5G 無線技術(shù)和蜂窩架構(gòu)分析

董春利，王莉

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，江蘇南京， 211188）

0 引言

近年來，通過研究和創(chuàng)新，無線技術(shù)的潛力得到了提升。各種無線設(shè)備的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)、數(shù)據(jù)的更多使用、服務(wù)質(zhì)量的提高，以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展變得越來越重要。主要驅(qū)動(dòng)因素是各種無線設(shè)備的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)、數(shù)據(jù)饑餓應(yīng)用，以及提供改善的服務(wù)質(zhì)量/體驗(yàn)，需要擴(kuò)展蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以支持即將到來的5G 用例。與4G-LTE 網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)的這種發(fā)展包括每秒千兆位的高速、低延遲、高吞吐量和更好的頻譜效率[1]。第五代無線技術(shù)支持所有這些用例，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)行為來實(shí)現(xiàn)。小型蜂窩是低功率蜂窩無線電接入節(jié)點(diǎn)和5G 無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的骨干。切換是存在小蜂窩范式的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如用戶和小蜂窩之間可能會(huì)出現(xiàn)許多障礙物。因此，使用毫米波和波束成形技術(shù)支持從10m 到幾公里范圍內(nèi)的小蜂窩，這會(huì)導(dǎo)致可靠性和多次切換發(fā)生，特別是在可能突然中斷連接的高速移動(dòng)的情況。

切換衡量可以分為四類，其中人為障礙物，行人是切換的原因；移動(dòng)障礙物，其中過往車輛是切換的原因；在旋轉(zhuǎn)時(shí)，手的移動(dòng)和用戶的旋轉(zhuǎn)，是切換的一個(gè)原因；最后一類，固定障礙物、建筑物和大型構(gòu)筑物引起的切換。毫米波的最重要的場(chǎng)景是在城市和半城市地區(qū)的熱點(diǎn)部署，吉比特/秒是5G 無線技術(shù)的主要關(guān)注點(diǎn)。在這方面，以下三個(gè)主要部署場(chǎng)景是：街邊服務(wù)、體育場(chǎng)/音樂會(huì)服務(wù)、校園服務(wù)。在街邊場(chǎng)景中，餐館、商店和行人是毫米波接入點(diǎn)提供所需服務(wù)的關(guān)注點(diǎn)，其中強(qiáng)調(diào)了干擾和信號(hào)被大障礙物阻擋的影響。在校園/音樂會(huì)類型中，重點(diǎn)是研討會(huì)大廳、音樂會(huì)畫廊和會(huì)議/教室周圍的走廊等聚集場(chǎng)所。而在足球、網(wǎng)球、板球、橄欖球和競(jìng)技場(chǎng)等體育場(chǎng)館的情況下，需要高數(shù)據(jù)速率，即將推出的虛擬、增強(qiáng)和混合現(xiàn)實(shí)服務(wù)。

5G 通信的多種技術(shù)，包括大規(guī)模多輸入多輸出 (mMIMO)、毫米波通信(mmWave)、自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)和超密集網(wǎng)絡(luò)(UDN)，支持所有這些場(chǎng)景[2]。在5G 技術(shù)中，服務(wù)運(yùn)營(yíng)商和供應(yīng)商在切換實(shí)施方面，面臨著不同的挑戰(zhàn)。

第一個(gè)挑戰(zhàn)是不精確的信號(hào)測(cè)量，其中毫米波的帶寬和頻率很高，這對(duì)于增加網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的容量至關(guān)重要。由于大氣條件、墻壁或障礙物周圍的低衍射以及雨水吸收，信號(hào)路徑損耗在高頻段變得很高。這些因素會(huì)減小信號(hào)的范圍。此外，工作在高頻段的信號(hào)很容易成為衰落的犧牲品，這反過來又會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，降低切換的整體切換速率或不必要的漫游?？傊鼤?huì)降低客戶的體驗(yàn)。下一個(gè)挑戰(zhàn)是立即切換，其中小區(qū)半徑的尺寸小于UDN 架構(gòu)中的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。在每個(gè)小蜂窩中，用戶設(shè)備的總時(shí)間間隔變得比較小，導(dǎo)致頻繁的切換。結(jié)果，兩個(gè)終端的重疊時(shí)間也變得相對(duì)較低。最后，與4G 和3G 網(wǎng)絡(luò)通信相比，5G 不包含相同的網(wǎng)絡(luò)層和技術(shù)，并且垂直和水平切換過程，都包含5G 中的切換問題。除了這些挑戰(zhàn)之外，由于網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)通信行為、5G 技術(shù)的融合以及現(xiàn)有流程的優(yōu)化自動(dòng)化，還存在許多其它挑戰(zhàn)。5G NR 通信系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)異構(gòu)環(huán)境的系統(tǒng)，所需用例，即eMBB、uRLLC、mMTC。

5G 的工作條件與其它蜂窩網(wǎng)絡(luò)幾乎相同，由小區(qū)和扇區(qū)組成。數(shù)據(jù)可以在無線電波的幫助下傳輸。這些小區(qū)通過有線或無線連接網(wǎng)絡(luò)。5G 技術(shù)使用的編碼技術(shù)是正交頻分復(fù)用(OFDM)。移動(dòng)連接和移動(dòng)用戶不斷擴(kuò)大，以滿足服務(wù)需求、高數(shù)據(jù)速率、客戶行為的變化以及從無線節(jié)點(diǎn)到機(jī)器人、聊天機(jī)器人和自主運(yùn)輸?shù)母鞣N用例。無線行業(yè)和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商需要發(fā)展和不斷增長(zhǎng)來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。今后通過創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)和存在的先進(jìn)模塊，無線行業(yè)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，到2022 年將達(dá)到每月77.5 艾字節(jié)。

同樣，GSM 協(xié)會(huì)估計(jì)，到2025 年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總數(shù)將達(dá)到251 億左右。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)證明，現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)營(yíng)商不足以完成物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋和容量需求。因此，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)公司必須改變現(xiàn)有的模式、設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)商，以應(yīng)對(duì)未來的挑戰(zhàn)。各種研究論文提出了MIMO 的概念，來提高5G 網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率。同樣，隨后引入了毫米波通信以提高5G 信號(hào)的傳輸帶寬。吞吐量和能耗是當(dāng)時(shí)的主要挑戰(zhàn)。

1 5G 技術(shù)和特點(diǎn)

在5G 網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)分為大蜂窩和小蜂窩，以提供更高的網(wǎng)絡(luò)效率。5G 使用以用戶為中心的全球無線網(wǎng)絡(luò)概念，而4G則以服務(wù)為中心。通過使用以用戶為中心的概念，5G 能夠支持多種應(yīng)用和不同的服務(wù)來連接世界。5G 移動(dòng)通信嵌入了許多不同的技術(shù)，例如設(shè)備對(duì)設(shè)備(D2D)、機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)、多輸入多輸出(MIMO)、邊緣計(jì)算(EC)、小型蜂窩(SC)、波束成形(BF)、WiFi 和蜂窩的融合、非正交多址接入(NOMA)、軟件定義的網(wǎng)絡(luò)(SDN)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)和信道編碼(CC)。5G 還引入了一些特性，即5G 架構(gòu)將包括云計(jì)算、以設(shè)備為中心和分布式系統(tǒng)，提供幾乎以千兆為單位的更高數(shù)據(jù)速率，支持大量設(shè)備，電池利用率低，基礎(chǔ)設(shè)施成本低。為了在移動(dòng)系統(tǒng)中提供無處不在的通信，5G 包括機(jī)器對(duì)機(jī)器通信技術(shù)，幾乎連接了1000 億臺(tái)設(shè)備。為了提供更高的吞吐量并提供更高的頻譜效率，5G 使用MIMO 技術(shù)。5G 還利用了其它技術(shù)，如OFDM、物聯(lián)網(wǎng)、UDSC 網(wǎng)絡(luò)和毫米波。為了獲得更高的數(shù)據(jù)速率和設(shè)備之間的直接連接，5G 使用設(shè)備到設(shè)備的通信技術(shù)。成功的四種行為確保了5G 中D2D 通信超越場(chǎng)景，即設(shè)備中繼與操作員控制的鏈路建立(DR-OC)、直接D2D 通信與操作員控制的鏈路建立(DC-OC)、設(shè)備中繼與設(shè)備控制的鏈路建立(DR-DC)，以及通過設(shè)備控制的鏈路建立(DCDC)進(jìn)行直接D2D 通信[3]。

小蜂窩技術(shù)是一種有前途但經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)的方法，可以克服移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、5G 覆蓋、容量和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的障礙。盡管小型蜂窩采用短距離基站，但它們有潛力處理移動(dòng)用戶的高數(shù)據(jù)速率、監(jiān)控連接的事物并推出5G 和6G。小型蜂窩，例如微微蜂窩、毫微微蜂窩和微蜂窩，部署在位于同一地理區(qū)域內(nèi)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)上，以形成HetNets。這些HetNets 能夠提供具有高數(shù)據(jù)速率和高質(zhì)量服務(wù)的不間斷通信，確保用戶在從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)時(shí)利用可靠的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。然而，部署大量小蜂窩來設(shè)計(jì)HetNets 會(huì)產(chǎn)生諸如高蜂窩間交互和蜂窩邊界擴(kuò)展等問題，從而導(dǎo)致切換失敗和無線電鏈路失敗。總之，HetNets 中的小蜂窩數(shù)量越多，移動(dòng)性管理問題就越大[4]。

2 5G 小蜂窩架構(gòu)

3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）展示了5G 結(jié)構(gòu)以改善蜂窩通信。如3GPP 所提議的，在控制平面功能之間部署了不同的基于服務(wù)的通信模型。主要方法包括但不限于克服核心網(wǎng)絡(luò)(CN)和接入網(wǎng)絡(luò)(AN)之間的依賴關(guān)系，提升接入服務(wù)，并在控制平面(CP)和用戶平面(UP)之間獲得明確的分離，在部署和擴(kuò)展階段以增強(qiáng)靈活性。5G 結(jié)構(gòu)還支持并發(fā)接入，這對(duì)于低延遲用例至關(guān)重要。UDSC 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)在文獻(xiàn)[5]中提出并與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了比較。在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，使用樹形網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，其中基站管理器用于處理核心網(wǎng)絡(luò)中的所有宏蜂窩基站，而所有回程流量都從網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)移到核心網(wǎng)絡(luò)。需要一種混合架構(gòu)來支持微蜂窩在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的部署。在混合架構(gòu)中，微蜂窩基站管理器用于處理微蜂窩基站，回程流量通過光纖路由轉(zhuǎn)移到核心網(wǎng)絡(luò)。與宏蜂窩基站相比，微蜂窩基站可以在家庭和熱點(diǎn)用例中提供高速無線廣播。盡管如此，兩者都有可能獨(dú)立地將用戶數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)傳播給相應(yīng)的用戶。圖1 展示了5G NR 小蜂窩架構(gòu)及其工作模型。

圖1 5G NR 小型蜂窩部署

移動(dòng)用戶還可以根據(jù)需要在宏蜂窩或微蜂窩中進(jìn)行切換。因此，微蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被用作高速無線傳輸和通信目的的輔助組件。同樣，類似的方法用在5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署小型蜂窩，但通過光纖鏈路或使用寬帶互聯(lián)網(wǎng)從每個(gè)小型基站(BS)轉(zhuǎn)發(fā)回程流量非常具有挑戰(zhàn)性，特別是在成本和地理分期付款的城市環(huán)境中的主要關(guān)注點(diǎn)。由于無線傳輸距離的限制，小型蜂窩基站無法將回程業(yè)務(wù)傳輸?shù)浇o定網(wǎng)關(guān)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，提出了一種分布式超密集5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)，其中微蜂窩基站和宏蜂窩基站的功能是分布式的。這意味著執(zhí)行微蜂窩BS 的配置，以處理管理數(shù)據(jù)并監(jiān)控小型蜂窩中的切換問題。而另一方面，用戶數(shù)據(jù)的傳輸由小蜂窩基站控制。此外，超密集蜂窩網(wǎng)絡(luò)的兩種不同分布架構(gòu)如下。

（1）在UDSC 網(wǎng)絡(luò)中使用單一網(wǎng)關(guān)

單個(gè)網(wǎng)關(guān)被部署、配置和安裝在具有嵌入大量 MIMO 毫米波天線的能力的宏蜂窩基站上。集成這些天線的目的是接受來自位于宏蜂窩中的小型蜂窩的無線回程流量。收集所有回程流量后，通過多跳毫米波鏈路移動(dòng)到宏蜂窩基站，然后通過光纖鏈路進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)到核心網(wǎng)絡(luò)。

（2）在UDSC 網(wǎng)絡(luò)中使用多個(gè)網(wǎng)關(guān)

在這種情況下，通過檢查回程流量和地理場(chǎng)景的條件，在大規(guī)模的微蜂窩BS 中使用和部署多個(gè)網(wǎng)關(guān)。使用多個(gè)網(wǎng)關(guān)而不是單個(gè)網(wǎng)關(guān)的原因是它們更靈活地處理回程流量并將其轉(zhuǎn)發(fā)到核心網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，來自小型蜂窩的所有回程流量都分散在宏蜂窩中的多個(gè)網(wǎng)關(guān)上，然后在網(wǎng)關(guān)處合并，通過光纖到機(jī)柜(FTTC)鏈路向核心網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)。

3 5G 小蜂窩工作模式

5G 的參考模型如圖1 所示，其中AMF 或接入和移動(dòng)管理功能充當(dāng)模型的大腦。它執(zhí)行不同的管理角色，例如連接、移動(dòng)性和注冊(cè)管理。與AMF 一樣，SMF 或會(huì)話管理功能也是模型的重要組成部分，它負(fù)責(zé)控制、監(jiān)視會(huì)話上下文、編輯PDU和鏈接以解耦數(shù)據(jù)平面。DN 和架構(gòu)之間的連接由用戶平面功能(UPF)提供。UPF 還負(fù)責(zé)PDU 會(huì)話錨點(diǎn)、管理服務(wù)質(zhì)量以及路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包[6]。

4 結(jié)論

5G 的通行能力和網(wǎng)絡(luò)效率都是4G-LTE 的100 倍，使其能夠提供20Gbps 的峰值數(shù)據(jù)速率和100+Mbps 的平均數(shù)據(jù)速率。小型蜂窩技術(shù)使5G 網(wǎng)絡(luò)能夠提供這些益處。通過小區(qū)密集化，連接距離變小，確保每個(gè)UE 的高網(wǎng)絡(luò)資源。與宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，超密集網(wǎng)絡(luò)中小型蜂窩基站的大量分布使得連接距離更小，從而在每個(gè)UE 上提供更好的信號(hào)質(zhì)量，UE 可以支持高移動(dòng)服務(wù)、在線游戲和流線型視頻。此外，超密集網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)UE 數(shù)量有限，使其能夠體驗(yàn)到更多的網(wǎng)絡(luò)資源。