了其他用戶的網(wǎng)絡(luò)感受。用戶在網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)質(zhì)量不穩(wěn)定，不同用戶間的服務(wù)質(zhì)量公平性差。同時，隨著用戶的移動，在多種網(wǎng)絡(luò)間進行網(wǎng)絡(luò)選擇會產(chǎn)生大量切換，降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

根據(jù)上述分析，5G網(wǎng)絡(luò)需要一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要體現(xiàn)出更針對用戶、更靈活、更開放、更易操作的特性。

3 相關(guān)研究

目前已經(jīng)有大量國內(nèi)外研究機構(gòu)針對5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)展開研究。為了高效地控制無線網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究都引入了軟件定義的思想，以實現(xiàn)對無線網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制。

對于國內(nèi)的5G架構(gòu)相關(guān)研究，中國移動通信集團公司提出了C-RAN架構(gòu)[9]，通過RRU和BBU的分離，設(shè)計了虛擬基站集群的架構(gòu)模式，由集中式的基站資源池統(tǒng)一控制無線資源，實現(xiàn)實時物理資源的全局最優(yōu)。中國電信集團公司提出了一種基于SDN的虛擬化融合移動核心控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[10]，將網(wǎng)絡(luò)劃分為業(yè)務(wù)層、控制層、轉(zhuǎn)發(fā)層、接入層，能夠支持包括2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的多種接入技術(shù)。中興通訊股份有限公司提出了一種基于云的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[11]，主要包含3部分結(jié)構(gòu)：無線云，將無線接入網(wǎng)虛擬化；網(wǎng)絡(luò)功能云，具備無線控制功能與核心網(wǎng)功能；業(yè)務(wù)云，提供各種業(yè)務(wù)服務(wù)。清華大學提出了OpenRAN架構(gòu)[12]，該架構(gòu)提出無線接入點以支持多種接入制式，可以根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)需求更改傳輸協(xié)議，在上層利用SDN控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中式控制。

在國外的5G架構(gòu)研究中，美國斯坦福大學的團隊已經(jīng)獲得大量研究成果。斯坦福大學提出的Open Radio技術(shù)[13]，在無線協(xié)議棧中加入可編程無線數(shù)據(jù)平面，該平面模塊化和可編程接口聲明。這種設(shè)計允許運營商根據(jù)功能需求靈活生成控制協(xié)議。另外，斯坦福大學還提出了SoftRAN架構(gòu)[6]。該架構(gòu)是一個集中式的軟件定義無線接入網(wǎng)，為有效執(zhí)行切換和分配無線資源，對所有LTE基站進行集中控制，所有基站被抽象為一個虛擬元素，由一個邏輯中央控制器管理。另外，還有一些研究[4,14]從總體架構(gòu)的角度提出需要在無線接入網(wǎng)上層增加一個軟件定義控制層，主要描述了網(wǎng)絡(luò)功能和粗略網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，沒有給出詳細的架構(gòu)。

4 一種基于軟件定義的以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前已有的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究的關(guān)注點大都集中在如何統(tǒng)一管理不同制式的基站，而忽略了對用戶的管理。用戶依然需要繁瑣的網(wǎng)絡(luò)選擇和優(yōu)化才能擁有較好的通信質(zhì)量。針對上述問題，提出了一種基于軟件定義思想的以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)同時考慮了未來網(wǎng)絡(luò)的演進需求和用戶簡單化的接入需求，一方面利用集中式的方法統(tǒng)一控制不同制式的接入網(wǎng)絡(luò)，另一方面針對每一個用戶優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源。

圖1表示一種以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。以用戶為中心設(shè)定小區(qū)，用戶可以與其通信范圍內(nèi)的所有基站通信，基站可以是傳統(tǒng)的基站，也可以是多模基站（能夠使用不同制式通信）。該架構(gòu)打破了以往以基站為中心的小區(qū)概念，改為針對每個用戶進行無線資源管理和優(yōu)化。

以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含3層結(jié)構(gòu)：接入層、本地控制與資源層、控制層。接入層負責用戶數(shù)據(jù)的無線傳輸，本地控制與資源層由每個基站的本地控制器（local controller，LC）構(gòu)成，控制層用軟件定義的方式為每個用戶生成一個虛擬用戶控制器（virtual user controller，VUC），該 VUC 能夠控制與這個用戶通信的所有基站。LC受VUC的控制，具體執(zhí)行無線資源管理過程。3個層的功能具體介紹如下。

圖1 以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

（1）接入層

在接入層，用戶根據(jù)其附近的無線接入點信號強度構(gòu)建以用戶為中心的小區(qū)。傳統(tǒng)小區(qū)中，基站是小區(qū)的中心，一個基站能夠為多個用戶提供服務(wù)。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的密集化，傳統(tǒng)小區(qū)難以保證其邊緣用戶的性能，不同小區(qū)的負載不易均衡。考慮到無線接入點的密集化，提出了以用戶為中心的小區(qū)。相較于傳統(tǒng)小區(qū)，以用戶為中心的小區(qū)更強調(diào)每個用戶的性能，用戶是小區(qū)的中心，每個用戶可以由多個基站提供服務(wù)。由于不同無線接入點的發(fā)射功率不同，以用戶為中心的小區(qū)形狀不規(guī)則。以用戶為中心的小區(qū)生成過程可以描述為：用戶檢測周圍無線接入點信號強度；將所檢測的無線信號強度與預先設(shè)定的功率門限對比，如果高于此門限，則認為該無線接入點能夠為其服務(wù)。由于實際網(wǎng)絡(luò)中用戶的位置在發(fā)生變化，同時，通信環(huán)境也在發(fā)生變化，所以對無線接入點的檢測是一個在線的過程，以用戶為中心的小區(qū)會隨時根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化而改變。用戶可以根據(jù)基站的負載情況、信號質(zhì)量等因素選擇與其小區(qū)中的多個基站同時通信。

（2）本地控制與資源層

本地控制與資源層負責控制每個基站的底層物理資源。LC是一種模塊化的BBU結(jié)構(gòu)，為不同制式的通信協(xié)議提供統(tǒng)一的控制平臺。相較于傳統(tǒng)BBU，LC對所有物理層控制功能進行模塊化，如調(diào)制形式、編碼形式等。每個LC通過對模塊的選擇實現(xiàn)物理層資源管理，它具有足夠的靈活性，以實現(xiàn)不同制式的通信。不同制式的通信系統(tǒng)在物理層中都需要實現(xiàn)諸如卷積、FFT、信道估計、交織等功能見表1，同時這些功能在不同制式的通信系統(tǒng)中只是所選取的參數(shù)或類型不同。隨著硬件的快速發(fā)展，已有功能強大的商用DSP平臺可以全面地實現(xiàn)表1中的所有功能。因此，可以將BBU中不同的處理功能進行模塊化設(shè)計，這樣BBU可以根據(jù)上層發(fā)來的控制信息選擇特定制式通信所需要的處理模塊進行通信。這種將控制和數(shù)據(jù)分離的架構(gòu)，使得控制協(xié)議與處理硬件解耦，減小了控制協(xié)議更新?lián)Q代的成本。由于以前控制協(xié)議與處理硬件之間的緊耦合關(guān)系，更新協(xié)議必須同時更新處理硬件，所以更新成本很大。這是一種物理層資源虛擬化理念，能夠?qū)崿F(xiàn)不同制式、不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的無線資源的統(tǒng)一管理。上層控制單元通過統(tǒng)一的控制信令就能夠統(tǒng)一管理所有的無線接入點。

表1 各制式物理層功能模塊

（3）控制層

控制層的集中控制器通過軟件定義的形式管理資源層的LC。集中控制器為每個用戶虛擬化出一個VUC。VUC用于管理與該用戶通信的所有基站，以便為用戶提供隨時隨地的高質(zhì)量無線傳輸服務(wù)。VUC根據(jù)用戶當前的業(yè)務(wù)需求和每個基站當前的通信環(huán)境、負載情況等信息，管理由哪些基站進行通信。同時，VUC也負責控制這些基站的頻譜資源，以減小基站間的干擾，最大化頻譜效率。VUC之間具有自組織功能，主要用于協(xié)調(diào)不同用戶之間的資源，通過協(xié)同管理的方法降低用戶間干擾，以均衡不同用戶間的性能，提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。

該架構(gòu)的優(yōu)點可以概括如下。

· 不同于傳統(tǒng)的以基站為中心的小區(qū)，一個基站為多個用戶服務(wù)，其根據(jù)用戶附近無線接入點信號強度，構(gòu)建以用戶為中心的小區(qū)，小區(qū)內(nèi)的基站為用戶服務(wù)，不僅可以在復雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為用戶提供良好的無線傳輸服務(wù)，保證每個用戶的通信質(zhì)量，還能夠根據(jù)不同用戶對業(yè)務(wù)的不同需求，為用戶提供有針對性的個性化服務(wù)。

·通過接入層基站和用戶在局部和大范圍協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使得在密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下合理協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)間資源成為可能。而且通過無線資源的協(xié)同管理，實現(xiàn)了不同網(wǎng)絡(luò)的負載均衡與協(xié)作，降低了網(wǎng)絡(luò)中的干擾，提升了頻譜效率。

·對物理層控制功能的模塊化實現(xiàn)了所有無線接入點的統(tǒng)一控制，使得網(wǎng)絡(luò)具有足夠的靈活性。同時，模塊化的設(shè)計可以根據(jù)上層發(fā)來的控制信息選擇特定制式通信所需要的處理模塊進行通信，打破了不同網(wǎng)絡(luò)間相互隔離的問題。另外，這種將控制和處理分離的架構(gòu)，使得控制協(xié)議與處理硬件解耦，減小了控制協(xié)議更新?lián)Q代的成本。

·提出了基于軟件定義的虛擬用戶控制器概念，VUC管理用戶小區(qū)中的所有基站，根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求和當前的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為用戶選擇合適的網(wǎng)絡(luò)制式，不需要用戶人為地選擇網(wǎng)絡(luò)，大大降低了信令的開銷與控制成本，提高了網(wǎng)絡(luò)的公平性。同時通過VUC之間的自組織功能，為多個用戶合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，提升了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

未來無線網(wǎng)絡(luò)將朝著密集、異構(gòu)的方向發(fā)展，不同網(wǎng)絡(luò)間的封閉性限制了網(wǎng)絡(luò)性能。通過分析當前網(wǎng)絡(luò)存在的問題和已有的相關(guān)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出了一種基于軟件定義的以用戶為中心的新型無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)能夠為用戶提供個性化的服務(wù)。本文從功能的角度對所提出的架構(gòu)進行了描述，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)各個模塊的細化功能還有待進一步研究。

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