非均勻密集無線組網(wǎng)

摘要：無線密集網(wǎng)絡作為未來移動通信系統(tǒng)的主要場景，能提供超高的、非均勻的數(shù)據(jù)量及海量的連接服務，并有提高無線鏈路的能效以及利用更高的頻譜等諸多優(yōu)勢，將成為未來移動通信系統(tǒng)的主要架構之一，研究無線密集組網(wǎng)架構及關鍵技術意義重大。無線密集網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構、網(wǎng)絡建模分析以及異構密集網(wǎng)絡之間的融合是非均勻密集無線網(wǎng)絡中的重要研究問題。

關鍵詞： 無框架網(wǎng)絡架構；異構融合；隨機幾何

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開始部署，全球范圍內(nèi)開始了5G研究的熱潮。5G通信系統(tǒng)的研究預計通過已有技術與新技術的融合解決現(xiàn)有網(wǎng)絡不能支撐的諸多挑戰(zhàn)，各類新技術的融合能在支持預計移動數(shù)據(jù)量的同時擴大移動通信所能支持的應用范圍[1]。國際電信聯(lián)盟（ITU）結合各類業(yè)務與應用對網(wǎng)絡性能的不同要求，將IMT-2020與已有的IMT-Advanced系統(tǒng)作對比，總結了5G系統(tǒng)的關鍵性能指標[2]，其中峰值速率預計可以達到10 Gbit/s且用戶體驗速率達到100 Mbit/s，網(wǎng)絡能效及頻譜效率分別達到現(xiàn)有系統(tǒng)的100倍和3倍。為了實現(xiàn)更高的用戶數(shù)據(jù)率、更優(yōu)的無線鏈路能效以及開發(fā)利用更高的頻率資源，非均勻超密集組網(wǎng)成為無線網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。雖然通過不斷增大網(wǎng)絡基站或熱點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，但是同樣也帶來了嚴重的干擾問題，復雜的資源分配等問題，而且隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，用戶體驗需求也更加苛刻，如安全需求更高等。因此如何在非均勻的超密集組網(wǎng)趨勢下，利用有限的無線通信資源，適應未來無線業(yè)務的空-時非均勻性和OTT等業(yè)務多樣化的需求，成為5G組網(wǎng)面臨的最大技術挑戰(zhàn)。

1 無框架網(wǎng)絡架構

無線組網(wǎng)技術的基礎是無線網(wǎng)絡架構，1G到4G移動通信系統(tǒng)的發(fā)展都是基于蜂窩小區(qū)架構的演進，這些無線組網(wǎng)方式雖然在一定程度上提高了移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡容量，但由于5G系統(tǒng)中采用非均勻高密度的異構混合組網(wǎng)方式，基于傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)架構的技術演進將難以真正解決限制5G系統(tǒng)網(wǎng)絡容量的關鍵技術問題，進而很難實現(xiàn)5G無線組網(wǎng)架構及組網(wǎng)方式的真正變革。為了突破蜂窩小區(qū)架構所帶來的一些的限制，并在未來5G系統(tǒng)擬部署的非均勻高密度異構混合無線網(wǎng)絡環(huán)境下實現(xiàn)干擾可控與資源可管的容量有效提升，相關研究機構提出了“無框架組網(wǎng)架構（FNA）”及其相應的無線組網(wǎng)策略[3-7]。

1.1 無框架網(wǎng)絡架構部署場景及特點

基于無框架網(wǎng)絡架構及組網(wǎng)方法，未來網(wǎng)絡中將不再存在具體的小區(qū)邊界，而是以用戶為中心，基站及其天線單元的覆蓋范圍可以根據(jù)用戶的業(yè)務需求及干擾分布等情況進行自適應調(diào)整。

無框架網(wǎng)絡架構中，傳統(tǒng)基站被分解為集中處理單元和天線單元。集中處理單元與天線單元之間通過光纖回程鏈路、無線回程鏈路、有線回程鏈路等多種方式連接。集中處理單元承擔著主要的網(wǎng)絡控制功能，負責無線信號的處理、維護無線接入網(wǎng)絡的控制平面及用戶平面；天線單元負責無線信號的發(fā)送和接收。網(wǎng)絡按用戶的業(yè)務服務質(zhì)量需求動態(tài)地選擇合適的天線單元來構建針對各個用戶的專屬服務天線單元集合。

通過這種功能分解，天線單元被釋放，成為一維新的無線資源，從而參與到多維無線資源的管理與控制過程之中。這種無框架網(wǎng)絡架構及其組網(wǎng)方法具有如圖1所示特點。

1.2 基于軟件定義網(wǎng)絡的無框架網(wǎng)絡

架構演進

基于軟件定義網(wǎng)絡（SDN）及OpenFlow協(xié)議的無框架網(wǎng)絡演進架構[3]， [7]包括由不同制式、不同類型天線單元組成的，支持各節(jié)點完全協(xié)作的虛擬化接入網(wǎng)結構，具體包括實現(xiàn)信號處理功能的集中處理單元、連接集中處理單元與天線單元的接口、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、實現(xiàn)虛擬化無線資源管理的資源池等基本組件[3]。

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

該演進架構不僅支持無框架網(wǎng)絡架構所支持的用戶平面與控制平面的分離及自適應調(diào)整策略、以用戶為中心的資源管理及移動性管理策略、自適應業(yè)務卸載策略以及集中式干擾管理策略，還融合了SDN與OpenFlow的技術優(yōu)勢，支持基于虛擬化的無線資源管理策略、業(yè)務分片策略等組網(wǎng)關鍵技術，實現(xiàn)了傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡架構中接入網(wǎng)的虛擬化，提出了將SDN技術及OpenFlow等協(xié)議應用到移動通信接入網(wǎng)架構中的解決方案。與此同時，這種無框架的網(wǎng)絡架構中基站、熱點以及移動終端的位置更加隨機，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)絡的建模，因而需尋找適合于密集網(wǎng)絡建模和分析的數(shù)學工具與模型。