基于軟件定義的以用戶為中心的5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

張龍海

（福建省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350000）

1 引言

現(xiàn)如今，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在以較快的速度發(fā)展著，使得人們的生活越來(lái)越方便，人們的生活質(zhì)量也越來(lái)越好，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求也隨之越來(lái)越強(qiáng)，人們對(duì)5G的建設(shè)完善充滿了期待。5G的發(fā)展空間還比較廣闊，其速率應(yīng)該達(dá)到10 Gbit/s，對(duì)于空中接口頻譜效率以及功率效率而言，其均要比4G高10倍。

在人們?nèi)粘５纳罟ぷ鳟?dāng)中，會(huì)將5G逐漸應(yīng)用開(kāi)來(lái)，5G涉及的范圍會(huì)越來(lái)越廣泛，主要應(yīng)用范圍是一些辦公以及住宅以及鐵路運(yùn)輸?shù)确矫妫纱丝芍?，這些都會(huì)要求5G有更加完善的性能，必須可以在不同且較為復(fù)雜的環(huán)境里工作，在這樣的環(huán)境里完成無(wú)線傳輸，使得用戶享受到服務(wù)。與此同時(shí)，依據(jù)用戶的不同需求，指定與其相應(yīng)的服務(wù)，將其個(gè)性化的特點(diǎn)凸現(xiàn)出來(lái)。

由于越來(lái)越多的用戶需要無(wú)線傳輸，必須將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸進(jìn)一步提升，這便出現(xiàn)了技術(shù)的難題?，F(xiàn)如今的空中接口技術(shù)在持續(xù)的改變著，這邊同時(shí)存在著較多的接入技術(shù)，現(xiàn)在接入網(wǎng)絡(luò)有GSM網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)以及LTE網(wǎng)絡(luò)等，各種各樣的網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出來(lái)了相同的特點(diǎn)，分別有縱向分布以及相互封閉等。對(duì)于之前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，有與網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的控制單元，獨(dú)立的對(duì)其進(jìn)行管理，在網(wǎng)絡(luò)間就難以進(jìn)行交流合作，這便使得網(wǎng)絡(luò)的性能能以得到充分的發(fā)揮。

2 現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題

對(duì)于現(xiàn)如今的無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)而言，其環(huán)境主要是很多種類的網(wǎng)絡(luò)一起存在，并且發(fā)展的越來(lái)越密集。經(jīng)過(guò)對(duì)一系列研究調(diào)查可知如下幾點(diǎn)：

1）從網(wǎng)絡(luò)的角度。第一：現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)環(huán)境的感知較為薄弱。頻譜資源存在一定的限制，使得密集的網(wǎng)絡(luò)受到了嚴(yán)重的影響。只有將網(wǎng)絡(luò)間的資源進(jìn)行科學(xué)合理的協(xié)調(diào)，才可以使得密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的作用得到最大化的發(fā)揮。而如何才能實(shí)現(xiàn)對(duì)資源管理較為有效，必須要提升基站和用戶對(duì)環(huán)境的感知能力，并且不僅要感知局部的，而且要大范圍的感知，使得信息可以相互流通?，F(xiàn)在得解決方案對(duì)信息的相互流通只是一種假設(shè)，但是實(shí)際的流通當(dāng)中并沒(méi)有相應(yīng)的處理平臺(tái)。第二：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中信令開(kāi)銷與信息交互量，它們會(huì)將較多的資源進(jìn)行占用。只有將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)互相流通開(kāi)以后，才能進(jìn)行無(wú)線資源的協(xié)調(diào)管理。在未來(lái)的發(fā)展當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)必須盡可能的完善協(xié)作管理，從而才能使得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)越來(lái)越好。由于信息交互的存在，才使得不同粒度進(jìn)行相關(guān)的協(xié)作，例如：環(huán)境以及控制的信息等?，F(xiàn)在得網(wǎng)絡(luò)部署的越來(lái)越密集，節(jié)點(diǎn)在以較快的速度增長(zhǎng)著，信息交互的增長(zhǎng)速度會(huì)更快，從而便會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)資源被占據(jù)很大的一部分，并且信息是否可靠會(huì)直接對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能造成不可忽視的影響。在未來(lái)，密集網(wǎng)絡(luò)所面臨的問(wèn)題，最主要也是最需解決的就是降低信令開(kāi)銷，并且使信息越來(lái)越趨向于頑健。第三：難以將用戶的服務(wù)做到個(gè)性化。一般情況下，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源控制而言，大多是以小區(qū)為單位的，所以沒(méi)有辦法將每一個(gè)用戶的需求都考慮到，對(duì)于一些同時(shí)使用很多網(wǎng)的用戶更加難以考慮到位，使得可以使用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶體驗(yàn)不好的主要原因就是各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間太過(guò)獨(dú)立，其互相之間太過(guò)封閉。

2）從用戶的角度?，F(xiàn)如今的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)展的越來(lái)越趨向于復(fù)雜化，而這些復(fù)雜化并不能提升用戶的體驗(yàn)，用戶更加傾向于較為簡(jiǎn)單的環(huán)境。但是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)而言，他們是無(wú)法體會(huì)到的，決策應(yīng)該越來(lái)越趨向于簡(jiǎn)潔，用戶在任何的環(huán)境當(dāng)中，他們需要的只是網(wǎng)速較快，不會(huì)去考慮究竟過(guò)程如何，對(duì)于用戶而言，管理辦法存在的問(wèn)題主要有一下幾點(diǎn)：第一：用戶的網(wǎng)絡(luò)選擇較為復(fù)雜，人為的可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的選擇。但是這樣選擇的結(jié)果并不一定就是最佳的選擇，用戶的通信質(zhì)量并不一定就是最好的。與此同時(shí)，用戶的數(shù)量在持續(xù)增加，這樣的方法使得信令和控制的開(kāi)銷被顯著的提高。第二：網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)定以及公平方面的表現(xiàn)較差。絕大多數(shù)的用戶都認(rèn)為影響網(wǎng)絡(luò)接入的原因有：自己的通信情況、網(wǎng)絡(luò)的剩余負(fù)載，將其他用戶的體驗(yàn)拋之腦后。用戶體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量是好是壞，不同的用戶有著不同的使用體驗(yàn)，質(zhì)量也存在著差距。與此同時(shí)，由于用戶的位置不是固定的，會(huì)隨著位置的變化進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的切換，這樣便使得網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量較為不穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)對(duì)以上內(nèi)容的詳細(xì)分析，5G網(wǎng)絡(luò)必須要建立新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其必須比之前更加靈活開(kāi)放。

3 一種基于軟件定義的以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

現(xiàn)如今，5G也有自身的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但是其主要關(guān)注的是采用什么方法可以將各種基站統(tǒng)一管理，而對(duì)用戶的管理拋之腦后。用戶在謀求較好通信質(zhì)量的時(shí)候，必須經(jīng)過(guò)較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)選擇。對(duì)于這些問(wèn)題，提出了軟件定義的思想，它是將用戶始終放在了重要的位置。它充分考慮了用戶希望簡(jiǎn)潔的想法以及未來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，第一：對(duì)于多種多樣的接入網(wǎng)絡(luò)，采取的是集中式的解決措施；第二：對(duì)每個(gè)用戶的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。圍繞著客戶建立相應(yīng)的小區(qū)，用戶可以與其通信范圍內(nèi)的所有基站通信，基站無(wú)論是之前的還是新的多模，都是可以的。這個(gè)架構(gòu)突破了之前的限制，可以給用戶帶來(lái)更好的使用體驗(yàn)，其主要包含了三層結(jié)構(gòu)，分別是：

1）接入層。對(duì)于接入層而言，圍繞用戶建立相應(yīng)的小區(qū)，構(gòu)建是必須參考信號(hào)的強(qiáng)弱。在過(guò)去的小區(qū)里，基站往往將小區(qū)作為中心，很多用戶使用用一個(gè)基站?，F(xiàn)在無(wú)線越來(lái)越密集，之前動(dòng)物小區(qū)就很難再繼續(xù)滿足用戶的體驗(yàn)，小區(qū)的負(fù)載也出現(xiàn)了較大的偏差。經(jīng)過(guò)對(duì)接入點(diǎn)越來(lái)越密集的詳細(xì)分析以后，主張建立的小區(qū)應(yīng)該把用戶放在中心。新的小區(qū)更加重視用戶的自身體驗(yàn)，基站也是圍繞用戶的，所以多個(gè)基站可以為一個(gè)用戶服務(wù)。因?yàn)榘l(fā)射功率一般都不相同，所以新的小區(qū)并不是規(guī)則的形狀。新的小區(qū)行成的過(guò)程大致為：用戶對(duì)身邊的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；將檢測(cè)的信號(hào)與之前的做對(duì)比，最后選擇信號(hào)強(qiáng)的進(jìn)行連接，該信號(hào)可以為給用戶帶來(lái)好的體驗(yàn)。因?yàn)橛脩舻奈恢貌⒉皇且恢惫潭ǖ?，不僅如此，一般情況下，用戶通信的環(huán)境也一直在改變，因此，檢測(cè)接入點(diǎn)是在線進(jìn)行的，新的小區(qū)會(huì)自己隨著環(huán)境的變化發(fā)生相應(yīng)的變化。用戶可以對(duì)多個(gè)情況進(jìn)行比較，可以在同一時(shí)間使用多個(gè)基站，從而確定通信的質(zhì)量。

2）本地控制與資源層。本地控制與資源層的主要工作是：將各個(gè)基站的底部物理資源進(jìn)行全面的管控。LC是BBU的一種模塊結(jié)構(gòu)，也是一個(gè)控制平臺(tái)，為各種協(xié)議建立的平臺(tái)。與之前的BBU相比，LC可以模塊化全部的物理層控制功能，主要的形式有調(diào)制以及編碼等。經(jīng)過(guò)選取模塊，LC可以對(duì)物理層進(jìn)行很好的管控，并且比之前的BBU更加靈活，使得各種通信得以實(shí)現(xiàn)。所以，針對(duì)BBU的各種處理功能而言，可以對(duì)其進(jìn)行模塊處理，經(jīng)過(guò)模塊化以后，BBU便可以接收上層的指示，從而選取合適的模塊，使得通信的質(zhì)量得以提高。這個(gè)架構(gòu)具有這些特點(diǎn)，分別是控制以及分類數(shù)據(jù)，從而解耦協(xié)議以及硬件，是的更改控制協(xié)議的花費(fèi)得到顯著降低。因?yàn)橹暗膮f(xié)議與硬件是完全耦合在一起的，如果對(duì)協(xié)議做出更新，那么硬件也必須隨之發(fā)生更新，因此會(huì)造成較多的花費(fèi)。這是對(duì)物理層的一種虛化，可以統(tǒng)一管理各種各樣的無(wú)線。上層直接發(fā)出指令以后，可以直接對(duì)無(wú)線的接入點(diǎn)進(jìn)行控制。

3）控制層?？刂茖拥募锌刂破魍ㄟ^(guò)軟件定義的形式管理資源層的LC。針對(duì)所有的用戶，集中控制器都會(huì)做一個(gè)VUC，VUC可以對(duì)與用戶相關(guān)的基站進(jìn)行管控，從而使得用戶的傳輸質(zhì)量在任何時(shí)候任何地方都可以保持較高的水平。對(duì)于選擇那個(gè)基站為用戶服務(wù)，VUC可以對(duì)各個(gè)基站的環(huán)境以及負(fù)載等情況進(jìn)行分析，從而選擇最佳的基站。與此同時(shí)，基站的頻譜資源也是由VUC進(jìn)行管控的，從而使得各個(gè)基站之間的互相影響較小，頻譜的效率發(fā)揮到了極致。各個(gè)VUC直接都有著自組織的能力，它主要是將各個(gè)用戶的資源進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，經(jīng)過(guò)這樣的協(xié)調(diào)，是的各個(gè)用戶之間的干擾減小，各個(gè)用戶的體驗(yàn)逐漸趨于平衡，使得頻譜的效率也得到了較為明顯的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)的發(fā)展當(dāng)中，無(wú)線會(huì)越來(lái)越密集，越來(lái)越異構(gòu)化，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間互相獨(dú)立，較為封閉，從而使得其性能受到顯著的約束。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的分析，以及對(duì)5G架構(gòu)的探討，提出把軟件定義作為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它把用戶作為其中心，更好的滿足用戶的個(gè)性化需求。該論文描述的架構(gòu)是從功能這個(gè)方面進(jìn)行的，而其每一部分的內(nèi)容依然需要進(jìn)一步的探討研究。