5G網(wǎng)絡(luò)智能化的關(guān)鍵技術(shù)

肖 健

（南京中新賽克科技有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)迫切需要一個(gè)有效且具有異構(gòu)性架構(gòu)的管理平臺(tái)來(lái)滿足未來(lái)的互聯(lián)要求。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商為了滿足不斷增長(zhǎng)的流量需求，試圖通過(guò)部署各種大小的蜂窩（主要是微蜂窩）來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍并提升用戶體驗(yàn)。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)必須讓未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)能夠在處理日益增長(zhǎng)的流量需求的同時(shí)提高質(zhì)量滿意度和能源使用效率。

為了實(shí)現(xiàn)以上需求，需要考慮一個(gè)全面解決系統(tǒng)復(fù)雜性和異構(gòu)性等方面的綜合方法。對(duì)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，為了解決這些關(guān)鍵的技術(shù)難題，有必要提升5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的智能化程度，以便找到最佳的系統(tǒng)配置方案。

1 面向5G的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 無(wú)線電接入技術(shù)的演進(jìn)

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向是從2G到3G再到4G或長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）移動(dòng)通信[1,2]。3G和4G技術(shù)一直是3G伙伴關(guān)系項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化的重點(diǎn)。這種演變主要是基于先進(jìn)的無(wú)線接入技術(shù)（Radio Access Technology，RAT）的發(fā)展，從頻分/時(shí)分多址和頻分多址到寬帶碼分多址，再到寬帶碼分多址的正交頻分多址。

1.2 小區(qū)大小減少

目前運(yùn)營(yíng)商部署的網(wǎng)絡(luò)中，蜂窩的數(shù)量不斷增多，單個(gè)蜂窩的覆蓋范圍不斷縮小，這樣可以有效增大小區(qū)容量和降低資源成本，并提高資源利用率[3-6]。小區(qū)的尺寸范圍從宏基站小區(qū)到最現(xiàn)代的微型小區(qū)，能夠提供顯著的容量改善，同時(shí)只消耗很少的能源。

1.3 復(fù)合的無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)

運(yùn)營(yíng)商的盈利目標(biāo)要求運(yùn)營(yíng)商必須不斷降低運(yùn)營(yíng)成本，因此運(yùn)營(yíng)商必須充分利用各種不同類(lèi)的無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)。在RAT層面，無(wú)線接入設(shè)備是不同種類(lèi)的，為此提出復(fù)合無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)的概念。實(shí)現(xiàn)復(fù)合無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)的重點(diǎn)是關(guān)于蜂窩系統(tǒng)與無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的互連，其目的主要是針對(duì)改善應(yīng)用層的體驗(yàn)，例如可以通過(guò)最合適的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供多種應(yīng)用。

1.4 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的主要目的是提高成本效率。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基于一個(gè)蜂窩標(biāo)準(zhǔn)，可以由不同類(lèi)型的基站（Base Station，BS）組成，如宏基站、微基站、微微基站以及飛蜂窩等。像微微基站這類(lèi)的低功率BS將被用來(lái)提高覆蓋率和容量，其覆蓋區(qū)域比宏基站BS的覆蓋區(qū)域小得多。因此，所有這些基站都需要得到適當(dāng)?shù)墓芾恚瑫r(shí)對(duì)支持低功率的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的配置要求仍與宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)非常相似。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供多種選擇以滿足不同應(yīng)用的要求，這個(gè)發(fā)展方向?qū)档途W(wǎng)絡(luò)部署的成本有積極的影響。

1.5 靈活的頻譜管理

靈活的頻譜管理是以提高資源利用率為目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以靈活地將頻譜分配給他們運(yùn)營(yíng)的RAT[7]。有一些關(guān)鍵技術(shù)可以提供這種靈活性，例如頻譜再分配，它允許擁有技術(shù)上中立的頻譜帶，并將不同的頻譜分配給特定的RAT。此外，另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是隨機(jī)頻譜接入，在這種情況下，允許次級(jí)用戶在特定的時(shí)間和地點(diǎn)獨(dú)立識(shí)別未使用的頻譜帶。

1.6 利用Cloud-RAN和移動(dòng)云概念

隨著云概念在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用移動(dòng)云技術(shù)以進(jìn)一步提高成本效率。如果無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基于云原則，可以產(chǎn)生規(guī)模成本效應(yīng)（尤其是資本和運(yùn)營(yíng)成本）。通過(guò)共享使用硬件設(shè)施可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。利用云存儲(chǔ)技術(shù)可以避免同一組件的多次部署，從而節(jié)省存儲(chǔ)服務(wù)器的成本。此外，宏小區(qū)和小型基站可以連接到燈柱上以節(jié)省鐵塔資源并降低建設(shè)成本。

2 智能化概論

將智能化引入5G可以為解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和云RAN的復(fù)雜性提供有效的解決方案，智能化云RAN功能管理所需的功能與最佳的云RAN配置有關(guān)。智能化主要是解決特定場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化問(wèn)題，包括有關(guān)流量的分配，電平的分配、干擾電平的抵消(對(duì)應(yīng)于前面討論過(guò)的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境)以及收發(fā)器數(shù)量的配置等。

將智能化引入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，將提供以下4個(gè)問(wèn)題的最優(yōu)解決方案。一是參與工作的收發(fā)器的數(shù)量；二是分配給收發(fā)器的頻譜（頻段和通道帶寬）；三是每個(gè)收發(fā)器允許的發(fā)射功率；四是分配到基站的流量。

此外，融合網(wǎng)絡(luò)的概念也被提出，其目標(biāo)是提高網(wǎng)絡(luò)整體性能，利用智能化的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署。融合網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)是多層和多流聚合（Multiple Stream Aggregation，MSA）技術(shù)，根據(jù)該技術(shù)，主機(jī)層主要是由宏小區(qū)覆蓋，應(yīng)保證充分覆蓋。主機(jī)層以外是輔助層，由數(shù)量眾多的微基站組成(例如小型小區(qū)的增強(qiáng)基站)，頻譜補(bǔ)充技術(shù)（例如應(yīng)用機(jī)動(dòng)頻譜帶和增強(qiáng)RAT技術(shù)）可以提供最佳的網(wǎng)絡(luò)性能。用戶被分配在主機(jī)層上，這樣做是為了減少切換和干擾對(duì)用戶體驗(yàn)造成的負(fù)面影響。輔助層的流量可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分層管理技術(shù)運(yùn)營(yíng)商可以靈活的將輔助層分配到需要流量的地方，這樣網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題就迎刃而解了。

3 主要新興技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)特定的新興技術(shù)包括SDN和NFV[8,9]，通過(guò)應(yīng)用SDN和NFV可以有效滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的需要而加快服務(wù)創(chuàng)新，減少了設(shè)備成本和能源成本。一臺(tái)服務(wù)器可以托管多個(gè)虛擬化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也可以通過(guò)NFV提供新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)增加收益。

3.1 軟件定義的網(wǎng)絡(luò)

SDN是新興的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中硬件來(lái)定義網(wǎng)絡(luò)，SDN在控制面中使用集中式網(wǎng)絡(luò)控制器將流量分配給網(wǎng)絡(luò)中分離數(shù)據(jù)平面中的元素。網(wǎng)絡(luò)控制器集中維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的智能化和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。通過(guò)北向接口，網(wǎng)絡(luò)控制器提供網(wǎng)絡(luò)的全局統(tǒng)一視圖。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)看起來(lái)像一個(gè)軟件工程，因此新穎的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以通過(guò)軟件編程在短時(shí)間內(nèi)輕松創(chuàng)建、測(cè)試及部署。

3.2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化方向

NFV技術(shù)是用不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)IT虛擬化技術(shù)構(gòu)建端到端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新方法，它可以將許多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合進(jìn)5G標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，例如大容量服務(wù)器、交換機(jī)以及存儲(chǔ)設(shè)備等。用軟件包來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能，這些軟件包運(yùn)行在虛擬機(jī)中。測(cè)試一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)功能將變得非常簡(jiǎn)單，只需要安裝或更新一個(gè)軟件包。虛擬架構(gòu)的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)，硬件部分有高密度的硬件服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接起來(lái)，由業(yè)務(wù)流程組織運(yùn)作，這樣簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中邏輯控制部分的硬件，基礎(chǔ)架構(gòu)可以快速部署。與傳統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能不同，NFV的網(wǎng)絡(luò)功能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，新功能可以通過(guò)軟件迭代來(lái)快速開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)。此外，在通用硬件上自動(dòng)化安裝和管理虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能可以節(jié)省大量的人力資源，同時(shí)也能有效降低網(wǎng)絡(luò)故障率。

NFV技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)營(yíng)商可以建立并運(yùn)營(yíng)一個(gè)成本和功耗均較低的網(wǎng)絡(luò)。隨著集成設(shè)備和信息技術(shù)的發(fā)展，新的服務(wù)將變得易于創(chuàng)建、測(cè)試及使用，新的網(wǎng)絡(luò)功能上市時(shí)間將更短。

4 結(jié) 論

考慮到復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)環(huán)境和用戶基本需求，采用不斷發(fā)展的新興技術(shù)來(lái)增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的功能。同時(shí)，引入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和智能化管理方法。新興技術(shù)SDN和NFV對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)智能化發(fā)展有重要影響，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)智能化程度并提升網(wǎng)絡(luò)的可塑性與可編程性。未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)將徹底顛覆現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，運(yùn)營(yíng)成本會(huì)更低、覆蓋范圍更大、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量更好、用戶體驗(yàn)更佳且網(wǎng)絡(luò)管理更加簡(jiǎn)單，從而更好的服務(wù)人類(lèi)。