雷秋燕，張治中，程 方，胡昊南

（重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)測試工程研究中心 重慶 400065）

1 引言

隨著4G網(wǎng)絡(luò)的商用和廣泛部署，用戶可以享受到越來越高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這進(jìn)一步刺激了用戶對移動(dòng)設(shè)備（智能機(jī)、平板電腦等）的使用，因此蜂窩網(wǎng)的流量負(fù)載急劇增長。根據(jù)Cisco在2014年2月份發(fā)布的流量數(shù)據(jù)預(yù)測報(bào)告，2013-2018年，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量會(huì)以61%的年復(fù)合增長率增長[1]。然而，在4G中廣泛采用的還是傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)式的無線接入網(wǎng)，盡管采用了一些先進(jìn)的技術(shù)，如中繼、OFDM、MIMO、抗干擾措施等來增大系統(tǒng)容量和提高服務(wù)質(zhì)量，仍然無法滿足不斷增長的用戶和網(wǎng)絡(luò)需求，接入網(wǎng)越來越成為嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)的瓶頸。這迫使運(yùn)營商在下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中找到一種顯著提高系統(tǒng)容量、減少網(wǎng)絡(luò)擁塞、成本效益較高的接入網(wǎng)架構(gòu)。

蜂窩式系統(tǒng)設(shè)計(jì)歷來以小區(qū)作為無線接入網(wǎng)絡(luò)的基本單位。終端通過建立下行鏈路和上行鏈路的連接，承載控制，與該終端所處小區(qū)的基站建立連接、獲得服務(wù)。但是隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，以小區(qū)為中心的接入網(wǎng)架構(gòu)面臨很大挑戰(zhàn)。

·異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，致使基站密度大幅上升。但是蜂窩網(wǎng)本身并不適合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。而且未來5G網(wǎng)絡(luò)中將會(huì)部署大量不同發(fā)射功率、覆蓋范圍的基站，網(wǎng)絡(luò)組成更加復(fù)雜。

·在有限頻譜資源下如何提高頻帶利用率，是移動(dòng)通信面臨的一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)架構(gòu)對頻譜利用率不高，而且目前移動(dòng)通信系統(tǒng)使用的頻帶是分散的，這些片段是根據(jù)不同頻段、國家、地區(qū)的可用性以及帶寬量劃分的。這就會(huì)導(dǎo)致如漫游、設(shè)備復(fù)雜、缺少經(jīng)濟(jì)效益以及干擾等一系列問題。

·新興的業(yè)務(wù)和不斷出現(xiàn)的終端，如物聯(lián)網(wǎng)、D2D（device to device，設(shè)備到設(shè)備）通信等，對傳統(tǒng)蜂窩接入網(wǎng)架構(gòu)帶來了很大沖擊。新興業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的要求重心從網(wǎng)絡(luò)核心轉(zhuǎn)移到外圍（如設(shè)備、本地?zé)o線代理、中繼等），也可能致使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重新被定義。

綜上所述，從技術(shù)、業(yè)務(wù)等方面的發(fā)展趨勢來看，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的接入網(wǎng)若滿足不斷發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)需求就需要有一些改變。很多論文都探討了未來通信系統(tǒng)接入網(wǎng)的架構(gòu)問題：參考文獻(xiàn)[2]中提出了一種mobile femto cell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過分布式天線系統(tǒng)，區(qū)分室內(nèi)場景和室外場景；參考文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，在5G中，以基站為中心的蜂窩系統(tǒng)架構(gòu)可能會(huì)發(fā)生改變，應(yīng)重新考慮上下行鏈路以及控制信道和數(shù)據(jù)信道，提供不同優(yōu)先級、不同目的節(jié)點(diǎn)的路由信息流，從而提出了一種以設(shè)備為中心的架構(gòu)；參考文獻(xiàn)[4]中提出了一種Phantom cell網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，數(shù)據(jù)和控制平面分離，控制信息是由高功率節(jié)點(diǎn)在微波頻率上發(fā)送，而有效載荷數(shù)據(jù)是由低功率節(jié)點(diǎn)在毫米波頻率傳輸。然而，這些方案都沒有考慮移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的一個(gè)重要趨勢——集中化和云計(jì)算[5,6]?！霸啤笔窃诘乩砩戏植际降臄?shù)據(jù)中心，每個(gè)都包含了上百個(gè)服務(wù)器。最大的優(yōu)點(diǎn)是快速和靈活的訪問共享池動(dòng)態(tài)配置的資源，尤其是存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力。所以，本文在C-RAN架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于C-RAN的5G無線接入網(wǎng)架構(gòu)的可行方案。

2 5G對網(wǎng)絡(luò)的要求

2013年12 月，隨著我國第四代移動(dòng)通信（4G）牌照的發(fā)放，4G技術(shù)正式走向商用。與此同時(shí)，面向下一代移動(dòng)通信需求的第五代移動(dòng)通信（5G）的研發(fā)也已在世界范圍內(nèi)展開，成立了專項(xiàng)研究組，如歐盟EMIS、韓國5G論壇、中國IMT2020項(xiàng)目組等。盡管4G剛剛商用，就對5G展開廣泛研究，看起來時(shí)間很充裕，但是從用戶需求和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展來看，5G研究已經(jīng)迫在眉睫。

面向2020年及未來，超高清、3D和浸入式視頻的流行將會(huì)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)速率大幅提升。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云桌面、在線游戲等業(yè)務(wù)，不僅對上下行數(shù)據(jù)傳輸速率提出挑戰(zhàn)，同時(shí)也對時(shí)延提出了“無感知”的苛刻要求。未來人們對各種應(yīng)用場景下的通信體驗(yàn)要求越來越高，用戶希望能在體育場、露天集會(huì)、演唱會(huì)等超密集場景以及高鐵、車載、地鐵等高速移動(dòng)環(huán)境下也能獲得一致的業(yè)務(wù)體驗(yàn)[5]。5G的典型應(yīng)用場景如圖1所示。

5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)提供以用戶為中心和環(huán)境感知的體驗(yàn)，個(gè)性化內(nèi)容和輔助業(yè)務(wù)[6]。這顯然與3G/4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要考慮峰值速率和頻譜效率的改善是截然不同的。中國移動(dòng)通信集團(tuán)公司（以下簡稱中國移動(dòng)）提出了包括用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、移動(dòng)性、流量密度和用戶峰值速率的5G關(guān)鍵指標(biāo)，并且特別提到了能效問題和頻譜效率[7]。從中可以看出，5G不再一味強(qiáng)調(diào)峰值速率，而是把用戶體驗(yàn)放在第一位。然而5G是一個(gè)泛技術(shù)時(shí)代，多業(yè)務(wù)系統(tǒng)、多接入技術(shù)、多層次覆蓋融合成為5G的重要特征。如何在“異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”中向用戶提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)和用戶感知是運(yùn)營商面臨的一大挑戰(zhàn)。因此，未來的無線接入網(wǎng)應(yīng)滿足以下要求。

·大容量且無所不在的覆蓋，容量提升是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)永遠(yuǎn)的追求。隨著用戶數(shù)、終端類型、大帶寬業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，大容量且無所不在的無線接入網(wǎng)是5G的首要任務(wù)[8]。

·更高速率、更低時(shí)延、更高頻譜效率。視頻流量大約占移動(dòng)總流量的51%，預(yù)計(jì)到2017年會(huì)增加到67%[1]，實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)進(jìn)一步提高了對網(wǎng)絡(luò)的要求。

圖1 5G典型應(yīng)用場景

·開放平臺(tái)，易于部署和運(yùn)維，支持多標(biāo)準(zhǔn)和平滑升級。

·網(wǎng)絡(luò)融合，從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程來看，未來的5G網(wǎng)絡(luò)很難做到一種技術(shù)、架構(gòu)全覆蓋，M-RAT（multiple radio access technology，多無線接入技術(shù)）會(huì)在將來一個(gè)很長時(shí)間段內(nèi)并存，多種技術(shù)融合、多種架構(gòu)融合是必然趨勢[11，12]。

·低能耗。未來的5G接入網(wǎng)必須是一種前瞻性的、可持續(xù)性的架構(gòu)，而基站能耗占通信系統(tǒng)總能耗的65%[10]，所以低能耗的綠色通信在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)是一個(gè)必須考慮的問題[11，12]。

能夠很好地滿足以上要求的集中式無線接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。集中式接入網(wǎng)架構(gòu)是將射頻、基帶、計(jì)算等資源進(jìn)行“池化”，供網(wǎng)絡(luò)作統(tǒng)計(jì)復(fù)用并接受統(tǒng)一的資源管控，打破了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中不同的基站間、網(wǎng)絡(luò)間軟硬件資源不能共享的瓶頸，從而為真正實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、技術(shù)融合奠定了基礎(chǔ)。以中國移動(dòng)提出的C-RAN為典型代表。

未來5G可能采用C-RAN接入網(wǎng)架構(gòu)。C-RAN是對傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)的一次革命。C-RAN的目標(biāo)是從長期角度出發(fā)，為運(yùn)營商提供一個(gè)低成本、高性能的綠色網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，讓用戶享受到高QoS（quality of service，服務(wù)質(zhì)量）的各種終端業(yè)務(wù)。

C-RAN是基于集中化處理（centralized processing）、協(xié)作式無線電 （collaborative radio）和實(shí)時(shí)云計(jì)算架構(gòu)（real time cloud infrastructure）的綠色無線接入網(wǎng)架構(gòu)（clean system）[13]?；舅枷胧峭ㄟ^充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡(luò)，直接在遠(yuǎn)端天線和集中化的中心節(jié)點(diǎn)間傳送無線信號，以構(gòu)建覆蓋上百個(gè)基站服務(wù)區(qū)域，甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng)。C-RAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

C-RAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于分布式基站類型，分布式基站由BBU（base band unit，基帶單元）與RRU（remote radio unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）組成。RRU只負(fù)責(zé)數(shù)字—模擬變換后的射頻收發(fā)功能，BBU則集中了所有的數(shù)字基帶處理功能。RRU不屬于任何一個(gè)固定的BBU，BBU形成的虛擬基帶池，模糊化了小區(qū)的概念。每個(gè)RRU上發(fā)送或接收的信號的處理都可以在BBU基帶池內(nèi)一個(gè)虛擬的基帶處理單元內(nèi)完成的，而這個(gè)虛擬基帶的處理能力是由實(shí)時(shí)虛擬技術(shù)分配基帶池中的部分處理能力構(gòu)成的。實(shí)時(shí)云計(jì)算的引入使得物理資源得到了全局最優(yōu)的利用，可以有效地解決“潮汐效應(yīng)”帶來的資源浪費(fèi)問題。同時(shí)C-RAN架構(gòu)適于采用協(xié)同技術(shù)，能夠減小干擾，降低功耗，提升頻譜效率，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)使用的智能化組網(wǎng)，集中處理有利于降低成本，便于維護(hù)，減少運(yùn)營支出。

圖2 C-RAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 基于C-RAN的5G接入網(wǎng)架構(gòu)

集中式架構(gòu)的C-RAN有很多優(yōu)勢，但是完全的集中式控制不能自適應(yīng)信道環(huán)境和用戶行為等的動(dòng)態(tài)變化，不利于獲得無線鏈路自適應(yīng)性能增益。這是因?yàn)樵趯?shí)際無線通信系統(tǒng)下，無線網(wǎng)絡(luò)的完全集中式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組網(wǎng)方法不足以實(shí)現(xiàn)理想的實(shí)時(shí)計(jì)算。而且無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動(dòng)態(tài)時(shí)變，用戶行為屬性復(fù)雜多變，基站負(fù)載情況隨時(shí)間變化，都會(huì)使無線接入網(wǎng)中相對靜止的計(jì)算端不能實(shí)時(shí)適配動(dòng)態(tài)多變的無線接入端，從而導(dǎo)致集中式處理不能實(shí)現(xiàn)資源的全局最優(yōu)利用。而且，還會(huì)增加回程鏈路的開銷，擴(kuò)大無線接入鏈路信道的不理想性，從而惡化無線接入網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，本文提出了一種基于C-RAN的演進(jìn)型無線接入網(wǎng)架構(gòu)——eC-RAN。eC-RAN主要包含三大部分：RRU部署、本地云平臺(tái)和后臺(tái)云服務(wù)器，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

3.1 RRU部署

通過布置大規(guī)模的RRU可以實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋，因此RRU部署一直是未來集中式無線接入網(wǎng)的研究重點(diǎn)。考慮到實(shí)際無線接入網(wǎng)中業(yè)務(wù)密度的不同，RRU部署可以采用一種新型的部署方案——eRRU（enhanced remote radio unit，增強(qiáng)的遠(yuǎn)端射頻單元）[14]。eRRU在普通RRU的基礎(chǔ)上增加了部分無線信號的處理能力。在某些網(wǎng)絡(luò)狀況變化快、業(yè)務(wù)需求量大，用戶行為屬性復(fù)雜和覆蓋需求大的區(qū)域，預(yù)先部署一定數(shù)量的潛在的eRRU，再部署一定數(shù)量的RRU。因?yàn)槠渚哂羞m應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的特性，因此稱為智能適配的RRU部署方案，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

在普通區(qū)域，可以均勻部署RRU。在業(yè)務(wù)密集區(qū)域中部署的RRU不與本地云平臺(tái)的基帶池直接相連，而是通過光回程鏈路與該區(qū)域的eRRU進(jìn)行互聯(lián)，并且通過該區(qū)域內(nèi)的潛在eRRU接入本地云平臺(tái)的基帶池。當(dāng)業(yè)務(wù)量需求低、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載少和覆蓋需求小，并且網(wǎng)絡(luò)性能滿足要求的時(shí)候，部署了潛在的eRRU的區(qū)域，不需要增加eRRU的無線信號處理能力。此時(shí)，該區(qū)域內(nèi)所有RRU的無線信號處理和資源都由本地云平臺(tái)集中管控；當(dāng)業(yè)務(wù)量需求增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增多和覆蓋需求變大或者網(wǎng)絡(luò)性能惡化的時(shí)候，觸發(fā)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的自適應(yīng)增強(qiáng)。潛在的eRRU在本地云平臺(tái)的控制下，增加部分無線信號的處理能力，控制該區(qū)域內(nèi)與其相連的RRU的無線信號處理，但是相應(yīng)的無線

資源管理仍然集中在本地云平臺(tái)。同時(shí)，如果eRRU到虛擬基帶池的光纖回程鏈路上的容量超過門限值，就會(huì)觸發(fā)無線信號壓縮處理，以適應(yīng)有限的光回程鏈路帶寬要求。

圖3 基于C-RAN的5G無線接入網(wǎng)架構(gòu)

圖4 智能適配RRU部署方案

3.2 本地云平臺(tái)

本地云平臺(tái)是RRU和后臺(tái)云服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)單元，它們之間通過光纖相互連接。本地云平臺(tái)負(fù)責(zé)管理調(diào)度由一定數(shù)量的RRU組成的“小區(qū)簇（cell cluster）”，如用戶移動(dòng)性管理、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、熱點(diǎn)緩存內(nèi)容分發(fā)等。這可以進(jìn)一步降低C-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和調(diào)度過程的復(fù)雜度。此外，本地云平臺(tái)也要負(fù)責(zé)與其他相鄰本地云平臺(tái)之間的信息交互。該平臺(tái)主要包含以下功能實(shí)體。

（1）感知模塊

未來的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)融合的網(wǎng)絡(luò)，環(huán)境復(fù)雜多變。存儲(chǔ)用戶和網(wǎng)絡(luò)的情景信息是很有必要的。本方案中，“情景感知”是指通過獲取接入方式、用戶位置、優(yōu)先級、應(yīng)用類型等信息。從而準(zhǔn)確判斷用戶需求，同時(shí)根據(jù)用戶行為偏好分配網(wǎng)絡(luò)資源，提高用戶滿意度，自適應(yīng)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，使網(wǎng)絡(luò)趨向智能化。

物聯(lián)網(wǎng)作為未來移動(dòng)通信發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力之一，為5G提供了廣闊的前景。面向2020年及未來，移動(dòng)醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等將會(huì)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用爆發(fā)式增長，數(shù)以千億的設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。如何在資源受限的情況下實(shí)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)測和傳輸如此密集的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)盡可能地減少龐大的數(shù)據(jù)監(jiān)測帶來的信令開銷是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。情景感知通過共享信息而不是直接通信使其成為可能[15]。

此外，未來的5G網(wǎng)絡(luò)中，自定義的個(gè)性化服務(wù)是提升用戶感知的一個(gè)重要組成部分[16]。感知模塊可以通過本地存儲(chǔ)的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取用戶偏好，向用戶定時(shí)推薦最新網(wǎng)絡(luò)信息，并且根據(jù)用戶的反饋不斷調(diào)整，使感知模塊的數(shù)據(jù)更加精確。

（2）緩存模塊

把互聯(lián)網(wǎng)資源放在距離移動(dòng)用戶更近的網(wǎng)絡(luò)邊緣，使得同時(shí)減少網(wǎng)絡(luò)流量和改善用戶體驗(yàn)質(zhì)量成為可能。移動(dòng)多媒體流量的很大部分是一些流行內(nèi)容（如流行音樂、視頻）的重復(fù)下載，因此可以使用新興的緩存和交付技術(shù)，即把流行的內(nèi)容存儲(chǔ)在中間服務(wù)器。這樣，更容易滿足有相同內(nèi)容需求的用戶，而不再從遠(yuǎn)程服務(wù)器重復(fù)地傳輸，因此可以明顯減少冗余流量，緩解核心網(wǎng)的壓力。參考文獻(xiàn)[17]中對“femto caching（毫微微緩存）”概念進(jìn)行了討論和評估，即視頻內(nèi)容通過在家庭基站網(wǎng)絡(luò)中分布式的“緩存輔助”分發(fā)。在本文提出的方案中，本地平臺(tái)可以通過對感知模塊存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測流行度來提高存儲(chǔ)內(nèi)容的命中率。相鄰的本地云平臺(tái)可以存儲(chǔ)不相同的內(nèi)容，它們之間可以實(shí)現(xiàn)共享和交換緩存。

通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)視頻流量的冗余度高達(dá)58%，通過部署緩存服務(wù)器可以大大提高網(wǎng)絡(luò)性能，用戶獲得分發(fā)內(nèi)容所需時(shí)延更小。在杭州數(shù)據(jù)中心的測試結(jié)果表明，通過部署緩存可以減少52%的成本費(fèi)用[18]。

當(dāng)然，有些內(nèi)容不需要存儲(chǔ)多份，而且緩存也不是存儲(chǔ)得越多越好。要在存儲(chǔ)緩存代價(jià)和效益之間做出很好的權(quán)衡，緩存策略對整體緩存性能至關(guān)重要，因此緩存模塊需要注意以下兩點(diǎn)。

·新內(nèi)容不斷到來，流行度和用戶需求不斷改變，要及時(shí)做出合適的緩存選擇。

·服務(wù)連續(xù)性，如切換時(shí)如何從源RRU到目標(biāo)RRU（甚至跨本地云平臺(tái)）之間傳輸內(nèi)容。移動(dòng)感知和預(yù)提取技術(shù)在接入網(wǎng)策略中很有必要。

在未來5G接入網(wǎng)技術(shù)中，D2D是一項(xiàng)新興的關(guān)鍵技術(shù)[19,20]。這會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)緩存策略的改變，用戶可以從相鄰終端獲取緩存內(nèi)容。此時(shí)，緩存效率會(huì)更高，大大減少網(wǎng)間流量，降低運(yùn)營成本。

（3）多網(wǎng)絡(luò)控制和融合實(shí)體

正如上文提及的，5G不是單單一種技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)的，而是一個(gè)泛技術(shù)時(shí)代、多業(yè)務(wù)系統(tǒng)、多接入技術(shù)、多層次覆蓋。多網(wǎng)絡(luò)融合作為5G關(guān)鍵的研究點(diǎn)，已經(jīng)是業(yè)界的共識(shí)。網(wǎng)絡(luò)融合可以增加運(yùn)營商對多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維能力和管控能力，最終提升用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)性能。在本地云平臺(tái)中增加網(wǎng)絡(luò)融合控制實(shí)體來管理和協(xié)調(diào)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)融合效果，從而達(dá)到整體最優(yōu)。圖5所示為一種集中式的多網(wǎng)絡(luò)融合控制實(shí)體框架，主要包括了移動(dòng)性管理、傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)間資源協(xié)調(diào)等。

3.3 后臺(tái)云服務(wù)器

后臺(tái)云服務(wù)器其實(shí)是一個(gè)龐大的服務(wù)器數(shù)據(jù)中心，將這些服務(wù)器劃分為不同的專用虛擬網(wǎng)，負(fù)責(zé)特定的業(yè)務(wù)，如虛擬物聯(lián)網(wǎng)、虛擬OTT（over the top）網(wǎng)、虛擬運(yùn)營商A網(wǎng)、虛擬運(yùn)營商B網(wǎng)等。對服務(wù)器進(jìn)行劃分的目的是為了更好地利用業(yè)務(wù)特性，開發(fā)不同的管理系統(tǒng)，從而更好地滿足業(yè)務(wù)需求。例如，在未來5G網(wǎng)絡(luò)中，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)很重要的業(yè)務(wù)網(wǎng)，其對時(shí)延的要求特別高。因此，虛擬物聯(lián)網(wǎng)下對應(yīng)的服務(wù)器管理和處理所屬本地云平臺(tái)的數(shù)據(jù)時(shí)，管理系統(tǒng)對時(shí)延和差錯(cuò)率的敏感度就會(huì)比較高，系統(tǒng)中所有算法的出發(fā)點(diǎn)都是為了降低時(shí)延，而能耗、頻譜利用率的權(quán)重會(huì)有所降低。而在虛擬運(yùn)營商專用網(wǎng)中，傳統(tǒng)的語音和短信業(yè)務(wù)對這些要求則沒有那么嚴(yán)格，可以適當(dāng)提高能耗、頻譜效率的性能要求。通過高配置、高處理能力的后臺(tái)云服務(wù)器的計(jì)算和管理，在未來5G接入網(wǎng)中，系統(tǒng)性能會(huì)大大提高，為用戶提供更好的服務(wù)。

圖5 多網(wǎng)絡(luò)融合控制實(shí)體框架

4 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

體系結(jié)構(gòu)變革將是新一代無線移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的主要方向?，F(xiàn)有的扁平化、IP化體系結(jié)構(gòu)促進(jìn)了移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展與互聯(lián)網(wǎng)的高度融合，高密度、智能化、可編程則代表了未來移動(dòng)通信演進(jìn)的進(jìn)一步發(fā)展趨勢。為提升其業(yè)務(wù)支撐能力，5G在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面將有新的突破。5G將采用更靈活、更智能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)：超密集部署、虛擬化[21]；控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的SDN架構(gòu)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（content distribution network，CDN），用來改善移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)整體更注重綠色通信，使5G成為前瞻性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4.1 超密集網(wǎng)絡(luò)

在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)和現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)、無線接入技術(shù)共存，如4G、LTE、Wi-Fi等。既有廣泛存在的宏基站，也有為了改善小區(qū)邊緣用戶業(yè)務(wù)質(zhì)量，進(jìn)行熱點(diǎn)覆蓋而密集部署的小蜂窩，如pico、femto等。5G處在一個(gè)多業(yè)務(wù)系統(tǒng)、多接入技術(shù)以及多層次覆蓋的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特性變得極為復(fù)雜。為了應(yīng)對不能再生的頻譜資源，需不斷減小小區(qū)半徑，提高頻譜利用率。根據(jù)預(yù)測，未來無線網(wǎng)絡(luò)中，在宏蜂窩覆蓋下，各種無線傳輸技術(shù)的各類低功率節(jié)點(diǎn)的部署密度將達(dá)到現(xiàn)有站點(diǎn)部署密度的10倍以上，站點(diǎn)之間的距離達(dá)到10 m甚至更小[22～25]，形成超密集網(wǎng)絡(luò)（ultra-dense network，UDN），這給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理、資源分配帶來了巨大挑戰(zhàn)。

對于未來5G復(fù)雜的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，M-RAT之間的干擾、頻譜共享、回傳網(wǎng)絡(luò)等都是值得深入研究的問題。也就是說，5G需要具有環(huán)境和業(yè)務(wù)感知能力，統(tǒng)一自配置、自優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、業(yè)務(wù)需求實(shí)時(shí)感知。并據(jù)此動(dòng)態(tài)地調(diào)整和配置網(wǎng)絡(luò)策略、系統(tǒng)參數(shù)和資源分配，從而實(shí)現(xiàn)不同的類型的站點(diǎn)或不同制式的空中接口動(dòng)態(tài)調(diào)度，使系統(tǒng)可以最優(yōu)地利用各種網(wǎng)絡(luò)資源，為用戶提供最優(yōu)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以給運(yùn)營商帶來巨大的好處，最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)資源配置、開發(fā)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)以及降低運(yùn)營成本等。虛擬化后統(tǒng)一的硬件平臺(tái)將能夠?yàn)橄到y(tǒng)的管理、維護(hù)、擴(kuò)容、升級帶來很多便利。這將使得運(yùn)營商可以更好地支持多種標(biāo)準(zhǔn)，更好地應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)中不同地區(qū)、不同業(yè)務(wù)的潮汐效應(yīng)。因此，相信在未來的5G網(wǎng)絡(luò)中，將會(huì)出現(xiàn)基于實(shí)時(shí)任務(wù)虛擬化技術(shù)的云架構(gòu)集中式基帶池，大大提高資源利用率。在本文提出的5G無線接入網(wǎng)部署方案中，主要采取了兩種虛擬化技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)覆蓋虛擬化和數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器虛擬化。

網(wǎng)絡(luò)覆蓋虛擬化：此時(shí)RRU不再固定地屬于哪個(gè)BBU，對用戶來說也不再關(guān)心使用的是哪種接入技術(shù)（2G、3G、LTE、Wi-Fi等），即小區(qū)虛擬化。RRU上傳數(shù)據(jù)分組后，本地云平臺(tái)基帶池立即啟用調(diào)度算法，分配到合適的BBU處理。

服務(wù)器虛擬化：后臺(tái)服務(wù)器組成專用虛擬物聯(lián)網(wǎng)、虛擬OTT網(wǎng)、虛擬運(yùn)營商網(wǎng)等。虛擬專用網(wǎng)的最大優(yōu)勢是根據(jù)業(yè)務(wù)對時(shí)延、差錯(cuò)率的敏感度不同充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。服務(wù)器虛擬化在全球已經(jīng)開展了廣泛的研究，例如日本的NTT研發(fā)的Virtual Network Controller Version，主要用于多個(gè)數(shù)據(jù)中心的統(tǒng)一服務(wù)和按需配置，已在其歐洲、美國和日本的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了虛擬數(shù)據(jù)中心的部署。

目前主要有兩種解決方案實(shí)現(xiàn)虛擬化功能：SDN（software defined network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）和NFV（network function virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）。

4.2.1 SDN

SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要思想是將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離，并實(shí)現(xiàn)可編程化控制。典型的SDN架構(gòu)定義如圖6所示。

在現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，基站、服務(wù)網(wǎng)關(guān)、分組網(wǎng)關(guān)除完成數(shù)據(jù)平面的功能外，還需要參與一些控制平面的功能，如無線資源管理、移動(dòng)性管理等，在各基站的參與下完成，形成分布式的控制功能，網(wǎng)絡(luò)沒有中心式的控制器，使得與無線接入相關(guān)的優(yōu)化難以完成，并且各廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如基站等往往配備制造商自己定義的配置接口，需要通過復(fù)雜的控制協(xié)議來完成其配置功能，并且其配置參數(shù)往往非常多，配置和優(yōu)化以及網(wǎng)絡(luò)管理非常復(fù)雜，使得運(yùn)營商對自己部署的網(wǎng)絡(luò)只能進(jìn)行間接控制，業(yè)務(wù)創(chuàng)新方面能力嚴(yán)重受限。

SDN將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟硬件的一體化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈讓痈咝阅艽鎯?chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)和上層高智能靈活調(diào)度的架構(gòu)，對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求就是更簡單的功能、更高的性能，上層的智能化策略和功能則以軟件方式提供。也就是說，SDN在承載網(wǎng)上可以增強(qiáng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)能力、加速網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)、促進(jìn)云數(shù)據(jù)中心/云應(yīng)用協(xié)同，從而對基礎(chǔ)設(shè)施演進(jìn)和客戶體驗(yàn)提升兩大維度發(fā)揮重大作用。這一點(diǎn)與移動(dòng)通信系統(tǒng)的整體發(fā)展趨勢一致。運(yùn)營商可以利用這一優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)虛擬化、軟件化。因此，將SDN的概念引入無線網(wǎng)絡(luò)，形成軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)，是無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向[6]。SDN作為未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的重要趨勢，已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注和認(rèn)可[26]。

此外，隨著接入網(wǎng)的演進(jìn)和發(fā)展，可以利用SDN預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)化接口，針對不同網(wǎng)絡(luò)狀況開發(fā)對應(yīng)的應(yīng)用，提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的互操作性，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能和用戶感知。

4.2.2 NFV

和SDN始于研究者和數(shù)據(jù)中心不同，NFV則是由運(yùn)營商聯(lián)盟提出，應(yīng)用目標(biāo)也是運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)。很多機(jī)構(gòu)對NFV已經(jīng)進(jìn)行了廣泛深入的研究，如ETSI成立了專門的NFV研究組，然而目前還沒有發(fā)布關(guān)于NFV的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化通過分離數(shù)據(jù)和控制平面，部署標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，使得許多移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的軟件可以按需安裝、修改、卸載，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)擴(kuò)展。這與SDN數(shù)據(jù)中心的理念是一致的，因此，SDN相關(guān)的技術(shù)可以給運(yùn)營商帶來更簡單、更靈活和更具成本效益的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營。NFV能夠?yàn)镾DN的運(yùn)行提供基礎(chǔ)架構(gòu)的支持，在將來，NFV可以和SDN的目標(biāo)緊密聯(lián)系在一起，二者協(xié)同工作。

4.3 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的復(fù)雜性不斷提升，為了減少內(nèi)容服務(wù)器到客戶端的時(shí)延，提高用戶體驗(yàn)質(zhì)量，解決服務(wù)器與客戶端能力與資源的不對稱性，業(yè)內(nèi)提出了致力于解決互聯(lián)網(wǎng)訪問質(zhì)量的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）。CDN的思想是將內(nèi)容代理服務(wù)器部署于多個(gè)ISP（internet service provider）內(nèi)，從而降低跨域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)延。通過在網(wǎng)絡(luò)中采用緩存服務(wù)器，并將這些緩存服務(wù)器分布到用戶訪問相對集中的地區(qū)或網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量和各節(jié)點(diǎn)的連接、負(fù)載狀況以及到用戶的距離和響應(yīng)時(shí)間等綜合信息將用戶的請求重新導(dǎo)向離用戶最近的服務(wù)節(jié)點(diǎn)上，使用戶可就近取得所需內(nèi)容，解決Internet擁擠的狀況，提高用戶訪問網(wǎng)站的響應(yīng)速度[27]。在2006年國際電信聯(lián)盟（ITU）就已經(jīng)將CDN納入標(biāo)準(zhǔn)化文檔體系內(nèi)[28]。此外，在5G時(shí)代，擁有龐大數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展以及高清視頻的普及，使得移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來越大，內(nèi)容越來越多，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。因此，在無線網(wǎng)絡(luò)中采用CDN技術(shù)成為自然的選擇，其在各類無線網(wǎng)絡(luò)中得以應(yīng)用[29,30]。CDN也成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢之一，是研究5G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的技術(shù)。

圖6 典型SDN架構(gòu)

然而，由于內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)以及5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜異構(gòu)性，仍需要針對內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的安全性等展開研究，進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體的速度、頑健性與安全性。

4.4 綠色通信

綠色通信是指高效利用頻譜資源、減少功率、減低排放和污染、節(jié)省能源。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，頻譜作為稀缺資源，一直被人們關(guān)注。此外，由于頻段劃分造成的零散片段給頻譜資源造成很大浪費(fèi)，使得本來就稀缺的頻譜資源變得越來越緊張。因此，可以通過認(rèn)知無線電動(dòng)態(tài)地檢測空置頻譜，實(shí)現(xiàn)靈活使用，同時(shí)不斷研究先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，提高頻譜利用率。

另一方面，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，基站的耗電量在運(yùn)營商耗電總量中占據(jù)絕大部分，所以如何對基站進(jìn)行節(jié)能將會(huì)是未來移動(dòng)通信網(wǎng)亟待解決的問題。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載隨著時(shí)間變化，流量呈現(xiàn)出“潮汐效應(yīng)”，如果給RRU設(shè)置相同的功率來滿足最大負(fù)荷會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)?？梢圆捎媚芰坑行缘馁Y源管理技術(shù)，利用感知中心存儲(chǔ)的用戶終端和網(wǎng)絡(luò)上報(bào)的參數(shù)配置，在保證高效性的用戶QoS和網(wǎng)絡(luò)的性能的同時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率和遷移用戶，最大化減少能耗。

5 結(jié)束語

隨著移動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展和通信網(wǎng)的不斷演進(jìn)，傳統(tǒng)蜂窩架構(gòu)的接入網(wǎng)面臨巨大的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響了通信網(wǎng)系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)質(zhì)量。未來5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)是一個(gè)提供“無限容量感知”的系統(tǒng)，這就對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提出了一些要求。C-RAN是為解決以上挑戰(zhàn)而提出的解決方案之一，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢來看，C-RAN是最能滿足5G要求的接入網(wǎng)架構(gòu)。因此，本文在總結(jié)一些先進(jìn)方案的基礎(chǔ)上提出了基于C-RAN的無線接入網(wǎng)架構(gòu)——eC-RAN，并且進(jìn)一步闡述了5G移動(dòng)通信系統(tǒng)潛在的關(guān)鍵技術(shù)，包括UDN、虛擬化（SDN、NFV）、CDN和綠色通信，為5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究提供參考。

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