非均勻密集無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)

摘要：無(wú)線(xiàn)密集網(wǎng)絡(luò)作為未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要場(chǎng)景，能提供超高的、非均勻的數(shù)據(jù)量及海量的連接服務(wù)，并有提高無(wú)線(xiàn)鏈路的能效以及利用更高的頻譜等諸多優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要架構(gòu)之一，研究無(wú)線(xiàn)密集組網(wǎng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)意義重大。無(wú)線(xiàn)密集網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)建模分析以及異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)之間的融合是非均勻密集無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的重要研究問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 無(wú)框架網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；異構(gòu)融合；隨機(jī)幾何

Abstract： Dense wireless networking， seen as a major communication architecture in future mobile communication systems， can provide super high and non-uniform data traffic as well as massive connectivity services. It can also improve energy efficiency and spectrum efficiency of the wireless systems. Researches on dense wireless networks， including network architecture， network modeling and the convergence among heterogeneous networks， are meaningful and important.

2010年4G開(kāi)始部署，全球范圍內(nèi)開(kāi)始了5G研究的熱潮。5G通信系統(tǒng)的研究預(yù)計(jì)通過(guò)已有技術(shù)與新技術(shù)的融合解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能支撐的諸多挑戰(zhàn)，各類(lèi)新技術(shù)的融合能在支持預(yù)計(jì)移動(dòng)數(shù)據(jù)量的同時(shí)擴(kuò)大移動(dòng)通信所能支持的應(yīng)用范圍[1]。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）結(jié)合各類(lèi)業(yè)務(wù)與應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的不同要求，將IMT-2020與已有的IMT-Advanced系統(tǒng)作對(duì)比，總結(jié)了5G系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)[2]，其中峰值速率預(yù)計(jì)可以達(dá)到10 Gbit/s且用戶(hù)體驗(yàn)速率達(dá)到100 Mbit/s，網(wǎng)絡(luò)能效及頻譜效率分別達(dá)到現(xiàn)有系統(tǒng)的100倍和3倍。為了實(shí)現(xiàn)更高的用戶(hù)數(shù)據(jù)率、更優(yōu)的無(wú)線(xiàn)鏈路能效以及開(kāi)發(fā)利用更高的頻率資源，非均勻超密集組網(wǎng)成為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。雖然通過(guò)不斷增大網(wǎng)絡(luò)基站或熱點(diǎn)的非均勻密集化組網(wǎng)方式能提供更高的數(shù)據(jù)速率以及海量的連接，但是同樣也帶來(lái)了嚴(yán)重的干擾問(wèn)題，復(fù)雜的資源分配等問(wèn)題，而且隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，用戶(hù)體驗(yàn)需求也更加苛刻，如安全需求更高等。因此如何在非均勻的超密集組網(wǎng)趨勢(shì)下，利用有限的無(wú)線(xiàn)通信資源，適應(yīng)未來(lái)無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的空-時(shí)非均勻性和OTT等業(yè)務(wù)多樣化的需求，成為5G組網(wǎng)面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 無(wú)框架網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，1G到4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展都是基于蜂窩小區(qū)架構(gòu)的演進(jìn)，這些無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式雖然在一定程度上提高了移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量，但由于5G系統(tǒng)中采用非均勻高密度的異構(gòu)混合組網(wǎng)方式，基于傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)架構(gòu)的技術(shù)演進(jìn)將難以真正解決限制5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)容量的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)而很難實(shí)現(xiàn)5G無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)架構(gòu)及組網(wǎng)方式的真正變革。為了突破蜂窩小區(qū)架構(gòu)所帶來(lái)的一些的限制，并在未來(lái)5G系統(tǒng)擬部署的非均勻高密度異構(gòu)混合無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)干擾可控與資源可管的容量有效提升，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提出了“無(wú)框架組網(wǎng)架構(gòu)（FNA）”及其相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)策略[3-7]。

1.1 無(wú)框架網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署場(chǎng)景及特點(diǎn)

基于無(wú)框架網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及組網(wǎng)方法，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中將不再存在具體的小區(qū)邊界，而是以用戶(hù)為中心，基站及其天線(xiàn)單元的覆蓋范圍可以根據(jù)用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求及干擾分布等情況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

無(wú)框架網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，傳統(tǒng)基站被分解為集中處理單元和天線(xiàn)單元。集中處理單元與天線(xiàn)單元之間通過(guò)光纖回程鏈路、無(wú)線(xiàn)回程鏈路、有線(xiàn)回程鏈路等多種方式連接。集中處理單元承擔(dān)著主要的網(wǎng)絡(luò)控制功能，負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的處理、維護(hù)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的控制平面及用戶(hù)平面；天線(xiàn)單元負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的發(fā)送和接收。網(wǎng)絡(luò)按用戶(hù)的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求動(dòng)態(tài)地選擇合適的天線(xiàn)單元來(lái)構(gòu)建針對(duì)各個(gè)用戶(hù)的專(zhuān)屬服務(wù)天線(xiàn)單元集合。

通過(guò)這種功能分解，天線(xiàn)單元被釋放，成為一維新的無(wú)線(xiàn)資源，從而參與到多維無(wú)線(xiàn)資源的管理與控制過(guò)程之中。這種無(wú)框架網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其組網(wǎng)方法具有如圖1所示特點(diǎn)。

1.2 基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的無(wú)框架網(wǎng)絡(luò)

架構(gòu)演進(jìn)

基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）及OpenFlow協(xié)議的無(wú)框架網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)架構(gòu)[3]， [7]包括由不同制式、不同類(lèi)型天線(xiàn)單元組成的，支持各節(jié)點(diǎn)完全協(xié)作的虛擬化接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具體包括實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能的集中處理單元、連接集中處理單元與天線(xiàn)單元的接口、連接各不同集中處理單元的集中處理單元間接口、支持OpenFlow等協(xié)議的控制器、連接集中處理單元與控制器的控制接口、實(shí)現(xiàn)虛擬化無(wú)線(xiàn)資源管理的資源池等基本組件[3]。

此外，傳統(tǒng)移動(dòng)通信中的多天線(xiàn)技術(shù)、協(xié)作通信技術(shù)、中繼技術(shù)、載波聚合等技術(shù)可以靈活地應(yīng)用到本架構(gòu)中，從而實(shí)現(xiàn)各天線(xiàn)單元以及各天線(xiàn)單元所屬的各集中處理單元等接入節(jié)點(diǎn)的充分協(xié)作，具體的架構(gòu)[5]如圖2所示。

該演進(jìn)架構(gòu)不僅支持無(wú)框架網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所支持的用戶(hù)平面與控制平面的分離及自適應(yīng)調(diào)整策略、以用戶(hù)為中心的資源管理及移動(dòng)性管理策略、自適應(yīng)業(yè)務(wù)卸載策略以及集中式干擾管理策略，還融合了SDN與OpenFlow的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，支持基于虛擬化的無(wú)線(xiàn)資源管理策略、業(yè)務(wù)分片策略等組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中接入網(wǎng)的虛擬化，提出了將SDN技術(shù)及OpenFlow等協(xié)議應(yīng)用到移動(dòng)通信接入網(wǎng)架構(gòu)中的解決方案。與此同時(shí)，這種無(wú)框架的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中基站、熱點(diǎn)以及移動(dòng)終端的位置更加隨機(jī)，用于建模傳統(tǒng)小區(qū)的規(guī)則六邊形模型不再適用于密集網(wǎng)絡(luò)的建模，因而需尋找適合于密集網(wǎng)絡(luò)建模和分析的數(shù)學(xué)工具與模型。