5G超密集組網網絡架構及實現

張建敏，謝偉良，楊峰義

（中國電信股份有限公司技術創新中心，北京 100031）

5G超密集組網網絡架構及實現

張建敏，謝偉良，楊峰義

（中國電信股份有限公司技術創新中心，北京 100031）

超密集組網通過小基站加密部署提升空間復用的方式，成為解決未來 5G 網絡數據流量 1 000 倍以及用戶體驗速率 10～100 倍提升的有效解決方案。 然而，小區密集部署帶來的干擾問題以及小基站較小的覆蓋范圍導致的高速移動用戶頻繁切換問題，會降低網絡容量和用戶體驗。 因此，為了同時考慮未來 5G 超密集組網“覆蓋”和“容量”的問題，提出了以控制承載分離以及簇化集中控制為主要技術特征的 5G 超密集組網網絡架構。 除此之外，針對宏—微和微—微的超密集組網部署場景，給出了具體實現方案。 更進一步地，針對 5G 超密集組網網絡架構中可能存在的問題與挑戰進行了討論，為后續研究發展提供參考。

5G；超密集組網；控制與承載分離；簇化集中控制

1 引言

移動互聯網和物聯網的快速發展以及各種新型業務的不斷涌現，促使移動通信在過去的 10年間經歷了爆炸式增長。豐富多彩的移動互聯網和物聯網的業務在給人們生活帶來便利、改變生活方式的同時，對未來移動通信網絡提出了更高的要求和挑戰。為了能夠更好地應對未來移動數據流量的高速增長、海量的設備連接以及各種各樣差異化新型業務應用的涌現，全球范圍內學術界和產業界已經展開對未來 5G 移動通信技術的深入研究，主要包 括 歐 盟 的 5GNOW （5th Generation Non-Orthogonal Waveforms forAsynchronous Signaling） 課 題［1］、METIS（Mobileand Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty Information Society）項 目［2］、5G PPP （5G Public-Private Partnership）項 目 ，中 國 的 IMT-2020 （5G）推進 組［3］，韓 國 的 5G 技 術 論 壇 （5G Forum）以 及 日 本 的 5G 研究 組 “2020 and Beyond Ad Hoc”等［3-5］。截 至 目 前 ，未 來 5G網絡的總體愿景以及性能要求已經達成共識，主要包括更高的數據流量和用戶體驗速率、海量終端連接以及更低時 延 、更 高 可 靠 性 等［3-9］。

其中 ，為了解決未 來 移動網絡 數 據流量增 大 1 000 倍以及用戶體驗速率提升 10～100 倍的需求，除了增加頻譜帶寬和利用先進的無線傳輸技術提高頻譜利用率外，提升無線系統容量最為有效的辦法依然是通過加密小區部署提 升 空 間 復 用 度［10，11］。傳 統 的 無 線 通 信 系 統 通 常 采 用 小 區分裂的方式減小小區半徑，然而隨著小區覆蓋范圍的進一步縮小，小區分裂將很難進行，需要在室內外熱點區域密集部署低功率小基站，形成超密集組網。

可以看出，超密集組網是解決未來 5G 網絡數據流量爆炸式增長的有效解決方案。據預測，在未來無線網絡宏基 站 覆 蓋 的 區 域 中 ， 各 種 無 線 接 入 技 術 （radio access technology，RAT）的 小 功 率 基 站 的 部 署 密 度 將 達 到 現 有 站點 密 度 的 10 倍 以 上［10］，形 成 超 密 集 的 異 構 網 絡 ，如 圖 1 所 示 。

在超密集組網場景下，低功率基站較小的覆蓋范圍會導致具有較高移動速度的終端用戶遭受頻繁切換，從而降低了用戶體驗速率。 除此之外，雖然超密集組網通過降低基站與終端用戶間的路徑損耗提升了網絡吞吐量，在增大有效接收信號的同時也提升了干擾信號，即超密集組網降低了熱噪聲對無線網絡系統容量的影響，使其成為一個干擾受限系統。如何有效進行干擾消除、干擾協調成為超密集組網提升網絡容量需要重點解決的問題。考慮到現有LTE 網絡采用的分布式干擾協調技術，其小區間交互控制信令負荷會隨著小區密度的增加以二次方趨勢增長，極大地增加了網絡控制信令負荷。

可以看出，如何能夠同時考慮“覆蓋”和“容量”這兩個無線網絡重點關注的問題， 成為 5G 超密集組網需要重點解決的問題，也因此成為本文的主要關注內容。

在前期關于 5G 蜂窩網絡架構的分析中提出了 5G 無線接入網控制面與數據面的分離以及簇化集中控制的思想［12，13］。其 中 ，接 入 網 控 制 面 與 數 據 面 的 分 離 通 過 分 別 采 用不同的小區進行控制面和數據面操作，從而實現未來網絡對于覆蓋和容量的單獨優化設計。此時，未來 5G 接入網可以靈活地根據數據流量的需求在熱點區域擴容數據面傳輸資源，例如小區加密、頻帶擴容、增加不同 RAT 系統分流等，并不需要同時進行控制面增強。簇化集中控制則通過小區分簇化集中控制方式，解決小區間干擾協調，相同RAT 下不同小區間的資源聯合優化配置、負載均衡等以及不同 RAT 系統間的數據分流、負載均衡等，從而提升系統整體容量和資源整體利用率。雖然前期工作給出了 5G 蜂窩網絡“三朵云”的網絡架構，然而并未針對超密集組網的具體部署場景，給出 5G 超密集組網的網絡架構以及控制與承載分離和簇化集中控制的具體實施方案。因此，針對超密集組網部署場景，如何實現控制承載分離以及簇化集中控制的部署成為本文主要的研究內容。

圖1 超密集異構組網示意

綜上所述，本文針對超密集組網，提出了以控制承載分離以及簇化集中控制為主要技術特征的 5G 超密集組網網絡架構。除此之外，本文針對宏—微和微—微的超密集組網部署場景，給出了具體實現方案。更進一步地針對 5G超密集組網網絡架構中可能存在的問題與挑戰進行了討論，為后續研究發展提供了參考。

2 5G超密集組網網絡架構

基 于 前 期 “三 朵 云 ”的 5G 蜂 窩 網 絡 架 構［12］， 本 文 針 對超密集組網主要應用的熱點高容量場景提出了 5G 超密集組網網絡架構，如圖 2所示。

可以看出，為了解決特定區域內持續發生高流量業務的熱點高容量場景（辦公室、大型場館和家庭等）帶來的挑戰，即如何在網絡資源有限的情況下提高網絡吞吐量和傳輸效率，保證良好的用戶體驗速率，5G 超密集組網需要如下方面的進一步增強。

首先，接入網采用微基站進行熱點容量補充，同時結合大規模天線、高頻通信等無線技術，提高無線側的吞吐量。其中，在宏—微覆蓋場景下，通過覆蓋與容量的分離（微基站負責容量，宏基站負責覆蓋及微基站間資源協同管理），實現接入網根據業務發展需求以及分布特性靈活部署微基站。同時，由宏基站充當的微基站間的接入集中控制模塊，負責無線資源協調、小范圍移動性管理等功能；除此之外，對于微—微超密集覆蓋的場景，微基站間的干擾協調、資源協同、緩存等需要進行分簇化集中控制。此時，接入集中控制模塊可以由所分簇中某一個微基站負責或者單獨部署在數據中心，負責提供無線資源協調、小范圍移動性管理等功能。

其次，為了盡快對大流量的數據進行處理和響應，需要將用戶面網關、業務使能模塊、內容緩存／邊緣計算等轉發相關功能盡量下沉到靠近用戶的網絡邊緣。例如在接入網基站旁設置本地用戶面網關，實現本地分流。同時，通過在基站上設置內容緩存／邊緣計算能力，利用智能的算法將用戶所需內容快速分發給用戶，同時減少基站向后的流量和傳輸壓力。更進一步地將諸如視頻編解碼、頭壓縮等業務使能模塊下沉部署到接入網側，以便盡早對流量進行處理，減少傳輸壓力。

圖2 5G 超密集組網網絡架構

綜上所述，5G 超密集組網網絡架構一方面通過控制承載分離，即覆蓋與容量的分離，實現未來網絡對于覆蓋和容量的單獨優化設計，實現根據業務需求靈活擴展控制面和數據面資源；另一方面通過將基站部分無線控制功能進行抽離進行分簇化集中式控制，實現簇內小區間干擾協調、無線資源協同、移動性管理等，提升了網絡容量，為用戶提供極致的業務體驗。除此之外，網關功能下沉、本地緩存、移動邊緣計算等增強技術，同樣對實現本地分流、內容快速分發、減少基站骨干傳輸壓力等有很大幫助。

下面將重點針對 5G 超密集組網具體部署場景如何實現控制承載分離以及簇化集中控制方案進行闡述，主要包括宏—微和微—微部署場景，如圖 3所示。

3 宏—微部署場景

如上文所述，針對宏—微部署場景，5G 超密集組網通過微基站負責容量、宏基站負責覆蓋以及微基站間資源協同管理的方式，實現接入網根據業務發展需求以及分布特性靈活部署微基站。同時，由宏基站充當的微基站間的接入集中控制模塊，對微基站間干擾協調、資源協同管理起到了一定幫助。為了實現宏—微場景下控制承載分離以及簇化集中控制的目標，5G 超密集組網可以采用基于雙連接的技術方案，如圖 4 和圖 5 所示，具體介紹如下。

圖3 5G 超密集組網部署場景示意（宏—微場景、微—微場景）

圖4 宏—微覆蓋場景控制與承載分離方案一

圖5 宏—微覆蓋場景控制與承載分離方案二

方 案 一 ：終 端 的 控 制 面 承 載 ，即 RRC （radio resource control，無 線 資 源 控 制 ）連 接 始 終 由 宏 基 站 負 責 維 護 ，如 圖 4中控制面協議架構所示。終端用戶面承載與控制面分離，其中，對中斷時間敏感、帶寬需求較小的業務承載（諸如語音業務等）由宏基站進行承載，而對中斷時延不敏感、帶寬需求大的業務承載（諸如視頻傳輸等）則由微基站負責。除此之外，從圖 4 中用戶面協議架構中可以看出，對于微基站 負 責 傳 輸 的 數 據 會 由 SGW （serving gateway，服 務 網 關 ）直接分流到微基站，而維持在宏基站的數據承載，其數據將保持由 SGW 到宏基站的路徑。

方案二：與方案一類似，終端的控制面承載（RRC 連接）始終由宏基站負責維護，如圖 5 中控制面協議架構所示。終端的用戶面承載與控制面分離，對于低速率、移動性要求較高（諸如語音業務等）的業務承載和高帶寬需求（諸如視頻傳輸等）的業務承載分別由宏基站和微基站負責傳輸，其中微基站主要負責系統容量的提升。然而對于用戶面協議架構，與方案一不同的是對于微基站負責的數 據 承 載 僅 將 無 線 鏈 路 控 制 （radio link control，RLC）層 、媒 體 接 入 控 制 （medium access control，MAC）層 以 及 物 理 層切 換 到 微 基 站 ，而 分 組 匯 聚 協 議 （packet data convergence protocol，PDCP）層則依然維持在宏基站。換句話說，也就是分流到微基站的數據承載首先由 SGW 到宏基站，然后再由宏基站經過 PDCP 層后分流到微基站。

可以看出，對于用戶面協議架構，方案一采用的宏基站和微基站都和核心網直接連接，這樣做雖然可以使數據不用經過 Xn 接口進行傳輸，降低了用戶面的時延，但是宏基站和微基站同時與核心網直接連接將帶來核心網信令負荷的增加。方案二則只有宏基站與核心網進行連接，宏基站和微基站通過 Xn接口傳輸終端的數據，這種方案通過在接入網宏基站處進行了數據分流和聚合，微基站對于核心網是不可見的，從而可以減少核心網的信令負擔。但是，由于所有微基站的數據都需要通過宏基站傳輸到核心網，此時對宏基站回程鏈路容量帶來很高的要求，尤其是微基站的超密集部署的場景。 因此，基于雙連接的 5G 超密集組網宏—微覆蓋場景控制與承載分離方案可以基于不同的用戶與場景靈活選擇。例如，對于理想回程鏈路的場景，可以采用宏基站分流的方案二，此時微基站不需要完整的協議棧，減少了功能，降低了成本，為這種僅具備部分功能的輕量化基站的應用帶來可能，使得網絡部署更加靈活，具備按需部署的能力。然而對于回程鏈路較差的場景，可以采用宏基站和微基站同時與核心網連接的方案一，此時可以降低用戶面時延，增大用戶吞吐量。

綜上所述，通過基于雙連接的技術方案一和方案二，5G 超密集組網可以實現控制與承載分離。其中，終端的控制面承載（RRC）由宏基站負責傳輸，微基站會將一些配置信息打包通過 Xn接口傳送給宏基站，由宏基站生成最終的 RRC 信令發送給終端。因此，終端只會看到來自宏基站的 RRC 實體，并對此 RRC 實體進行反饋回復。同時，終端的用戶面承載除了個別低速率、移動性要求較高的業務（語音等）由宏基站負責傳輸外，其余高帶寬需求的業務承載主要由微基站負責傳輸，從而實現了 5G 超密集組網宏—微場景下控制與承載的分離。通過控制與承載的分離，使得對于未來 5G 超密集組網可以實現覆蓋和容量的單獨優化設計，靈活地根據數據流量的需求在熱點區域實現按需的資源部署擴容數據面傳輸資源（小區加密、頻帶擴容、增加不同 RAT 系統分流等），并不需要同時進行控制面增強。

更進一步，5G 超密集組網宏—微場景下的控制承載分離還具備如下優勢。

（1）移動性能提升

由于微基站始終處于宏基站的覆蓋范圍下，可以始終保持與宏基站的 RRC 連接，此時微基站僅提供用戶面連接，此時終端在微基站的切換就簡化為微基站的添加、修改、釋放等，避免了頻繁切換帶來的核心網信令增加。同時宏基站 RRC 連接的持續保持以及部分低速率業務的傳輸能力，也可以提升終端在頻繁切換過程中的用戶體驗。

（2）資源利用率提升

宏基站可以在終端的微基站選擇、微基站間干擾的協調管理、微基站間的負載均衡、微基站的動態打開／關閉等方面通過接入集中控制模塊的資源優化算法進行優化控制，從而提升網絡整體容量和資源利用率，降低能效。

需要注意的是，上述基于雙連接的 5G 超密集組網控制和承載分離方案要求終端具備雙連接甚至多連接的能力，這對該技術方案的直接應用帶來了一定制約。除此之外，在缺少宏基站覆蓋的 5G 超密集網絡，上述兩個方案則無法發揮作用。

4 微—微部署場景

如上文所述，在宏—微場景下，基于雙連接的控制和承載分離方案可以有效實現 5G 超密集組網覆蓋和容量的分離，實現覆蓋和容量的單獨優化設計，靈活地根據數據流量的需求在熱點區域實現按需部署。然而上述方案除了要求終端具備雙連接甚至多連接的能力外，也無法解決5G 超密集組網微—微覆蓋場景，即無宏基站覆蓋的場景。因此，本節針對 5G 超密集組網微—微覆蓋場景，基于宏—微場景下“宏覆蓋”思想，提出了虛擬宏小區以及微小區動態分簇的兩種方案。

4.1 虛擬宏小區方案

為了能夠在 5G 超密集組網微—微覆蓋場景下實現類似于宏—微場景下宏基站的作用，即宏基站負責控制面承載（RRC）的傳輸，此時需要利用微基站組成的密集網絡構建一個虛擬宏小區。此時，由虛擬宏小區承載控制面信令（RRC）的傳輸，負責移動性管理以及部分資源協調管理，而微基站則主要負責用戶面數據的傳輸，從而達到與宏—微覆蓋場景下控制面與數據面分離相同的效果，如圖 6所示。

不難想象，虛擬宏小區的構建，需要簇內多個微基站共享部分資源（包括信號、信道、載波等），此時同一簇內的微基站通過在此相同的資源上進行控制面承載的傳輸，以達到虛擬宏小區的目的。同時，各個微基站在其剩余資源上單獨進行用戶面數據的傳輸。可以看出，通過上述方式可以實現 5G超密集組網場景下控制面與數據面的分離。

簡單起見，以微基站配置兩載波為例，在載波 1 上，簇內不同的微基站采用相同的虛擬宏小區 ID，組成虛擬宏小區，而在載波 2 上，簇內各個微基站則配置為不同的小區 ID。此時，對于空閑態終端只需要駐留在載波 1 上，接收來自載波 1上的控制面信令。對于連接態終端，此時根據數據業務需求，通過載波聚合技術，即載波 1 為主載波，載波2為輔載波。

除此之外，對于僅配置單載波的微基站配置場景，可以通過為每個微基站簇配置不同的虛擬宏小區 ID，此時簇內不同微基站使用同一虛擬宏小區 ID 為其發送的廣播信息、尋呼信息，隨機接入響應，公共控制信令進行加擾。終端通過虛擬宏小區 ID 解擾接收來自虛擬宏小區的控制承載，而通過微基站小區 ID 的識別與解擾進行用戶面數據的傳輸，從而實現了控制與承載的分離，即覆蓋和容量的分離。

4.2 微小區動態分簇方案

上述虛擬宏小區方案通過構建虛擬宏小區的方法可以有效實現 5G 超密集組網微—微覆蓋場景下的控制與承載分離，即通過微基站資源的劃分，在公共資源上構建了虛擬的宏小區。換句話說，對于終端來說，相當于同時看到了兩個網絡（虛擬宏小區和微小區），實現了覆蓋和容量的分離。除此之外，考慮到網絡熱點區域會隨著時間和空間的變化而變化，例如，舉辦賽事的運動場以容量需求為主，而未舉辦賽事時則容量需求降低，轉化為以覆蓋要求為主 。正 是 基 于 上 述 考 慮 ，本 文 借 鑒 動 態 DAS（distributed antenna system，分 布 式 天 線 系 統 ）的 思 想 ，針 對 5G 超 密 集組網的微—微覆蓋場景提出了覆蓋和容量動態轉化的方案，即微小區動態分簇的方案，如圖 7 所示。

圖6 微—微覆蓋場景虛擬宏小區方案

可以看出，該上述方案的主要思想是，當網絡負載較輕時，將微基站進行分簇化管理，其中同一簇內的微基站發送相同的數據，從而組成虛擬宏基站，如圖 7（a）所示。此時，終端用戶在同一簇內微基站間移動時不需要切換，降低高速移動終端在微基站間的切換次數，提升用戶體驗。除此之外，由于同一簇內多個微基站發送相同的數據信息，終端用戶可獲得接收分集增益，提升了接收信號質量。當網絡負載較重時，則每個微基站分別為獨立的小區，發送各自的數據信息，實現了小區分裂，從而提升了網絡容量，如圖 7（b）所示。

綜上所述，微小區動態分簇的方案通過簇化集中控制模塊，根據網絡負荷統計信息以及網絡即時負荷信息等，對微基站進行動態分簇，實現微—微覆蓋場景下覆蓋和容量的動態轉換與折中。

需要注意的是，與部署在宏基站上的接入集中控制模塊類似，除了可以提升終端移動性能外，通過在簇頭或者數據中心部署的接入集中控制模塊同樣可以通過資源的優化配置算法在終端的微基站選擇、微基站間干擾的協調管理、微基站間的負載均衡、微基站的動態打開／關閉等方面進行優化，從而提升網絡整體性能。

圖7 微—微覆蓋場景動態分簇方案

5 面臨的挑戰

綜上所述，以控制承載分離（覆蓋與容量的分離）以及簇化集中控制為主要特征的 5G 超密集組網網絡架構可以實現接入網根據業務需求靈活擴展控制面和數據面資源，實現簇內小區間干擾協調、無線資源協同、移動性管理等優化控制的功能，從而提升網絡容量，為用戶提供極致的業務體驗。除此之外，利用基于雙連接的控制與承載分離方案、虛擬宏小區以及微小區動態分簇的方案，可以分別針對5G 超密集組網的宏—微以及微—微覆蓋場景實現控制與承載的分離，實現了控制面的宏覆蓋以及用戶面的靈活按需部署，提升了網絡的移動性能和靈活性，適應了未來網絡發展的需求。然而，上述方案真正應用到 5G 超密集組網還存在一些問題與挑戰，主要包括以下幾個方面。

（1）無線接入集中控制模塊的優化算法

如上文所述，通過部署在宏基站或者微基站簇頭的接入網集中控制模塊在終端的微基站選擇、微基站間干擾的協調管理、微基站間的負載均衡、微基站的動態打開／關閉等方面能夠起到集中優化控制的作用。然而，如何設計合理有效的資源優化算法，成為能夠提升網絡性能和用戶體驗、降低網絡能耗的關鍵點，需要下一步重點進行研究，評估其算法性能。

（2）微—微場景微基站分簇的準則

對于宏—微覆蓋場景，微基站以在同一個宏基站的覆蓋下為基準進行分簇化集中控制。然而對于微—微覆蓋場景，前述方案暫時以微基站連續覆蓋為一般宏基站覆蓋面積為基準進行分簇化管理的，是否存在更有效的分簇準則還需要進一步研究。

（3）宏—微場景同頻覆蓋的問題

前述基于雙連接的控制承載分離方案僅考慮了宏基站和微基站異頻組網的問題，此時宏基站和微基站之間不存在干擾，此時的干擾主要是微基站間干擾，宏基站可為終端提供可靠穩定的 RRC 連接。然而當宏基站與微基站采用同頻部署時，此時宏基站與微基站間存在較大的干擾。宏基站與微基站間的跨層干擾將使得宏基站很難保證為終端提供穩定可靠的 RRC 連接，可能導致終端在宏基站與其覆蓋下的微基站間進行切換，降低了移動性能和用戶體驗。因此，針對宏—微同頻部署場景，如何解決上述問題成為該方案能否成功應用的關鍵。

6 結束語

本文為了解決超密集組網中小區密集部署帶來的干擾問題以及小基站較小的覆蓋范圍導致的高速移動用戶頻繁切換問題，提出了以控制承載分離以及簇化集中控制為主要技術特征的 5G 超密集組網網絡架構。并針對宏—微和微—微的超密集組網部署場景，給出了具體實現方案。更進一步地針對 5G 超密集組網網絡架構中可能存在的問題與挑戰進行了討論，為后續研究發展提供了參考。

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Architecture and solutions of 5G ultra dense network

ZHANG Jianmin，XIE Weiliang，YANG Fengyi
Technology Innovation Center of China Telecom Co.，Ltd.，Beijing 100031，China

Ultra dense network （UDN ） is referred to as the most efficient technique for meeting the challenges of 1 000 times higher trafficvolume and 10 ～100 times higher user data rate，which can improve the network capacity dramatically through network densification.However，due to the limited coverage and higher density of small cell，the problems of frequent handover and inter-cell interference become intractable，which degrade the system capacity and user experience.Therefore，in order to satisfy the challenges of coverage and capacity simultaneously，the architecture of 5G ultra dense network was proposed，which was characterized as the separation of control and user planes and cluster-based centralized control.Besides，regarding to the UDN scenarios of macro-micro and micro-micro，different solutions were presented，respectively.In addition，the problems and challenges of the architecture of 5G ultra dense network were also discussed in detail，providing reference for future research and development.

5G，UDN，separation of control and user planes，cluster-based centralized control

The National High Technology Research and Development Program of China （863 Program）（No.2015AA01A705）

TN92

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016076

張建敏（1983-），男，博士，中國電信股份有限公司技術創新中心高級工程師，主要研究方向為移動通信技術。

謝偉良（1976-），男，博士，中國電信股份有限公司技術創新中心教授級高級工程師，主要研究方向為移動通信標準及測試。

楊峰義（1965-），男，中國電信股份有限公司技術創新中心副主任、教授級高級工程師，“新一代寬帶無線移動通信網”國家科技重大專項總體專家組專家，國家高技術研究發展計劃（“863”計劃 ）5G 專家組專家，中國通信標準化協會無線技術委員會副主席，中國通信學會無線及移動通信委員會委員，長期工作在移動通信領域，數次獲得國家級和省部級科技進步獎，發表學術論文數十篇，學術專著 6 部，譯著 1 部。

2015-12-18；

：2016-02-04

國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2015AA01A705）