異構(gòu)云無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)：原理、架構(gòu)、技術(shù)和挑戰(zhàn)

彭木根，艾 元

（北京郵電大學(xué) 北京100876）

1 引言

在過(guò)去20年，高質(zhì)量的無(wú)線視頻流、社交網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）等業(yè)務(wù)和智能應(yīng)用呈爆炸式增長(zhǎng)，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還將進(jìn)一步增加，如何在這些按指數(shù)遞增的無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)中為用戶提供與ADSL類似的體驗(yàn)，是5G移動(dòng)通信系統(tǒng)亟需解決的難題。相比較于當(dāng)前的4G移動(dòng)通信系統(tǒng)，5G單條鏈路的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率將達(dá)到10 Gbit/s，頻譜及功率效率提升10倍，網(wǎng)絡(luò)覆蓋的單位面積吞吐率提升25倍，單節(jié)點(diǎn)接入用戶數(shù)提升10～100倍，端到端業(yè)務(wù)時(shí)延縮短至1 ms，終端電池使用壽命延長(zhǎng)10倍等。自1G移動(dòng)通信系統(tǒng)使用以來(lái)，傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)接入網(wǎng)架構(gòu)的壽命已超過(guò)40年，最初設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)基站服務(wù)區(qū)域重疊盡可能少的無(wú)縫覆蓋，因此提出了簡(jiǎn)單高效的六邊形蜂窩組網(wǎng)架構(gòu)，但規(guī)則蜂窩組網(wǎng)在簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的同時(shí)，也阻礙了網(wǎng)絡(luò)性能的進(jìn)一步提升。為了實(shí)現(xiàn)5G的性能目標(biāo)要求，需要從組網(wǎng)架構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，打破傳統(tǒng)規(guī)則蜂窩組網(wǎng)架構(gòu)，提出新型5G和后5G的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)。

密集分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（heterogeneous network，HetNet）在后4G時(shí)代已經(jīng)被提出，通過(guò)增加異構(gòu)的小功率節(jié)點(diǎn)（low power node，LPN）實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)地區(qū)的海量業(yè)務(wù)吸收，理論上網(wǎng)絡(luò)譜效率和單位面積的LPN節(jié)點(diǎn)密度成正比。由于LPN隨機(jī)布置，且和HPN（high power node，高功率節(jié)點(diǎn)）重疊覆蓋同一服務(wù)區(qū)域，因此HetNet打破了傳統(tǒng)規(guī)則蜂窩組網(wǎng)架構(gòu)，但其性能嚴(yán)重受限于相鄰LPN間以及LPN-HPN間的干擾，相關(guān)的跨層干擾和同層干擾控制一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè) 界 的 熱 點(diǎn) 和 難 點(diǎn)[1]。多 點(diǎn) 協(xié) 作（coordinated multi-point，CoMP）傳輸和接收技術(shù)是抑制干擾的先進(jìn)技術(shù)之一，但其性能緊密依賴于回程鏈路的傳輸容量，在非理想回程場(chǎng)景下，實(shí)際HetNet的CoMP性能增益只有約20%。為了大幅度提升實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)譜效率、降低能量消耗，一種有效方法是結(jié)合大規(guī)模云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行集中實(shí)時(shí)信號(hào)處理，初步實(shí)現(xiàn)云計(jì)算和無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的融合，中國(guó)移動(dòng)于2009年在業(yè)界提出了云無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（cloud radio access network，C-RAN）的解決方案。C-RAN把傳統(tǒng)的基站分離為離用戶更近的無(wú)線遠(yuǎn)端射頻單元 （remote radio head，RRH）和集中在一起的基帶處理單元(base band processing unit，BBU)。多個(gè)BBU集中在一起，由云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)大規(guī)模信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)了BBU池。C-RAN的主要技術(shù)挑戰(zhàn)在于BBU池和RRH需要單獨(dú)建立，重新組建一個(gè)小接入網(wǎng)，和目前已有的HPN無(wú)法兼容；更加困難的是，無(wú)法高效提供實(shí)時(shí)語(yǔ)音業(yè)務(wù)以及在密集RRH布置下管理控制信令下放，且消耗大量的用于業(yè)務(wù)承載的有限無(wú)線資源等。

借鑒HetNet中通過(guò)HPN實(shí)現(xiàn)控制和業(yè)務(wù)平面分離以及C-RAN中RRH高效支撐局部業(yè)務(wù)的特征，聯(lián)合HetNet和C-RAN各自優(yōu)點(diǎn)，充分利用大規(guī)模實(shí)時(shí)云計(jì)算處理能力，本文提出了異構(gòu)云無(wú)線接入網(wǎng) （heterogeneous cloud radio access network,H-CRAN）作為5G無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的解決方案[2]。

2 H-CRAN系統(tǒng)架構(gòu)和組成

如圖1所示，H-CRAN中數(shù)量眾多的低能耗RRH相互合作，并在集中式BBU池中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模協(xié)作信號(hào)處理。RRH作為前端射頻單元，具有天線模塊，主要的基帶信號(hào)處理和上層空中接口協(xié)議功能都在BBU池中實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)C-RAN的BBU池集合了集中式存儲(chǔ)、集中式信號(hào)處理和資源管理調(diào)度以及集中式控制等功能，使得C-RAN的控制管理功能復(fù)雜，大規(guī)模無(wú)縫C-RAN組網(wǎng)難度大且不現(xiàn)實(shí)，無(wú)法和已有的3G和4G等蜂窩網(wǎng)絡(luò)兼容，且支撐突發(fā)小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的能力并不突出，對(duì)實(shí)時(shí)語(yǔ)音業(yè)務(wù)也不能很好地支持。與C-RAN不同，H-CRAN中的BBU池和已有的HPN相連，可以充分利用3G和4G等蜂窩網(wǎng)絡(luò)的宏基站實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋以及控制和業(yè)務(wù)平面功能分離。HPN用于全網(wǎng)的控制信息分發(fā)，把集中控制云功能模塊從BBU池剝離出來(lái)。此外，BBU池和HPN之間的數(shù)據(jù)和控制接口分別為S1和X2，其繼承于現(xiàn)有的3GPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在H-CRAN中，RRH間的干擾由BBU池進(jìn)行大規(guī)模協(xié)作信號(hào)處理來(lái)抑制，而RRH和HPN間的干擾可以通過(guò)HetNet中的CoMP進(jìn)行分布式協(xié)調(diào)來(lái)減少[3]。

需要說(shuō)明的是，傳統(tǒng)C-RAN的主要性能瓶頸之一在于去程（fronthaul）鏈路的容量受限，而所提的H-CRAN由于HPN的參與，避免了控制信令的傳輸開(kāi)銷，讓部分用戶接入HPN也減少了業(yè)務(wù)傳輸速率的開(kāi)銷，從而有效緩解了去程鏈路的容量需求，實(shí)現(xiàn)了RRH對(duì)用戶的透明性，這里不需要為RRH分配小區(qū)識(shí)別號(hào)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃等。所有的控制信令和系統(tǒng)廣播信息都由HPN發(fā)送給用戶設(shè)備（user equipment，UE），可以使RRH根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求自適應(yīng)地進(jìn)行休眠，從而有效地節(jié)約了能量消耗，實(shí)現(xiàn)了以用戶為中心的綠色節(jié)能通信。需要說(shuō)明的是，一些突發(fā)流量或即時(shí)消息業(yè)務(wù)可以由HPN來(lái)支撐，以確保業(yè)務(wù)能夠無(wú)縫覆蓋，RRH只用于滿足熱點(diǎn)區(qū)域海量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速傳輸需求。對(duì)于RRH和UE之間的無(wú)線傳輸來(lái)說(shuō)，可以采用不同的空中接口技術(shù)，例如IEEE 802.11 ac/ad、毫米波甚至可見(jiàn)光等。

圖1 H-CRAN系統(tǒng)架構(gòu)和組成

為了提高H-CRAN的網(wǎng)絡(luò)能量效率性能，RRH的開(kāi)關(guān)與業(yè)務(wù)量自適應(yīng)匹配。當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載較低時(shí)，一些RRH在BBU池的集中自優(yōu)化處理下進(jìn)入睡眠模式；當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載較高時(shí)，可以自適應(yīng)激活睡眠的RRH。此外，根據(jù)UE承載業(yè)務(wù)和傳輸性能等要求，一個(gè)或者多個(gè)RRH自適應(yīng)為其服務(wù)，如果UE業(yè)務(wù)量較少，同一個(gè)RRH的單一資源可以為多個(gè)UE共享使用。

利用所提的H-CRAN，除了能顯著提高網(wǎng)絡(luò)的譜效率和能量效率性能外，還能大幅度改善移動(dòng)性能。由于在不同RRH間移動(dòng)只涉及資源調(diào)度的變化，不離開(kāi)HPN覆蓋范圍就不需要進(jìn)行切換，所以顯著地減少了C-RAN系統(tǒng)中常用的不必要切換，降低了切換失敗率、乒乓切換率和掉話率等。

3 H-CRAN關(guān)鍵技術(shù)

為了發(fā)揮H-CRAN性能優(yōu)勢(shì)，需要充分挖掘基于大規(guī)模云計(jì)算處理的優(yōu)勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)的物理層、媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行增強(qiáng)。對(duì)物理層而言，基于云計(jì)算的CoMP（CC-CoMP）技術(shù)作為4G系統(tǒng)中CoMP技術(shù)的增強(qiáng)，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)同層RRH間以及跨層RRH和HPN間的干擾抑制。大 規(guī) 模 協(xié) 作 多 天 線 （large scale collaboration more antennas，LS-CMA）技術(shù)通過(guò)在HPN中布置大規(guī)模的集中式天線陣列來(lái)獲得天線分級(jí)和復(fù)用增益。通過(guò)基于云計(jì)算的協(xié)作無(wú)線資源管理（CC-CRRM）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源的虛擬化和用戶的高效資源調(diào)度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)HPN和RRH間的干擾協(xié)調(diào)和移動(dòng)性管理增強(qiáng)等。另外，通過(guò)基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)自組織（CC-SON）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自配置、自優(yōu)化和自治愈，提高H-CRAN的智能組網(wǎng)能力，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和維護(hù)方面的成本等。

3.1 基于云計(jì)算的大規(guī)模多點(diǎn)協(xié)作

和C-RAN一 樣，H-CRAN充 分 利 用BBU池，對(duì) 來(lái) 自RRH的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行大規(guī)模協(xié)作處理，抑制RRH間的干擾，稱為同層CC-CoMP。另外，為了抑制RRH和HPN間的干擾，將使用跨層CC-CoMP技術(shù)。由于RRH和BBU池間的去程鏈路容量受限，所以需要使用信號(hào)壓縮處理技術(shù)，這使得在BBU池中的無(wú)線信號(hào)是壓縮有損信號(hào)，相應(yīng)的同層CC-CoMP性能將有一定的損失。此外，對(duì)于每個(gè)用戶而言，對(duì)同層CC-CoMP性能的影響主要來(lái)自有限個(gè)相鄰的RRH，所以在BBU池可以采用稀疏預(yù)編碼處理，在性能降低幾乎可以忽略的前提下能夠顯著降低同層CC-CoMP計(jì)算復(fù)雜度，從而便于進(jìn)行實(shí)時(shí)云計(jì)算處理。跨層CC-CoMP受限于BBU池和HPN間的回程鏈路容量和信息交互實(shí)時(shí)性，由于實(shí)時(shí)理想的信道狀態(tài)信息(channel state information，CSI)難以獲得，跨層CC-CoMP性能和HetNet中的CoMP性能類似。

3.2 大規(guī)模集中式多天線協(xié)作處理

LS-CMA也稱為大規(guī)模多輸入多輸出（massive MIMO）天線，在HPN處集中式地配備數(shù)百甚至上千根天線，用于改善HPN的傳輸容量和覆蓋范圍。根據(jù)大數(shù)定律，當(dāng)天線數(shù)量足夠多時(shí)，無(wú)線信道傳播可以硬化，使得傳輸容量隨著天線數(shù)量增加呈線性增加。已有實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果表明，在HPN處部署100根天線，與傳統(tǒng)的單天線配置相比，容量將獲得至少10倍的提升，同時(shí)能量效率性能也將得到100倍數(shù)量級(jí)的提高。

需要說(shuō)明的是，如果H-CRAN側(cè)重挖掘LS-CMA的性能增益，讓更多用戶接入HPN獲得業(yè)務(wù)傳輸，會(huì)犧牲掉CC-CoMP的性能增益，極端情況下所有用戶都由HPN提供服務(wù)，則H-CRAN就退化為傳統(tǒng)的蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；但如果讓較少的用戶接入HPN，又會(huì)降低LS-CMA的性能；如果讓所有業(yè)務(wù)都由RRH提供，則會(huì)使H-CRAN退化為C-RAN。因此，權(quán)衡LS-CMA和CC-CoMP間的性能增益，才能使H-CRAN的網(wǎng)絡(luò)性能增益最大。

3.3 基于云計(jì)算的協(xié)作無(wú)線資源管理

相比較于C-RAN系統(tǒng)，H-CRAN系統(tǒng)增加了HPN實(shí)體，也使得用戶接入、資源分配、功率分配、負(fù)載均衡等更加靈活，也更加復(fù)雜[4]?？梢允褂肏etNet使用的小區(qū)范圍收縮技術(shù)平衡RRH和HPN間的負(fù)載，同時(shí)讓用戶盡量接入RRH。此外，為了減少RRH和HPN間的干擾，在負(fù)載輕的時(shí)候，可以為這兩個(gè)實(shí)體配置正交的頻譜資源。當(dāng)負(fù)載變重時(shí)，只分配部分的頻譜資源用于RRH和HPN的共享，以提供基本的無(wú)縫覆蓋業(yè)務(wù)，而其他不共享的頻譜資源專門用于RRH間的高速業(yè)務(wù)傳輸。頻譜資源的配置分配是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，需要聯(lián)合功率分配和用戶接入以及優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)[5]。

為了在H-CRAN系統(tǒng)支撐不同時(shí)延的多媒體分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，H-CRAN需要實(shí)現(xiàn)時(shí)延感知的CC-CRRM。傳統(tǒng)無(wú)線資源管理主要是側(cè)重各用戶的CSI，進(jìn)行無(wú)線資源和用戶CSI的自適應(yīng)匹配，同時(shí)兼顧優(yōu)化用戶的公平性和小區(qū)資源配置等。CC-CRRM將自適應(yīng)每個(gè)用戶的分組業(yè)務(wù)排隊(duì)狀態(tài)信息（queue status information，QSI）和CSI，進(jìn)行資源分配和無(wú)線信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)跨層資源協(xié)同優(yōu)化。

3.4 基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)自組織

和HetNet及C-RAN類似，由于在局部區(qū)域聚集了大量隨機(jī)布置的接入節(jié)點(diǎn)，使得H-CRAN的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化非常復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)的人工網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化變得不太現(xiàn)實(shí)，亟需采用網(wǎng)絡(luò)自組織（SON）技術(shù)提高H-CRAN智能組網(wǎng)性能。SON技術(shù)能夠在組網(wǎng)過(guò)程中最小化人工干預(yù)，減少運(yùn)維成本。鑒于H-CRAN中各RRH的無(wú)線資源管理、移動(dòng)性管理及射頻等相關(guān)參數(shù)都需要配置和優(yōu)化，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著RRH的自適應(yīng)開(kāi)/關(guān)而動(dòng)態(tài)變化，所以SON是確保H-CRAN智能組網(wǎng)的關(guān)鍵。充分利用H-CRAN的BBU池集中大規(guī)模管理架構(gòu)，基于云計(jì)算的SON（CC-SON）將基于集中式架構(gòu)，聯(lián)合云計(jì)算服務(wù)器中的海量網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，智能化完成H-CRAN各RRH的自配置、自優(yōu)化和自治愈功能。需要說(shuō)明的是，由于BBU池和HPN間有接口，可以通過(guò)集中式架構(gòu)完成HPN的自組織功能，而不需要使用混合式的SON架 構(gòu)[6]。

4 H-CRAN未來(lái)技術(shù)挑戰(zhàn)

H-CRAN作為對(duì)HetNet和C-RAN的增強(qiáng)演進(jìn)，雖然已經(jīng)提出了清晰的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，但仍有技術(shù)挑戰(zhàn)亟需解決，才能推進(jìn)其成熟和未來(lái)應(yīng)用。

4.1 理論組網(wǎng)性能限

和HetNet及C-RAN的理論組網(wǎng)性能研究類似，H-CRAN的理論組網(wǎng)性能限需要刻畫(huà)RRH的隨機(jī)分布，挖掘去程鏈路容量受限對(duì)大規(guī)模集中信號(hào)處理性能的影響。RRH的隨機(jī)分布將通過(guò)泊松點(diǎn)(PPP)分布進(jìn)行表征，利用隨機(jī)幾何，推導(dǎo)單用戶的覆蓋成功率、小區(qū)的平均頻譜效率和能量效率等。利用推導(dǎo)的性能限閉式解，描述影響性能限的關(guān)鍵因素，以指導(dǎo)無(wú)線資源分配和網(wǎng)絡(luò)配置等。此外，從用戶角度出發(fā)，研究以用戶為中心的動(dòng)態(tài)RRH選擇和集合設(shè)置，在減少去程鏈路開(kāi)銷和實(shí)時(shí)計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)，減少性能損失[7]。

4.2 去程鏈路受限的性能優(yōu)化

在RRH和BBU之間非理想的去程鏈路受限會(huì)使H-CRAN的整體頻譜效率和能量效率惡化。為了減少去程鏈路的業(yè)務(wù)傳輸帶寬要求，一般都需要對(duì)來(lái)自RRH的無(wú)線符號(hào)進(jìn)行壓縮處理。如何減少壓縮處理后的影響，是未來(lái)仍亟需突破的關(guān)鍵問(wèn)題。一種可行方法是打破傳統(tǒng)的完全集中式架構(gòu)，充分利用分布式存儲(chǔ)和分布式信號(hào)處理功能，讓部分業(yè)務(wù)傳輸發(fā)生在本地，而不需要上傳到BBU池，從而有利地降低去程鏈路的開(kāi)銷[8]。另外一種方法是通過(guò)HPN的分流，但這是以犧牲BBU池的大規(guī)模協(xié)作增益為代價(jià)的。

4.3 H-CRAN未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化工作

H-CRAN的標(biāo)準(zhǔn)化工作應(yīng)該在未來(lái)5G標(biāo)準(zhǔn)框架下，實(shí)現(xiàn)C-RAN和HetNet的平滑演進(jìn)。在3GPP的R12中已經(jīng)對(duì)高階調(diào)制、幾乎空白幀、小區(qū)自動(dòng)開(kāi)/關(guān)、SON、節(jié)能、非理想回程的CoMP等技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作。作為這些技術(shù)的增強(qiáng)演進(jìn)，有望在未來(lái)的R13和R14中對(duì)H-CRAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)組成、RRH智能開(kāi)/關(guān)策略、CC-CoMP、LS-CMA、CC-CRRM和CC-SON等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義。

5 結(jié)束語(yǔ)

異構(gòu)云無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（H-CRAN）通過(guò)結(jié)合云計(jì)算和HetNet技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高譜效率和高能效率的組網(wǎng)，可以視為未來(lái)5G無(wú)線接入網(wǎng)的一個(gè)重要可選方案。本文系統(tǒng)介紹了H-CRAN的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)指明了未來(lái)技術(shù)挑戰(zhàn)和相應(yīng)的可能解決方法。

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