5G超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

張建敏，謝偉良，楊峰義

（中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100031）

5G超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

張建敏，謝偉良，楊峰義

（中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100031）

超密集組網(wǎng)通過(guò)小基站加密部署提升空間復(fù)用的方式，成為解決未來(lái) 5G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量 1 000 倍以及用戶體驗(yàn)速率 10～100 倍提升的有效解決方案。 然而，小區(qū)密集部署帶來(lái)的干擾問(wèn)題以及小基站較小的覆蓋范圍導(dǎo)致的高速移動(dòng)用戶頻繁切換問(wèn)題，會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)容量和用戶體驗(yàn)。 因此，為了同時(shí)考慮未來(lái) 5G 超密集組網(wǎng)“覆蓋”和“容量”的問(wèn)題，提出了以控制承載分離以及簇化集中控制為主要技術(shù)特征的 5G 超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 除此之外，針對(duì)宏—微和微—微的超密集組網(wǎng)部署場(chǎng)景，給出了具體實(shí)現(xiàn)方案。 更進(jìn)一步地，針對(duì) 5G 超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中可能存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論，為后續(xù)研究發(fā)展提供參考。

5G；超密集組網(wǎng)；控制與承載分離；簇化集中控制

1 引言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及各種新型業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，促使移動(dòng)通信在過(guò)去的 10年間經(jīng)歷了爆炸式增長(zhǎng)。豐富多彩的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)在給人們生活帶來(lái)便利、改變生活方式的同時(shí)，對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。為了能夠更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的高速增長(zhǎng)、海量的設(shè)備連接以及各種各樣差異化新型業(yè)務(wù)應(yīng)用的涌現(xiàn)，全球范圍內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)展開對(duì)未來(lái) 5G 移動(dòng)通信技術(shù)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(xiàng) 目［2］、5G PPP （5G Public-Private Partnership）項(xiàng) 目 ，中 國(guó) 的 IMT-2020 （5G）推進(jìn) 組［3］，韓 國(guó) 的 5G 技 術(shù) 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(lái) 5G網(wǎng)絡(luò)的總體愿景以及性能要求已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，主要包括更高的數(shù)據(jù)流量和用戶體驗(yàn)速率、海量終端連接以及更低時(shí) 延 、更 高 可 靠 性 等［3-9］。

其中 ，為了解決未 來(lái) 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) 數(shù) 據(jù)流量增 大 1 000 倍以及用戶體驗(yàn)速率提升 10～100 倍的需求，除了增加頻譜帶寬和利用先進(jìn)的無(wú)線傳輸技術(shù)提高頻譜利用率外，提升無(wú)線系統(tǒng)容量最為有效的辦法依然是通過(guò)加密小區(qū)部署提 升 空 間 復(fù) 用 度［10，11］。傳 統(tǒng) 的 無(wú) 線 通 信 系 統(tǒng) 通 常 采 用 小 區(qū)分裂的方式減小小區(qū)半徑，然而隨著小區(qū)覆蓋范圍的進(jìn)一步縮小，小區(qū)分裂將很難進(jìn)行，需要在室內(nèi)外熱點(diǎn)區(qū)域密集部署低功率小基站，形成超密集組網(wǎng)。

可以看出，超密集組網(wǎng)是解決未來(lái) 5G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量爆炸式增長(zhǎng)的有效解決方案。據(jù)預(yù)測(cè)，在未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)宏基 站 覆 蓋 的 區(qū) 域 中 ， 各 種 無(wú) 線 接 入 技 術(shù) （radio access technology，RAT）的 小 功 率 基 站 的 部 署 密 度 將 達(dá) 到 現(xiàn) 有 站點(diǎn) 密 度 的 10 倍 以 上［10］，形 成 超 密 集 的 異 構(gòu) 網(wǎng) 絡(luò) ，如 圖 1 所 示 。

在超密集組網(wǎng)場(chǎng)景下，低功率基站較小的覆蓋范圍會(huì)導(dǎo)致具有較高移動(dòng)速度的終端用戶遭受頻繁切換，從而降低了用戶體驗(yàn)速率。 除此之外，雖然超密集組網(wǎng)通過(guò)降低基站與終端用戶間的路徑損耗提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，在增大有效接收信號(hào)的同時(shí)也提升了干擾信號(hào)，即超密集組網(wǎng)降低了熱噪聲對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量的影響，使其成為一個(gè)干擾受限系統(tǒng)。如何有效進(jìn)行干擾消除、干擾協(xié)調(diào)成為超密集組網(wǎng)提升網(wǎng)絡(luò)容量需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。考慮到現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)采用的分布式干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，其小區(qū)間交互控制信令負(fù)荷會(huì)隨著小區(qū)密度的增加以二次方趨勢(shì)增長(zhǎng)，極大地增加了網(wǎng)絡(luò)控制信令負(fù)荷。

可以看出，如何能夠同時(shí)考慮“覆蓋”和“容量”這兩個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題， 成為 5G 超密集組網(wǎng)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題，也因此成為本文的主要關(guān)注內(nèi)容。

在前期關(guān)于 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分析中提出了 5G 無(wú)線接入網(wǎng)控制面與數(shù)據(jù)面的分離以及簇化集中控制的思想［12，13］。其 中 ，接 入 網(wǎng) 控 制 面 與 數(shù) 據(jù) 面 的 分 離 通 過(guò) 分 別 采 用不同的小區(qū)進(jìn)行控制面和數(shù)據(jù)面操作，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于覆蓋和容量的單獨(dú)優(yōu)化設(shè)計(jì)。此時(shí)，未來(lái) 5G 接入網(wǎng)可以靈活地根據(jù)數(shù)據(jù)流量的需求在熱點(diǎn)區(qū)域擴(kuò)容數(shù)據(jù)面?zhèn)鬏斮Y源，例如小區(qū)加密、頻帶擴(kuò)容、增加不同 RAT 系統(tǒng)分流等，并不需要同時(shí)進(jìn)行控制面增強(qiáng)。簇化集中控制則通過(guò)小區(qū)分簇化集中控制方式，解決小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)，相同RAT 下不同小區(qū)間的資源聯(lián)合優(yōu)化配置、負(fù)載均衡等以及不同 RAT 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)分流、負(fù)載均衡等，從而提升系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)“三朵云”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，然而并未針對(duì)超密集組網(wǎng)的具體部署場(chǎng)景，給出 5G 超密集組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及控制與承載分離和簇化集中控制的具體實(shí)施方案。因此，針對(duì)超密集組網(wǎng)部署場(chǎng)景，如何實(shí)現(xiàn)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?jī)?nèi)容。

圖1 超密集異構(gòu)組網(wǎng)示意

綜上所述，本文針對(duì)超密集組網(wǎng)，提出了以控制承載分離以及簇化集中控制為主要技術(shù)特征的 5G 超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。除此之外，本文針對(duì)宏—微和微—微的超密集組網(wǎng)部署場(chǎng)景，給出了具體實(shí)現(xiàn)方案。更進(jìn)一步地針對(duì) 5G超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中可能存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論，為后續(xù)研究發(fā)展提供了參考。

2 5G超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基 于 前 期 “三 朵 云 ”的 5G 蜂 窩 網(wǎng) 絡(luò) 架 構(gòu)［12］， 本 文 針 對(duì)超密集組網(wǎng)主要應(yīng)用的熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景提出了 5G 超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖 2所示。

可以看出，為了解決特定區(qū)域內(nèi)持續(xù)發(fā)生高流量業(yè)務(wù)的熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景（辦公室、大型場(chǎng)館和家庭等）帶來(lái)的挑戰(zhàn)，即如何在網(wǎng)絡(luò)資源有限的情況下提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和傳輸效率，保證良好的用戶體驗(yàn)速率，5G 超密集組網(wǎng)需要如下方面的進(jìn)一步增強(qiáng)。

首先，接入網(wǎng)采用微基站進(jìn)行熱點(diǎn)容量補(bǔ)充，同時(shí)結(jié)合大規(guī)模天線、高頻通信等無(wú)線技術(shù)，提高無(wú)線側(cè)的吞吐量。其中，在宏—微覆蓋場(chǎng)景下，通過(guò)覆蓋與容量的分離（微基站負(fù)責(zé)容量，宏基站負(fù)責(zé)覆蓋及微基站間資源協(xié)同管理），實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求以及分布特性靈活部署微基站。同時(shí)，由宏基站充當(dāng)?shù)奈⒒鹃g的接入集中控制模塊，負(fù)責(zé)無(wú)線資源協(xié)調(diào)、小范圍移動(dòng)性管理等功能；除此之外，對(duì)于微—微超密集覆蓋的場(chǎng)景，微基站間的干擾協(xié)調(diào)、資源協(xié)同、緩存等需要進(jìn)行分簇化集中控制。此時(shí)，接入集中控制模塊可以由所分簇中某一個(gè)微基站負(fù)責(zé)或者單獨(dú)部署在數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)提供無(wú)線資源協(xié)調(diào)、小范圍移動(dòng)性管理等功能。

其次，為了盡快對(duì)大流量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和響應(yīng)，需要將用戶面網(wǎng)關(guān)、業(yè)務(wù)使能模塊、內(nèi)容緩存／邊緣計(jì)算等轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)功能盡量下沉到靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣。例如在接入網(wǎng)基站旁設(shè)置本地用戶面網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)本地分流。同時(shí)，通過(guò)在基站上設(shè)置內(nèi)容緩存／邊緣計(jì)算能力，利用智能的算法將用戶所需內(nèi)容快速分發(fā)給用戶，同時(shí)減少基站向后的流量和傳輸壓力。更進(jìn)一步地將諸如視頻編解碼、頭壓縮等業(yè)務(wù)使能模塊下沉部署到接入網(wǎng)側(cè)，以便盡早對(duì)流量進(jìn)行處理，減少傳輸壓力。

圖2 5G 超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

綜上所述，5G 超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一方面通過(guò)控制承載分離，即覆蓋與容量的分離，實(shí)現(xiàn)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于覆蓋和容量的單獨(dú)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活擴(kuò)展控制面和數(shù)據(jù)面資源；另一方面通過(guò)將基站部分無(wú)線控制功能進(jìn)行抽離進(jìn)行分簇化集中式控制，實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、無(wú)線資源協(xié)同、移動(dòng)性管理等，提升了網(wǎng)絡(luò)容量，為用戶提供極致的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。除此之外，網(wǎng)關(guān)功能下沉、本地緩存、移動(dòng)邊緣計(jì)算等增強(qiáng)技術(shù)，同樣對(duì)實(shí)現(xiàn)本地分流、內(nèi)容快速分發(fā)、減少基站骨干傳輸壓力等有很大幫助。

下面將重點(diǎn)針對(duì) 5G 超密集組網(wǎng)具體部署場(chǎng)景如何實(shí)現(xiàn)控制承載分離以及簇化集中控制方案進(jìn)行闡述，主要包括宏—微和微—微部署場(chǎng)景，如圖 3所示。

3 宏—微部署場(chǎng)景

如上文所述，針對(duì)宏—微部署場(chǎng)景，5G 超密集組網(wǎng)通過(guò)微基站負(fù)責(zé)容量、宏基站負(fù)責(zé)覆蓋以及微基站間資源協(xié)同管理的方式，實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求以及分布特性靈活部署微基站。同時(shí)，由宏基站充當(dāng)?shù)奈⒒鹃g的接入集中控制模塊，對(duì)微基站間干擾協(xié)調(diào)、資源協(xié)同管理起到了一定幫助。為了實(shí)現(xiàn)宏—微場(chǎng)景下控制承載分離以及簇化集中控制的目標(biāo)，5G 超密集組網(wǎng)可以采用基于雙連接的技術(shù)方案，如圖 4 和圖 5 所示，具體介紹如下。

圖3 5G 超密集組網(wǎng)部署場(chǎng)景示意（宏—微場(chǎng)景、微—微場(chǎng)景）

圖4 宏—微覆蓋場(chǎng)景控制與承載分離方案一

圖5 宏—微覆蓋場(chǎng)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(wú) 線 資 源 控 制 ）連 接 始 終 由 宏 基 站 負(fù) 責(zé) 維 護(hù) ，如 圖 4中控制面協(xié)議架構(gòu)所示。終端用戶面承載與控制面分離，其中，對(duì)中斷時(shí)間敏感、帶寬需求較小的業(yè)務(wù)承載（諸如語(yǔ)音業(yè)務(wù)等）由宏基站進(jìn)行承載，而對(duì)中斷時(shí)延不敏感、帶寬需求大的業(yè)務(wù)承載（諸如視頻傳輸?shù)龋﹦t由微基站負(fù)責(zé)。除此之外，從圖 4 中用戶面協(xié)議架構(gòu)中可以看出，對(duì)于微基站 負(fù) 責(zé) 傳 輸 的 數(shù) 據(jù) 會(huì) 由 SGW （serving gateway，服 務(wù) 網(wǎng) 關(guān) ）直接分流到微基站，而維持在宏基站的數(shù)據(jù)承載，其數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)維護(hù)，如圖 5 中控制面協(xié)議架構(gòu)所示。終端的用戶面承載與控制面分離，對(duì)于低速率、移動(dòng)性要求較高（諸如語(yǔ)音業(yè)務(wù)等）的業(yè)務(wù)承載和高帶寬需求（諸如視頻傳輸?shù)龋┑臉I(yè)務(wù)承載分別由宏基站和微基站負(fù)責(zé)傳輸，其中微基站主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)容量的提升。然而對(duì)于用戶面協(xié)議架構(gòu)，與方案一不同的是對(duì)于微基站負(fù)責(zé)的數(shù) 據(jù) 承 載 僅 將 無(wú) 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(xié) 議 （packet data convergence protocol，PDCP）層則依然維持在宏基站。換句話說(shuō)，也就是分流到微基站的數(shù)據(jù)承載首先由 SGW 到宏基站，然后再由宏基站經(jīng)過(guò) PDCP 層后分流到微基站。

可以看出，對(duì)于用戶面協(xié)議架構(gòu)，方案一采用的宏基站和微基站都和核心網(wǎng)直接連接，這樣做雖然可以使數(shù)據(jù)不用經(jīng)過(guò) Xn 接口進(jìn)行傳輸，降低了用戶面的時(shí)延，但是宏基站和微基站同時(shí)與核心網(wǎng)直接連接將帶來(lái)核心網(wǎng)信令負(fù)荷的增加。方案二則只有宏基站與核心網(wǎng)進(jìn)行連接，宏基站和微基站通過(guò) Xn接口傳輸終端的數(shù)據(jù)，這種方案通過(guò)在接入網(wǎng)宏基站處進(jìn)行了數(shù)據(jù)分流和聚合，微基站對(duì)于核心網(wǎng)是不可見的，從而可以減少核心網(wǎng)的信令負(fù)擔(dān)。但是，由于所有微基站的數(shù)據(jù)都需要通過(guò)宏基站傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)，此時(shí)對(duì)宏基站回程鏈路容量帶來(lái)很高的要求，尤其是微基站的超密集部署的場(chǎng)景。 因此，基于雙連接的 5G 超密集組網(wǎng)宏—微覆蓋場(chǎng)景控制與承載分離方案可以基于不同的用戶與場(chǎng)景靈活選擇。例如，對(duì)于理想回程鏈路的場(chǎng)景，可以采用宏基站分流的方案二，此時(shí)微基站不需要完整的協(xié)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(yīng)用帶來(lái)可能，使得網(wǎng)絡(luò)部署更加靈活，具備按需部署的能力。然而對(duì)于回程鏈路較差的場(chǎng)景，可以采用宏基站和微基站同時(shí)與核心網(wǎng)連接的方案一，此時(shí)可以降低用戶面時(shí)延，增大用戶吞吐量。

綜上所述，通過(guò)基于雙連接的技術(shù)方案一和方案二，5G 超密集組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)控制與承載分離。其中，終端的控制面承載（RRC）由宏基站負(fù)責(zé)傳輸，微基站會(huì)將一些配置信息打包通過(guò) Xn接口傳送給宏基站，由宏基站生成最終的 RRC 信令發(fā)送給終端。因此，終端只會(huì)看到來(lái)自宏基站的 RRC 實(shí)體，并對(duì)此 RRC 實(shí)體進(jìn)行反饋回復(fù)。同時(shí)，終端的用戶面承載除了個(gè)別低速率、移動(dòng)性要求較高的業(yè)務(wù)（語(yǔ)音等）由宏基站負(fù)責(zé)傳輸外，其余高帶寬需求的業(yè)務(wù)承載主要由微基站負(fù)責(zé)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了 5G 超密集組網(wǎng)宏—微場(chǎng)景下控制與承載的分離。通過(guò)控制與承載的分離，使得對(duì)于未來(lái) 5G 超密集組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)覆蓋和容量的單獨(dú)優(yōu)化設(shè)計(jì)，靈活地根據(jù)數(shù)據(jù)流量的需求在熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)按需的資源部署擴(kuò)容數(shù)據(jù)面?zhèn)鬏斮Y源（小區(qū)加密、頻帶擴(kuò)容、增加不同 RAT 系統(tǒng)分流等），并不需要同時(shí)進(jìn)行控制面增強(qiáng)。

更進(jìn)一步，5G 超密集組網(wǎng)宏—微場(chǎng)景下的控制承載分離還具備如下優(yōu)勢(shì)。

（1）移動(dòng)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(shí)微基站僅提供用戶面連接，此時(shí)終端在微基站的切換就簡(jiǎn)化為微基站的添加、修改、釋放等，避免了頻繁切換帶來(lái)的核心網(wǎng)信令增加。同時(shí)宏基站 RRC 連接的持續(xù)保持以及部分低速率業(yè)務(wù)的傳輸能力，也可以提升終端在頻繁切換過(guò)程中的用戶體驗(yàn)。

（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(xié)調(diào)管理、微基站間的負(fù)載均衡、微基站的動(dòng)態(tài)打開／關(guān)閉等方面通過(guò)接入集中控制模塊的資源優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化控制，從而提升網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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(duì)該技術(shù)方案的直接應(yīng)用帶來(lái)了一定制約。除此之外，在缺少宏基站覆蓋的 5G 超密集網(wǎng)絡(luò)，上述兩個(gè)方案則無(wú)法發(fā)揮作用。

4 微—微部署場(chǎng)景

如上文所述，在宏—微場(chǎng)景下，基于雙連接的控制和承載分離方案可以有效實(shí)現(xiàn) 5G 超密集組網(wǎng)覆蓋和容量的分離，實(shí)現(xiàn)覆蓋和容量的單獨(dú)優(yōu)化設(shè)計(jì)，靈活地根據(jù)數(shù)據(jù)流量的需求在熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)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(wú)法解決5G 超密集組網(wǎng)微—微覆蓋場(chǎng)景，即無(wú)宏基站覆蓋的場(chǎng)景。因此，本節(jié)針對(duì) 5G 超密集組網(wǎng)微—微覆蓋場(chǎng)景，基于宏—微場(chǎng)景下“宏覆蓋”思想，提出了虛擬宏小區(qū)以及微小區(qū)動(dòng)態(tài)分簇的兩種方案。

4.1 虛擬宏小區(qū)方案

為了能夠在 5G 超密集組網(wǎng)微—微覆蓋場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)類似于宏—微場(chǎng)景下宏基站的作用，即宏基站負(fù)責(zé)控制面承載（RRC）的傳輸，此時(shí)需要利用微基站組成的密集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建一個(gè)虛擬宏小區(qū)。此時(shí)，由虛擬宏小區(qū)承載控制面信令（RRC）的傳輸，負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理以及部分資源協(xié)調(diào)管理，而微基站則主要負(fù)責(zé)用戶面數(shù)據(jù)的傳輸，從而達(dá)到與宏—微覆蓋場(chǎng)景下控制面與數(shù)據(jù)面分離相同的效果，如圖 6所示。

不難想象，虛擬宏小區(qū)的構(gòu)建，需要簇內(nèi)多個(gè)微基站共享部分資源（包括信號(hào)、信道、載波等），此時(shí)同一簇內(nèi)的微基站通過(guò)在此相同的資源上進(jìn)行控制面承載的傳輸，以達(dá)到虛擬宏小區(qū)的目的。同時(shí)，各個(gè)微基站在其剩余資源上單獨(dú)進(jìn)行用戶面數(shù)據(jù)的傳輸?？梢钥闯?，通過(guò)上述方式可以實(shí)現(xiàn) 5G超密集組網(wǎng)場(chǎng)景下控制面與數(shù)據(jù)面的分離。

簡(jiǎn)單起見，以微基站配置兩載波為例，在載波 1 上，簇內(nèi)不同的微基站采用相同的虛擬宏小區(qū) ID，組成虛擬宏小區(qū)，而在載波 2 上，簇內(nèi)各個(gè)微基站則配置為不同的小區(qū) ID。此時(shí)，對(duì)于空閑態(tài)終端只需要駐留在載波 1 上，接收來(lái)自載波 1上的控制面信令。對(duì)于連接態(tài)終端，此時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，通過(guò)載波聚合技術(shù)，即載波 1 為主載波，載波2為輔載波。

除此之外，對(duì)于僅配置單載波的微基站配置場(chǎng)景，可以通過(guò)為每個(gè)微基站簇配置不同的虛擬宏小區(qū) ID，此時(shí)簇內(nèi)不同微基站使用同一虛擬宏小區(qū) ID 為其發(fā)送的廣播信息、尋呼信息，隨機(jī)接入響應(yīng)，公共控制信令進(jìn)行加擾。終端通過(guò)虛擬宏小區(qū) ID 解擾接收來(lái)自虛擬宏小區(qū)的控制承載，而通過(guò)微基站小區(qū) ID 的識(shí)別與解擾進(jìn)行用戶面數(shù)據(jù)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了控制與承載的分離，即覆蓋和容量的分離。

4.2 微小區(qū)動(dòng)態(tài)分簇方案

上述虛擬宏小區(qū)方案通過(guò)構(gòu)建虛擬宏小區(qū)的方法可以有效實(shí)現(xiàn) 5G 超密集組網(wǎng)微—微覆蓋場(chǎng)景下的控制與承載分離，即通過(guò)微基站資源的劃分，在公共資源上構(gòu)建了虛擬的宏小區(qū)。換句話說(shuō)，對(duì)于終端來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于同時(shí)看到了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)（虛擬宏小區(qū)和微小區(qū)），實(shí)現(xiàn)了覆蓋和容量的分離。除此之外，考慮到網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)區(qū)域會(huì)隨著時(shí)間和空間的變化而變化，例如，舉辦賽事的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)以容量需求為主，而未舉辦賽事時(shí)則容量需求降低，轉(zhuǎn)化為以覆蓋要求為主 。正 是 基 于 上 述 考 慮 ，本 文 借 鑒 動(dòng) 態(tài) DAS（distributed antenna system，分 布 式 天 線 系 統(tǒng) ）的 思 想 ，針 對(duì) 5G 超 密 集組網(wǎng)的微—微覆蓋場(chǎng)景提出了覆蓋和容量動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化的方案，即微小區(qū)動(dòng)態(tài)分簇的方案，如圖 7 所示。

圖6 微—微覆蓋場(chǎng)景虛擬宏小區(qū)方案

可以看出，該上述方案的主要思想是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，將微基站進(jìn)行分簇化管理，其中同一簇內(nèi)的微基站發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，從而組成虛擬宏基站，如圖 7（a）所示。此時(shí)，終端用戶在同一簇內(nèi)微基站間移動(dòng)時(shí)不需要切換，降低高速移動(dòng)終端在微基站間的切換次數(shù)，提升用戶體驗(yàn)。除此之外，由于同一簇內(nèi)多個(gè)微基站發(fā)送相同的數(shù)據(jù)信息，終端用戶可獲得接收分集增益，提升了接收信號(hào)質(zhì)量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，則每個(gè)微基站分別為獨(dú)立的小區(qū)，發(fā)送各自的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)分裂，從而提升了網(wǎng)絡(luò)容量，如圖 7（b）所示。

綜上所述，微小區(qū)動(dòng)態(tài)分簇的方案通過(guò)簇化集中控制模塊，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)信息以及網(wǎng)絡(luò)即時(shí)負(fù)荷信息等，對(duì)微基站進(jìn)行動(dòng)態(tài)分簇，實(shí)現(xiàn)微—微覆蓋場(chǎng)景下覆蓋和容量的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)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(dòng)性能外，通過(guò)在簇頭或者數(shù)據(jù)中心部署的接入集中控制模塊同樣可以通過(guò)資源的優(yōu)化配置算法在終端的微基站選擇、微基站間干擾的協(xié)調(diào)管理、微基站間的負(fù)載均衡、微基站的動(dòng)態(tài)打開／關(guān)閉等方面進(jìn)行優(yōu)化，從而提升網(wǎng)絡(luò)整體性能。

圖7 微—微覆蓋場(chǎng)景動(dòng)態(tài)分簇方案

5 面臨的挑戰(zhàn)

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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活擴(kuò)展控制面和數(shù)據(jù)面資源，實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、無(wú)線資源協(xié)同、移動(dòng)性管理等優(yōu)化控制的功能，從而提升網(wǎng)絡(luò)容量，為用戶提供極致的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。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(qū)以及微小區(qū)動(dòng)態(tài)分簇的方案，可以分別針對(duì)5G 超密集組網(wǎng)的宏—微以及微—微覆蓋場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)控制與承載的分離，實(shí)現(xiàn)了控制面的宏覆蓋以及用戶面的靈活按需部署，提升了網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性能和靈活性，適應(yīng)了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求。然而，上述方案真正應(yīng)用到 5G 超密集組網(wǎng)還存在一些問(wèn)題與挑戰(zhàn)，主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）無(wú)線接入集中控制模塊的優(yōu)化算法

如上文所述，通過(guò)部署在宏基站或者微基站簇頭的接入網(wǎng)集中控制模塊在終端的微基站選擇、微基站間干擾的協(xié)調(diào)管理、微基站間的負(fù)載均衡、微基站的動(dòng)態(tài)打開／關(guān)閉等方面能夠起到集中優(yōu)化控制的作用。然而，如何設(shè)計(jì)合理有效的資源優(yōu)化算法，成為能夠提升網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)、降低網(wǎng)絡(luò)能耗的關(guān)鍵點(diǎn)，需要下一步重點(diǎn)進(jìn)行研究，評(píng)估其算法性能。

（2）微—微場(chǎng)景微基站分簇的準(zhǔn)則

對(duì)于宏—微覆蓋場(chǎng)景，微基站以在同一個(gè)宏基站的覆蓋下為基準(zhǔn)進(jìn)行分簇化集中控制。然而對(duì)于微—微覆蓋場(chǎng)景，前述方案暫時(shí)以微基站連續(xù)覆蓋為一般宏基站覆蓋面積為基準(zhǔn)進(jìn)行分簇化管理的，是否存在更有效的分簇準(zhǔn)則還需要進(jìn)一步研究。

（3）宏—微場(chǎng)景同頻覆蓋的問(wèn)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(wǎng)的問(wèn)題，此時(shí)宏基站和微基站之間不存在干擾，此時(shí)的干擾主要是微基站間干擾，宏基站可為終端提供可靠穩(wěn)定的 RRC 連接。然而當(dāng)宏基站與微基站采用同頻部署時(shí)，此時(shí)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(wěn)定可靠的 RRC 連接，可能導(dǎo)致終端在宏基站與其覆蓋下的微基站間進(jìn)行切換，降低了移動(dòng)性能和用戶體驗(yàn)。因此，針對(duì)宏—微同頻部署場(chǎng)景，如何解決上述問(wèn)題成為該方案能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文為了解決超密集組網(wǎng)中小區(qū)密集部署帶來(lái)的干擾問(wèn)題以及小基站較小的覆蓋范圍導(dǎo)致的高速移動(dòng)用戶頻繁切換問(wèn)題，提出了以控制承載分離以及簇化集中控制為主要技術(shù)特征的 5G 超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。并針對(duì)宏—微和微—微的超密集組網(wǎng)部署場(chǎng)景，給出了具體實(shí)現(xiàn)方案。更進(jìn)一步地針對(duì) 5G 超密集組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中可能存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論，為后續(xù)研究發(fā)展提供了參考。

［1］ 5GNOW.5th generation：non-orthogonal waveform of asynchonous signaling［R／OL］.［2015-09-18］.http：／／www.5gnow.eu.

［2］ METIS.Mobile and wireless communications enablers for the twenty-twenty information society.EU7th framework program project［R／OL］. ［2015-09-18］.http：／／www.metis2020.com.

［3］ IMT-2020 （5G）推 進(jìn) 組 .5G 愿 景 與 需 求 白 皮 書 ［R／OL］.（2014-05-29） ［2015-09-18］. http：／／www.imt-2020.cn／zh／documents／listByQuery？current Page=1&content. IMT-2020 （5G）PG.White paper on 5G vision and requirements［R／OL］. （2014-05-29）［2015-09-18］.http：／／www.imt-2020.cn／zh／documents／listByQuery？current Page=1&content.

［4］ ITU-R M.IMT vision-framework and overall objectives of the future development ofIMT for 2020 and beyond ［R］. ［S.1.］：ITU Working Document 5D／TEMP／224-E，2013.

［5］ ICT-317669 METIS Project.Scenarios，requirements and KPIs for 5G mobile and wireless system［R］. ［S.1. ：s.n.］，2013.

［6］ Nokia Siemens Networks.2020：Beyond 4G radio evolution for the gigabit experience［R］. ［S.1.］：White Paper，2011.

［7］ Ericsson.More than 50 Billion Connected Devices ［R］. ［S.1.］：White Paper，2011.

［8］ FETTWEIS G，ALAMOUTI S.5G：personal mobile internet beyond what cellular did to telephony ［J］. IEEE Communalization Magazine，2014，52（2）：140-145.

［9］ OSSEIRAN A，BOCCARDI F，BRAUN V，et al.Scenario for 5G mobile and wireless communication：the vision of the METIS project［J］.IEEE CommunalizationMagazine，2014，52（5）：26-35.

［10］尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G 移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技 術(shù)［J］. 中國(guó)科學(xué)：信息科 學(xué) ，2014，44（5）：551-563. YOU X H，PAN Z W，GAO X Q，et al.The 5G mobile communication：the development trends and its emerging key techniques［J］.Science China Press，2014，44（5）：551-563.

［11］AAYAPONG P， IWAMURA M ， STAEHLE D， etal. Design considerations for a 5G network architecture ［J］.IEEE Communalization Magazine，2014，52（11）：65-75.

［12］楊峰 義，張 建敏，謝偉 良，等.5G 蜂窩 網(wǎng)絡(luò) 架 構(gòu)分 析［J］. 電 信科學(xué)，2015，31（5）：46-56. YANG F Y，ZHANG J M，XIE W N，et al.Analysis of 5G cellular network architecture ［J］.Telecommunications Science，2015，31（5）：46-56.

［13］YANG F Y，WANG H，MEI C，et al.A flexible three clouds 5G mobile network architecture based on NFV&SDN ［J］. CHINA Communication，2015（12）：121-131.

［14］ISHII H，KISHIYAMA Y，TAKAHASHI H.A novel architecture for LTE-B：C-plane／U-plane split and phantom cell concept［C］／／2012 IEEE Globecom Workshop， December 3-7， 2012，Anaheim，CA，USA.New Jersey：IEEE Press，2012：624-630.

［15］LI Q C，NIU H N，PAPATHANASSIOU A T，et al.5G network capacity：key elements and technologies ［J］.IEEE Vehicular Technology Magazine，2014，9（1）：71-78.

［16］3GPP.Study on small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN：high layer aspects：TS36.842［S］.［S.1. ：s.n.］，2013.

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(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)。

謝偉良（1976-），男，博士，中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試。

楊峰義（1965-），男，中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心副主任、教授級(jí)高級(jí)工程師，“新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)總體專家組專家，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃 ）5G 專家組專家，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)無(wú)線技術(shù)委員會(huì)副主席，中國(guó)通信學(xué)會(huì)無(wú)線及移動(dòng)通信委員會(huì)委員，長(zhǎng)期工作在移動(dòng)通信領(lǐng)域，數(shù)次獲得國(guó)家級(jí)和省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文數(shù)十篇，學(xué)術(shù)專著 6 部，譯著 1 部。

2015-12-18；

：2016-02-04

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（No.2015AA01A705）