5G網(wǎng)絡(luò)實施中的管理技術(shù)和方法研究

董春利 王莉

摘要：5G網(wǎng)絡(luò)具有3個獨特的特點：無處不在的連通性，非常低的延遲和非常高速的數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)實施的管理技術(shù)，主要有干擾管理、切換管理、QoS管理、負(fù)載均衡、信道接入控制管理、安全和隱私管理。文章詳細(xì)闡述干擾管理，QoS管理和信道接入控制管理。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)：干擾管理；QoS管理；信道接入控制管理

多種2層體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)為SG網(wǎng)絡(luò)提出，其中，MBS位于頂層，SBS位于底層，在MBS監(jiān)管下工作。宏蜂窩覆蓋了所有不同類型的小蜂窩，例如毫微微蜂窩、微微蜂窩、微蜂窩。2層共享相同的頻帶。小蜂窩增強了宏蜂窩的覆蓋和服務(wù)[1]。現(xiàn)有的SG網(wǎng)絡(luò)實施的管理技術(shù)，主要有干擾管理、切換管理、QoS管理、負(fù)載均衡、信道接入控制管理、安全和隱私管理。

本文詳細(xì)闡述干擾管理、QoS管理和信道接入控制管理。

1 5G網(wǎng)絡(luò)中的干擾管理

本節(jié)將討論一些SG網(wǎng)絡(luò)中干擾管理的技術(shù)和方法。Nam等[2]通過使用被稱為高級接收機的新型接收機設(shè)備來處理用戶端干擾，該接收機設(shè)備檢測，解碼并且去除對接收信號的干擾。另外，由聯(lián)合調(diào)度來管理網(wǎng)絡(luò)端的干擾，根據(jù)所需要的資源（如時間、頻率、傳輸速率、多個小區(qū)的方案）為每個用戶選擇相應(yīng)的基站（Base Station，BS）。因此，用集中式或分布式方式實現(xiàn)的聯(lián)合調(diào)度需要相鄰小區(qū)的定位機制。

Hoss ain等[3]提出分布式小區(qū)接入和功率控制（CellAccess and Power Control，CAPC）方案來處理多層架構(gòu)中的干擾。CAPC包括：（1）優(yōu)先功率控制（Priority PowerControl，PPC），其假設(shè)在SBS下工作的用戶具有比在MBS下工作的用戶低的優(yōu)先級，并且因此低優(yōu)先級用戶設(shè)置其功率，使所產(chǎn)生的干擾不能超過預(yù)定的閾值。（2）小區(qū)關(guān)聯(lián)（Cell Association，CA），其注重資源的動態(tài)值，業(yè)務(wù)量，到MBS的距離，以及MBS上的可用信道，用于選擇具有最優(yōu)參數(shù)值的MBS。（3）資源感知CA和PPC（ RCA-PPC），其是前兩種方法的組合，基于PPC和CA的準(zhǔn)則，允許用戶同時與多個BS連接，用于上行鏈路（Uplink，UL）和下行鏈路（ Downlink，DL）。

Hong等[4]在小蜂窩網(wǎng)絡(luò)中提出了白干擾消除（Self-Interference Cancel，SIC）。由于我們已經(jīng)知道SBS需要將回程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到MBS的方法，所以SIC的使用可以消除對這種方法的需要，并導(dǎo)致自回程小蜂窩（Since the Small Cell，SSC）。 SSC使用SIC來提供服務(wù)和回程數(shù)據(jù)傳輸，更重要的是，它們可以獲得和通過小型光纖連接到小蜂窩同樣的性能。它的工作原理是：在DL信道中，SBS可以從MBS接收并同時傳送給用戶。在UL信道中，SBS可以從用戶接收并同時發(fā)送到MBS。因此，小蜂窩可以完全去除分離回程數(shù)據(jù)傳輸方法的需要，從而降低成本。

2 5G網(wǎng)絡(luò)中的QoS管理

本節(jié)將討論一些SG網(wǎng)絡(luò)中QoS管理的技術(shù)和方法。Zhang等[5]為各種類型的服務(wù)、應(yīng)用和具有不同需求的用戶提供了不同的延遲有界QoS的機制，稱為異構(gòu)統(tǒng)計延遲有界QoS供應(yīng)（Heterogeneous Statistics Provi Sioning，HSP）.HSP最大化了不同類型SG體系結(jié)構(gòu)的總體有效容量。HSP算法比其他方法提供了更好的性能，但是在時延有界QoS要求的覆蓋下，它為不同鏈路的不同資源分配提出了新的挑戰(zhàn)。

Zhou等[6]提出了在監(jiān)測客戶端和層間（C-RAN中的控制層和數(shù)據(jù)層）QoS的情況下，部署質(zhì)量管理服務(wù)（QualityManagement Service，QME）。 RRU向QME發(fā)送無線信息（例如，CSI，參考信號接收質(zhì)量和資源塊利用率）。因此，QME執(zhí)行服務(wù)控制算法，然后發(fā)送調(diào)度策略給RRU，以達(dá)到所需的QoS水平。

Kim等[7]門為多跳D2D通信提供了一種路由算法，為每條鏈路計算不同的QoS，以達(dá)到比最大一最小路由算法更好的性能。該算法增加流量，直到它提供所需的QoS或達(dá)到鏈路的最大容量。由于該算法考慮單獨的鏈路，按照所希望的QoS，某些信道將與多個鏈路相關(guān)聯(lián)。

Zhou等[8]為DL信道提供了一種QoS感知和能量有效的資源分配算法，其中用戶在第一情況下被分配相同的功率，在第二情況下被分配非相同的功率。該算法在減少發(fā)射功率的同時，最大化能量有效性。

3 5G網(wǎng)絡(luò)中的信道接入控制管理

信道接入?yún)f(xié)議允許各個用戶，在利用最大信道容量的情況下，沒有任何碰撞地共享傳輸信道。

SG網(wǎng)絡(luò)中的信道接入控制管理，面臨著與當(dāng)前蜂窩網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的，固有的挑戰(zhàn)，例如同步，公平性，自適應(yīng)速率控制，資源保留，實時性支持，可擴展性，吞吐量和延遲。另外，提供當(dāng)前可用的5G網(wǎng)絡(luò)中的最佳信道是為了用戶更高的移動性，更高的頻率》3 GHz），不同的接入，密集的網(wǎng)絡(luò)，高QoS，高鏈路可靠性以及應(yīng)用和服務(wù)的零延遲。

Son等[9]為基于毫米波小蜂窩，提出了基于幀的介質(zhì)訪問控制（Frame-based Medium Access Control， FD-MAC）協(xié)議。FD-MAC由兩個階段組成：（1）調(diào)度階段，當(dāng)SBS從支持的用戶收集流量需求，并為數(shù)據(jù)傳輸計算調(diào)度。（2）傳輸階段，當(dāng)用戶跟隨調(diào)度同時傳輸時，使用圖形邊緣著色算法計算的調(diào)度包括一系列拓?fù)?，和用于指示每個拓?fù)鋺?yīng)該維持多長時間的一系列時間間隔。

Liu等[10]為小蜂窩和宏蜂窩的用戶提供了MAC協(xié)議。針對SBS的用戶，提出了兩種類型的MAC協(xié)議：基于競爭的隨機信道接入（Contention Random Channel Access.CRCA），其中用戶隨機接入信道并在信道可用時發(fā)送消息，以及基于預(yù)留的信道接入（ RCA），使用時分多址。對于宏蜂窩的用戶，它們?yōu)榛贑RN的SG網(wǎng)絡(luò)提供了MAC協(xié)議，其中認(rèn)知用戶（Secondary User，SUs）感知授權(quán)信道，直到其空閑或SUS的剩余能量超過預(yù)定閾值（以節(jié)省其電池）。此外，它們評估了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和感知開銷之間的折衷。

Elsawy等[11]為認(rèn)知SBSs提出了兩種基于CRN的信道接入技術(shù)。第一種信道接入方案被稱為基于競爭解決方案的信道接入（Contention Channel Access，CCA），其類似于CRCA，是基于載波監(jiān)聽多路接入。另一種信道接入方案被稱為非協(xié)調(diào)侵入式信道接入（UCA），其工作與RCA-樣，侵入式使用小蜂窩中的信道，來提高機會頻譜接入性能。

4 結(jié)語

全雙工無線電網(wǎng)絡(luò)中的干擾消除對于多小區(qū)來說仍是一個懸而未決的問題。在全雙工無線電網(wǎng)絡(luò)中用于BS間DL到UL干擾和用戶間UL到DL干擾消除的算法的設(shè)計將被探索。

5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠滿足最高的QoS水平。目前提出的架構(gòu)體系不支持有效的觸覺互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。將來對感官進(jìn)行編碼，交換滿足零延遲的數(shù)據(jù)，并使用戶能夠接收感覺將是一個有前景的領(lǐng)域。

5G網(wǎng)絡(luò)中目前的信道接入?yún)f(xié)議不考慮QoS和延遲挑戰(zhàn)，因此，將來設(shè)計的算法仍然是用于發(fā)現(xiàn)具有期望的QoS和零延遲的多個可靠鏈路。

參考文獻(xiàn)

[1]WANG C， HAIDER F， GAO X， et al.Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J].IEEECommunications Magazine， 2014（2） ： 122-130.

[2]NAM W， BAI D， LEE J， et al.Advanced interference management for 5G cellular networks[J].IEEE Communications Magazine， 2014 （5）：52-60.

[3]HOSSAIN E， RASTI M， TABASSUM H， et al.Evolution toward 5G multi-tier cellular wireless networks： an interference managementperspective[J].IEEE Wireless Communications， 2014 （ 3） ： 118-127.

[4]HONG S S， BRAND J， CHOI J I， et al.Applications of self-interference cancellation in 5G and beyond[J].IEEE Communications Magazine，2014（2）：114-121.

[5]ZHANG X， CHENG W， ZHANG H.Heterogeneous statistical QoS provisioning over 5G mobile wireless nenvorks[J].IEEE Network， 2014 （6）：46-53.

[6]ZHOU X， ZHAO Z， LI R， et al.Toward 5G： when explosive bursts meet soft cloud[J].IEEE Network， 2014 （6）：12-17.

[7]KIM J， MOLISCH A F.Quality-aware millimeter-wave device-to-device multi-hop routing for 5G cellular networks[C].Sydney： In IEEEInternational Conference on Communications， 2014： 5251-5256.

[8]ZHOU Y， LID， WANG H， et al.QoS-aware energy-efficient optimization for massive MIMO systems in 5G[C].Sydney： In Sixth InternationalConference on Wireless Communications and Signal Processing， 2014： 1-5.

[9]SONIK， MAO S， LI Y， et al.Frame-based medium access control for 5G wireless networks[J].Mobile Networks and Applications， 2015（6）：1-10.

[10]LIU Y， ZHANG Y， YU R， et al.lntegrated energy and spectrum harvesting for SG wireless communications[J].IEEE Network， 2015（3）：75-81.

[11]ELSAWY H， HOSSAIN E， KIM D I.HetNets with cognitive small cells： user offioading and distributed channel access techniques[J].IEEECommunications Magazine， 2013 （6）：48-51.