面向未來移動通信的超蜂窩網絡架構

提出了一種面向未來移動通信的超蜂窩網絡架構設計，其核心技術包括：超蜂窩無線組網技術、接入網虛擬小區技術和云平臺支撐技術。超蜂窩無線組網技術的特點是空口控制與業務覆蓋的分離，進而演進為對空口資源和流程的重構；接入網虛擬小區技術的特點是處理邏輯與空口覆蓋的分離，進而演進為以用戶為中心、結合SDN（Software-defined networking，軟件定義網絡）技術的接入網處理重構；云平臺支撐技術的特點是接入網處理與計算資源的分離，進而演進為面向運營、平臺化和虛擬化的計算重構。超蜂窩網絡架構的設計與大規模天線陣、高頻段大帶寬通信的新興物理層傳輸技術有很好的統一性，并且衍生出了一些新穎的跨層跨域的統一研究方法。

超蜂窩網絡架構；虛擬化；平臺化；空口覆蓋分離；接入網處理重構；接入網計算重構；大規模天線陣

從2008年開始，移動通信行業迎來了一輪前所未有的數據業務大爆炸時期，不僅移動數據業務經歷了快速增長，移動業務特征也發生了顛覆性的變化。這種增長速度超乎于5年前所有分析師的預測，甚至ITU-R也不得不修正其在2005年發布報告M.2072中的預測[1]。ITU-R回顧了2005—2011年的行業發展，并在2012年出版的M.2243[2]中修正其預測，其關鍵結論有：

·移動數據業務大爆炸比M.2072的預測早兩年發生。

·現實中移動數據業務流量5倍于M.2072預測的上軌。

·2012年運營商承受的業務壓力，在此前的預測中到2020年才會發生。

·M.2072中預測移動數據業務總量將在2015年超越移動話音業務，事實上，這個情形在2009年已經發生。

進而，ITU-R綜合了若干咨詢公司的分析報告給出了新的預測：移動數據業務的年化增長率（CAGR）將超過158%，從而移動通信業務總量將在2020年超過現有規模的1 000倍，在2030年超過10 000倍，與此對應的將是蜂窩小區的空前密集部署，對移動通信的峰值速率和業務延遲都有更高的要求。此外，終端數量飽和之后還會進一步形成對消費者的包圍，應用種類進一步滲透生活的方方面面，多種無線接入技術（RAT）形成統一移動通信網絡服務。所有的這一切都意味著普適通信（Pervasive Communication）時代的到來，與此對應，5G要求更直接的用戶感受（QoE），比如：小于1 ms的接入時延、網絡自組織和自調整、更安全的網絡、更豐富的通信方式。

隨著移動數據業務超越移動語音業務，相應的總體業務模式和網絡特性發生了變化，來自不同類型用戶的業務貢獻也有所不同，不同地理位置上的業務分布也極大不同，不同的業務種類在時間上也有不同的變化模式。這種快速增長和業務的高度變化性和不均與特征，很快就對傳統的移動通信技術和網絡架構產生了挑戰。

下一代網絡架構的設計如何滿足爆炸式的容量需求、快速的發展速度和多樣化的業務需求，與此同時，還需要應對逐漸走低的數據業務收入和隨之而來的巨額基礎建設投資；如何降低運營成本（OPEX）和資本性支出（CAPEX）成為課題。

由此可見，2020年后5G網絡架構面臨的是一個多維的需求維度，傳統的單一維度評價準則已不適用。我們可將5G移動通信網絡架構面臨的多維需求概括為：

（1）域效

5G網絡架構需要能有效地在不同地理位置部署蜂窩小區，以適應巨大的數據業務密度要求。

（2）譜效

因為數據業務的數據速率與用戶QoE有很直接的關聯，所以人們追求在小區內任意位置都能獲得滿意的QoE，所以對移動通信效率的關注點從傳統的峰值頻譜效率（PSE）轉換到了小區頻譜效率（CSE）。

（3）能效

隨著人們對綠色通信的期望，系統的平均每比特能耗也是關注熱點之一。

（4）體驗

用戶的真實業務體驗已經不再直接映射為峰值速率和業務延遲等指標，5G網絡架構需要能以用戶感受為優化目標自適應地對網絡進行管理。

（5）彈性

彈性即網絡可擴展性。新業務快速部署，后向兼容和一致性等對5G網絡架構的彈性設計的需求，是為了應對業務種類的快速演進和業務容量的增長速度。

1 面向新需求的移動通信

新技術

為了應對上述來自業務需求層面的挑戰，近年來已經有很多新技術出現：

（1）空口覆蓋的分離設計——信令與業務分離的異構組網技術

根據無線接入中不同信道的特征和需求，對其采用不同的組網方式，并在統一的系統架構下相互協作。這是一種由來已久從組網實踐中發展出來的技術，TD-SCDMA技術標準中從N頻點組網到多載波HSPA技術[3-4]，都對分離覆蓋有所考慮；清華大學從綠色通信的角度，提出了控制信息的廣域覆蓋與業務數據的密集覆蓋這種超蜂窩無線組網技術[5]；LTE-A中的異構網絡（Hetnet）組網方案[6]；DOCOMO提出的Phantom Cell主要考慮低頻宏站廣域覆蓋，輔助高頻小基站局部覆蓋，滿足對LTE網絡的容量增長需求[7]。分離是為了實現多系統、多網絡、多覆蓋間的資源協作，以控制信令無縫覆蓋來保障業務基站動態、柔性（按需）覆蓋。

（2）接入網處理的分離設計——協作處理技術

接入網處理與小區相分離，比如協作多點發送與接收（CoMP）中用戶數據的接收處理已經脫離某一個小區的范疇，而是多個小區聯合進行處理[8]；分布式無線通信系統（DWCS）中的以用戶為中心的分布式天線系統設計[9]，嘗試了空口信號與基站分離；比如超蜂窩無線組網方案中控制與業務異質覆蓋對應的接入網處理中控制與業務的處理已經脫離某一具體實體小區，而是與以用戶為中心的虛擬小區相對應，但也面對一些技術挑戰，比如高質量、實時前端回傳（Front-haul）網絡支持。endprint

（3）接入網計算的分離設計——接入網虛擬化技術

接入網的處理邏輯與具體計算資源的分離，比如云接入網（C-RAN）中的虛擬化技術[10]使得接入網處理可以平滑分布在通用處理器和硬件加速器卡上，某一虛擬小區的處理不再綁定某一特定硬件，而是可以平滑在計算資源間遷移，最終形成開放、實時無線云計算平臺。

清華大學最近提出的5G超蜂窩網絡架構，基于上述3種技術，將其概括為移動通信網絡3個域的“重構”，形成統一的5G網絡架構中的3個基礎技術。

1.1 空口的覆蓋重構

覆蓋又可分為資源的覆蓋和流程的覆蓋：

（1）下行資源的定義包括不同的頻帶（Band）、不同的RAT、不同的空間資源（大尺度蜂窩復用與準靜態小尺度空分復用），從而形成一個可被管理的多維資源體系。

（2）上行由網絡對用戶資源及其覆蓋進行感知和接收，形成以用戶為中心的資源復用體系。

（3）流程的覆蓋有如下幾個例子，一是將一些控制和信令用魯棒性控制進行全局覆蓋，一是載波偵聽多址接入/碰撞檢測（CSMA/CD）與隨機接入信道（RACH）流程結合的以用戶為中心的接入感知，以及用資源分配的變化代替切換的非顯式切換流程等等。

由于上述控制的全局覆蓋對上下行資源的覆蓋的集中控制，再加上大規模矩陣處理大幅減少干擾，從而改變了無線組網的干擾模型。上述控制與業務的分離覆蓋，符合接入網的軟件定義網絡（SDN）趨勢，使得以用戶需求與特征為中心動態調整資源及其覆蓋成為可能。超蜂窩網絡架構——空口覆蓋重構如圖1所示。

1.2 接入網的處理重構

接入網處理以用戶為中心，而不是以覆蓋為組織方式。SDN化處理框架也使得接入網處理，與核心網轉發與移動性管理（Forwarding/Mobility）處理[11]統一起來。超蜂窩網絡架構——接入網處理重構如圖2所示。圖2將接入網分為兩個部分：

（1）泛化射頻前端（RRU），負責資源及其覆蓋的形成和用戶向資源的投射。

（2）泛化基帶處理單元（BBU），負責用戶相關處理，用戶面/控制面/管理面不同的處理過程與架構定義，例如，用戶面可集中計算，但是每用戶單獨處理，管理面集中處理，控制面/管理面與SDN結合。即可解決IP Forwarding/Mobility的問題，而不用定義新的網元。全局化管理面負責全局數據和全局編程，控制面不對用戶面進行編程，而只是配置其參數（這里編程定義為處理邏輯的改變）。

1.3 接入網的計算重構

借鑒IT領域的云計算理念[12]，這部分（如圖3所示）也有3個層面。

（1）虛擬化

類似云計算的基礎設施即服務（IaaS），隔離上層用戶面/控制面/管理面（U/C/M）處理與底層的計算、存儲和傳輸資源。

（2）平臺化

類似云計算的平臺即服務（PaaS），包括中央統一數據庫、數據挖掘引擎等基礎服務，支持接入網處理的可重構、可編程等特性。

（3）服務化

類似云計算的軟件即服務（SaaS），這里提出網絡即服務（NaaS），編排器（Orchestra）按需串接或編程資源，動態構建服務。

SDN技術在平臺層有很明顯的體現，比如集中式管理面，數據集中的分布式控制面，以用戶為組織方式的用戶面，從而允許以用戶為中心對資源進行動態調配以適應用戶的需求和行為。

2 5G超蜂窩網絡架構

以上3種技術方向不是孤立的，而是相互關聯互相影響的，我們將上述3個重要的技術演進方向勾勒為一個5G的超蜂窩網絡架構全貌，如圖4所示。

5G超蜂窩網絡架構主要的技術特征有：面向運營、以用戶為中心、多域虛擬化、平臺支撐的軟件定義接入網處理和空口無線組網的高彈性覆蓋設計。

2.1 5G超蜂窩網絡架構關鍵問題

在上述3個研究方向下，衍生出如下5個關鍵技術點：

（1）超蜂窩無線組網方案之空口流程重定義，其關鍵技術是控制信息與業務數據的在異質覆蓋下的流程重構。

（2）超蜂窩無線組網方案之空口資源重定義，其關鍵技術是以用戶為中心的空口信號設計。

（3）超蜂窩接入網處理之以用戶為中心的虛擬小區，主要作用是管理面、控制面以及用戶面處理的劃分和互動。

（4）超蜂窩接入網處理之接入網與核心網的融合和統一設計，需要統一的SDN處理框架。

（5）超蜂窩接入網平臺之虛擬化和平臺化技術，重點研究以用戶為中心的多域虛擬化技術，包括不同類型計算需求在不同類型計算資源上的調配技術，以及跟隨業務或網絡行為的智能遷移技術；研究端到端可重構技術、控制面與用戶面處理分離的保障技術以及管理面跨層多域協同的保障技術等。

2.2 5G超蜂窩網絡架構關鍵問題的

關聯性和特點

幾個技術點之間的相互聯系可以用圖5來說明。

超蜂窩無線組網架構空口流程設計（HCA-Flow）和超蜂窩無線組網架構空口信號/資源設計（HCA-Signal）形成5G超蜂窩無線組網方案，有不同的側重，但又互相補充。比如空口流程的重定義離不開空口資源的靈活劃分，空口資源的重定義同樣離不開高彈性空口流程的組織和調度。

協作式接入網架構無線網（CAN-WNW）與HCA-Signal/Flow是映射關系，同樣的數據面和控制面分離技術在兩個關鍵技術中都有所研究，但是HCA-Signal/Flow側重為了滿足網絡性能指標的邏輯定義，而CAN-WNW側重為了構建高彈性可重構的接入網而對不同類型的處理進行解耦以及耦合。簡單來說，HCA-Signal/Flow的空口邏輯定義向CAN-WNW的接入網處理提出需求，CAN-WNW將HCA-Signal/Flow實現在接入網中；CAN-WNW的接入網處理框架特性，對HCA-Signal/Flow的空口技術體制的定義所有約束和促進。endprint

CAN-WNW-IP與CAN-WNW同屬于5G接入網設計，一個側重業務和移動性管理，一個側重空口的處理。但同時，CAN-WNW-IP所研究的移動互聯網業務和行為，對CAN-WNW或HCA-Signal/Flow也會有所影響，所謂跨層多域協同和以用戶QoE為標的的網絡資源調配和管理。

協作式接入網架構平臺化/虛擬化（CAN-Platform/Virt）對CAN-WNW和CAN-WNW-IP有直接的支撐作用，CAN-WNW和CAN-WNW-IP的處理邏輯設計，提煉出公共的平臺性需求形成CAN-Platform/Virt的研究范疇，同時CAN-Platform/Virt引入和借鑒IT領域的技術又可以對CAN-WNW和CAN-WNW-IP的技術體制的定義有所約束和支撐，進而影響到HCA-Signal/Flow技術體制的定義。

3 5G超蜂窩網絡架構與

物理層新技術

3.1 一致設計

圖2中已經將傳統的BBU以及RRU的功能和定義做了擴展。其中，RRU中除了具有傳統RRU的射頻前端的能力外，還負責系統資源的映射，比如從用戶數據向時間、頻率和空間等資源的映射，其映射指令來自于BBU，但是RRU負責對系統資源進行維護。BBU負責對系統資源的管理和用戶數據鏈的處理。這種劃分方式可以簡化BBU與RRU之間的數據傳輸壓力，同時具有較好的可擴展性。按照上述的BBU和RRU定義，給出一種初步的組網方案，如圖6所示。對應小基站（Small cell）組網[13]、分布式天線或分布式大規模天線陣（Large Scale MIMO）[14]。

其中，圖6中的鏈路都是通用公共無線接口（CPRI）鏈路，具有數據傳輸能力，時鐘和頻率同步能力以及管理和運維（O&M）傳輸能力。BBU0和BBU1在空口劃分大的控制域，控制域之間可以有重疊，用戶從控制域之間通過L3信令進行切換。BBU控制域內存在大量的RRU，每個RRU有完整的時間和頻率資源，空間資源需要一個或多個RRU之間協同定義。RRU具有級聯和聚合能力，對于相同的用戶流可以聚合，對于不同的用戶流則需要額外的傳輸資源，由于每個RRU具有的級聯傳輸能力是有限的，或者說RRU空口覆蓋對應的業務是動態變化的，則RRU需要具有2條向上的連接路徑，比如一個末端RRU可以通過兩個級聯RRU最終接入BBU。

CPRI交換單元（SWITCH）具有交換能力但不具有覆蓋能力的設備，SWITCH之間可以星形組網。從RRU級聯以及SWITCH之間組網的交換邏輯由BBU通過SDN的方式或者靜態方式進行設置。BBU中有集中控制單元，負責網絡資源的控制和調度，也有分布式的以用戶流為單位的處理單元。由于用戶流中的數據流需要密集計算，所以完全分布式處理，而用戶流中的對等控制流屬于邏輯密集型，雖然是按照用戶劃分完全獨立的，但是可以集中處理。

與上述接入網架構對應的空口覆蓋圖景如圖1?；究梢哉J為用戶流中的對等控制流需要一個全局覆蓋，比如L2/L3的信令，L2/L3的信令傳輸獨立于用戶流中的業務流，在以往的系統中，包括LTE，通過某種時序關系，隱含了對等控制流與業務流之間的一一對應關系，這里為了靈活和可擴展性，假設對等控制流如果對用戶流處理有所設置，總是需要指定具體的業務流的時序和標識。對等控制流總是有比業務流更高的優先級，其性能和時延優先，容量次之。而業務流則按照指定的優先級，一般來說容量/速率優先。

3.2 一致設計帶來的新思路

這種架構設計，將大規模天線陣列（傳統認為是空口物理層傳輸層面的設計）與接入網的SDN化以及空口網絡架構的超蜂窩化（控制覆蓋與業務覆蓋的分離這種異構設計，空口的Small Cell化以及CoMP化趨勢）相統一，從而使得上述3個研究領域可以在新的層面統一進行研究。

（1）信道狀態信息（CSI）構成的大規模多維稀疏矩陣[15]，用一個比較規整的數據模型將上述鏈路級和系統級問題統一起來，里面會蘊含大量的系統級問題，比如功率控制、自適應調度等等，不再是單純的鏈路級求逆問題，而可以采用大量系統級算法，比如Genetic算法、Greedy算法、Heuristic算法等。

（2）SDN化的原則：特征數據集中化，比如CSI；用戶流數據本地化，比如分布式預編碼（Precoding）。

（3）如果稀疏矩陣的處理可以分解為迭代式的話，就完全可以在RRU中分布式處理，而不需要在BBU中集中處理。

（4）空口的異構設計中，大區覆蓋主要針對L2/L3等用戶控制數據的覆蓋，切換只發生在大區之間，在RRU覆蓋范圍內不觸及切換，只會引起RRU Precoding稀系數的平滑改變。

（5）上述網絡設計有較好的可擴展性，BBU只有用戶流的處理和對天線數據（CSI）的集中化處理；而天線的處理在RRU內部或通過RRU聚合消化掉。

4 結束語

類似10年前的Internet大發展，移動通信需求端正經歷一場變革，并將改變移動通信行業的生態環境。在此移動數據業務大爆炸時代，運營商所遭遇的困境在于：盡管移動數據業務總量經歷著快速增長，營收增長卻經歷不匹配的低速增長。其可能的原因有：下滑的每用戶平均收入（ARPU），移動用戶增長的飽和等。由于OPEX跟隨數據業務總量增長的速度，運營商的利潤也就因此而反方向下降[16]。

一些分析師按照運營經濟學的方式仔細分析現狀，并不約而同給出了非常相似的解決方案，其關鍵詞就是：網絡共享、外包、智能網管、移動虛擬運營商（MVNO）等。前3個主要是通過合作模式來壓縮成本，第4種手段主要通過合作模式來發現新的服務類型。無論是提高運營效率還是采用智能網絡管理，所有這些手段背后的思路都是通過在運營的不同層面（例如，建設、運營、網絡優化和業務推廣）采用合作模式來尋求成本削減。這種傾向可以進一步拓展為一種變革性運營模式，正如移動互聯網和智能手機行業所采用的那樣，合作與競爭并重。相比傳統模式（封閉與集中化），這將是一種健康的發展模式（開放與多元化）。進而，這種變遷的模式迫切需要一種變革性網絡架構，來支持和幫助移動通信行業向健康發展模式的遷移。這種網絡架構解決方案的核心就是虛擬化、平臺化和面向服務化，正如Internet領域發展出的云計算技術一樣?？傊?，電信行業需要具有競爭合作模式的變革性網絡架構，來解決需求端革命與運營利潤現狀之間的深刻矛盾，其基本思路就是采用IT界的方法論，采用具有虛擬化、平臺化以及面向服務化特質的解決方案。

從這個意義上，5G超蜂窩網絡架構及其技術路線會深刻的影響具體網絡技術，進而影響網絡的建設和運營模式等。從標準化角度，網絡架構參考模型為網絡技術確定標準文本的組織方式；從系統研發角度，網絡架構參考模型決定系統設計劃分原則，以及從標準向實現的遷移方式，比如，標準中ASN.1[17]的采用使得協議層編解碼器的自動化成為可能，IEEE 802.11所定義層間原語極大的影響了Wi-Fi領域存在的大量技術創新；從網絡建設角度，網絡架構參考模型[18]決定了某種具體網絡的工程建設模式（全局集中建設還是分擔式共建）；從網絡運營角度，網絡架構參考模型決定了成本與收益模式；從產業格局角度，網絡架構參考模型影響了行業的組織方式。

所以，5G超蜂窩網絡架構及其關鍵技術的研究，不僅能從技術層面滿足業務層面對5G移動通信系統的需求，更能從經濟和社會層面解決運營經濟學中所面臨的困境，進而促進移動通信行業的發展。endprint

CAN-WNW-IP與CAN-WNW同屬于5G接入網設計，一個側重業務和移動性管理，一個側重空口的處理。但同時，CAN-WNW-IP所研究的移動互聯網業務和行為，對CAN-WNW或HCA-Signal/Flow也會有所影響，所謂跨層多域協同和以用戶QoE為標的的網絡資源調配和管理。

協作式接入網架構平臺化/虛擬化（CAN-Platform/Virt）對CAN-WNW和CAN-WNW-IP有直接的支撐作用，CAN-WNW和CAN-WNW-IP的處理邏輯設計，提煉出公共的平臺性需求形成CAN-Platform/Virt的研究范疇，同時CAN-Platform/Virt引入和借鑒IT領域的技術又可以對CAN-WNW和CAN-WNW-IP的技術體制的定義有所約束和支撐，進而影響到HCA-Signal/Flow技術體制的定義。

3 5G超蜂窩網絡架構與

物理層新技術

3.1 一致設計

圖2中已經將傳統的BBU以及RRU的功能和定義做了擴展。其中，RRU中除了具有傳統RRU的射頻前端的能力外，還負責系統資源的映射，比如從用戶數據向時間、頻率和空間等資源的映射，其映射指令來自于BBU，但是RRU負責對系統資源進行維護。BBU負責對系統資源的管理和用戶數據鏈的處理。這種劃分方式可以簡化BBU與RRU之間的數據傳輸壓力，同時具有較好的可擴展性。按照上述的BBU和RRU定義，給出一種初步的組網方案，如圖6所示。對應小基站（Small cell）組網[13]、分布式天線或分布式大規模天線陣（Large Scale MIMO）[14]。

其中，圖6中的鏈路都是通用公共無線接口（CPRI）鏈路，具有數據傳輸能力，時鐘和頻率同步能力以及管理和運維（O&M）傳輸能力。BBU0和BBU1在空口劃分大的控制域，控制域之間可以有重疊，用戶從控制域之間通過L3信令進行切換。BBU控制域內存在大量的RRU，每個RRU有完整的時間和頻率資源，空間資源需要一個或多個RRU之間協同定義。RRU具有級聯和聚合能力，對于相同的用戶流可以聚合，對于不同的用戶流則需要額外的傳輸資源，由于每個RRU具有的級聯傳輸能力是有限的，或者說RRU空口覆蓋對應的業務是動態變化的，則RRU需要具有2條向上的連接路徑，比如一個末端RRU可以通過兩個級聯RRU最終接入BBU。

CPRI交換單元（SWITCH）具有交換能力但不具有覆蓋能力的設備，SWITCH之間可以星形組網。從RRU級聯以及SWITCH之間組網的交換邏輯由BBU通過SDN的方式或者靜態方式進行設置。BBU中有集中控制單元，負責網絡資源的控制和調度，也有分布式的以用戶流為單位的處理單元。由于用戶流中的數據流需要密集計算，所以完全分布式處理，而用戶流中的對等控制流屬于邏輯密集型，雖然是按照用戶劃分完全獨立的，但是可以集中處理。

與上述接入網架構對應的空口覆蓋圖景如圖1?；究梢哉J為用戶流中的對等控制流需要一個全局覆蓋，比如L2/L3的信令，L2/L3的信令傳輸獨立于用戶流中的業務流，在以往的系統中，包括LTE，通過某種時序關系，隱含了對等控制流與業務流之間的一一對應關系，這里為了靈活和可擴展性，假設對等控制流如果對用戶流處理有所設置，總是需要指定具體的業務流的時序和標識。對等控制流總是有比業務流更高的優先級，其性能和時延優先，容量次之。而業務流則按照指定的優先級，一般來說容量/速率優先。

3.2 一致設計帶來的新思路

這種架構設計，將大規模天線陣列（傳統認為是空口物理層傳輸層面的設計）與接入網的SDN化以及空口網絡架構的超蜂窩化（控制覆蓋與業務覆蓋的分離這種異構設計，空口的Small Cell化以及CoMP化趨勢）相統一，從而使得上述3個研究領域可以在新的層面統一進行研究。

（1）信道狀態信息（CSI）構成的大規模多維稀疏矩陣[15]，用一個比較規整的數據模型將上述鏈路級和系統級問題統一起來，里面會蘊含大量的系統級問題，比如功率控制、自適應調度等等，不再是單純的鏈路級求逆問題，而可以采用大量系統級算法，比如Genetic算法、Greedy算法、Heuristic算法等。

（2）SDN化的原則：特征數據集中化，比如CSI；用戶流數據本地化，比如分布式預編碼（Precoding）。

（3）如果稀疏矩陣的處理可以分解為迭代式的話，就完全可以在RRU中分布式處理，而不需要在BBU中集中處理。

（4）空口的異構設計中，大區覆蓋主要針對L2/L3等用戶控制數據的覆蓋，切換只發生在大區之間，在RRU覆蓋范圍內不觸及切換，只會引起RRU Precoding稀系數的平滑改變。

（5）上述網絡設計有較好的可擴展性，BBU只有用戶流的處理和對天線數據（CSI）的集中化處理；而天線的處理在RRU內部或通過RRU聚合消化掉。

4 結束語

類似10年前的Internet大發展，移動通信需求端正經歷一場變革，并將改變移動通信行業的生態環境。在此移動數據業務大爆炸時代，運營商所遭遇的困境在于：盡管移動數據業務總量經歷著快速增長，營收增長卻經歷不匹配的低速增長。其可能的原因有：下滑的每用戶平均收入（ARPU），移動用戶增長的飽和等。由于OPEX跟隨數據業務總量增長的速度，運營商的利潤也就因此而反方向下降[16]。

一些分析師按照運營經濟學的方式仔細分析現狀，并不約而同給出了非常相似的解決方案，其關鍵詞就是：網絡共享、外包、智能網管、移動虛擬運營商（MVNO）等。前3個主要是通過合作模式來壓縮成本，第4種手段主要通過合作模式來發現新的服務類型。無論是提高運營效率還是采用智能網絡管理，所有這些手段背后的思路都是通過在運營的不同層面（例如，建設、運營、網絡優化和業務推廣）采用合作模式來尋求成本削減。這種傾向可以進一步拓展為一種變革性運營模式，正如移動互聯網和智能手機行業所采用的那樣，合作與競爭并重。相比傳統模式（封閉與集中化），這將是一種健康的發展模式（開放與多元化）。進而，這種變遷的模式迫切需要一種變革性網絡架構，來支持和幫助移動通信行業向健康發展模式的遷移。這種網絡架構解決方案的核心就是虛擬化、平臺化和面向服務化，正如Internet領域發展出的云計算技術一樣?？傊?，電信行業需要具有競爭合作模式的變革性網絡架構，來解決需求端革命與運營利潤現狀之間的深刻矛盾，其基本思路就是采用IT界的方法論，采用具有虛擬化、平臺化以及面向服務化特質的解決方案。

從這個意義上，5G超蜂窩網絡架構及其技術路線會深刻的影響具體網絡技術，進而影響網絡的建設和運營模式等。從標準化角度，網絡架構參考模型為網絡技術確定標準文本的組織方式；從系統研發角度，網絡架構參考模型決定系統設計劃分原則，以及從標準向實現的遷移方式，比如，標準中ASN.1[17]的采用使得協議層編解碼器的自動化成為可能，IEEE 802.11所定義層間原語極大的影響了Wi-Fi領域存在的大量技術創新；從網絡建設角度，網絡架構參考模型[18]決定了某種具體網絡的工程建設模式（全局集中建設還是分擔式共建）；從網絡運營角度，網絡架構參考模型決定了成本與收益模式；從產業格局角度，網絡架構參考模型影響了行業的組織方式。

所以，5G超蜂窩網絡架構及其關鍵技術的研究，不僅能從技術層面滿足業務層面對5G移動通信系統的需求，更能從經濟和社會層面解決運營經濟學中所面臨的困境，進而促進移動通信行業的發展。endprint

CAN-WNW-IP與CAN-WNW同屬于5G接入網設計，一個側重業務和移動性管理，一個側重空口的處理。但同時，CAN-WNW-IP所研究的移動互聯網業務和行為，對CAN-WNW或HCA-Signal/Flow也會有所影響，所謂跨層多域協同和以用戶QoE為標的的網絡資源調配和管理。

協作式接入網架構平臺化/虛擬化（CAN-Platform/Virt）對CAN-WNW和CAN-WNW-IP有直接的支撐作用，CAN-WNW和CAN-WNW-IP的處理邏輯設計，提煉出公共的平臺性需求形成CAN-Platform/Virt的研究范疇，同時CAN-Platform/Virt引入和借鑒IT領域的技術又可以對CAN-WNW和CAN-WNW-IP的技術體制的定義有所約束和支撐，進而影響到HCA-Signal/Flow技術體制的定義。

3 5G超蜂窩網絡架構與

物理層新技術

3.1 一致設計

圖2中已經將傳統的BBU以及RRU的功能和定義做了擴展。其中，RRU中除了具有傳統RRU的射頻前端的能力外，還負責系統資源的映射，比如從用戶數據向時間、頻率和空間等資源的映射，其映射指令來自于BBU，但是RRU負責對系統資源進行維護。BBU負責對系統資源的管理和用戶數據鏈的處理。這種劃分方式可以簡化BBU與RRU之間的數據傳輸壓力，同時具有較好的可擴展性。按照上述的BBU和RRU定義，給出一種初步的組網方案，如圖6所示。對應小基站（Small cell）組網[13]、分布式天線或分布式大規模天線陣（Large Scale MIMO）[14]。

其中，圖6中的鏈路都是通用公共無線接口（CPRI）鏈路，具有數據傳輸能力，時鐘和頻率同步能力以及管理和運維（O&M）傳輸能力。BBU0和BBU1在空口劃分大的控制域，控制域之間可以有重疊，用戶從控制域之間通過L3信令進行切換。BBU控制域內存在大量的RRU，每個RRU有完整的時間和頻率資源，空間資源需要一個或多個RRU之間協同定義。RRU具有級聯和聚合能力，對于相同的用戶流可以聚合，對于不同的用戶流則需要額外的傳輸資源，由于每個RRU具有的級聯傳輸能力是有限的，或者說RRU空口覆蓋對應的業務是動態變化的，則RRU需要具有2條向上的連接路徑，比如一個末端RRU可以通過兩個級聯RRU最終接入BBU。

CPRI交換單元（SWITCH）具有交換能力但不具有覆蓋能力的設備，SWITCH之間可以星形組網。從RRU級聯以及SWITCH之間組網的交換邏輯由BBU通過SDN的方式或者靜態方式進行設置。BBU中有集中控制單元，負責網絡資源的控制和調度，也有分布式的以用戶流為單位的處理單元。由于用戶流中的數據流需要密集計算，所以完全分布式處理，而用戶流中的對等控制流屬于邏輯密集型，雖然是按照用戶劃分完全獨立的，但是可以集中處理。

與上述接入網架構對應的空口覆蓋圖景如圖1?；究梢哉J為用戶流中的對等控制流需要一個全局覆蓋，比如L2/L3的信令，L2/L3的信令傳輸獨立于用戶流中的業務流，在以往的系統中，包括LTE，通過某種時序關系，隱含了對等控制流與業務流之間的一一對應關系，這里為了靈活和可擴展性，假設對等控制流如果對用戶流處理有所設置，總是需要指定具體的業務流的時序和標識。對等控制流總是有比業務流更高的優先級，其性能和時延優先，容量次之。而業務流則按照指定的優先級，一般來說容量/速率優先。

3.2 一致設計帶來的新思路

這種架構設計，將大規模天線陣列（傳統認為是空口物理層傳輸層面的設計）與接入網的SDN化以及空口網絡架構的超蜂窩化（控制覆蓋與業務覆蓋的分離這種異構設計，空口的Small Cell化以及CoMP化趨勢）相統一，從而使得上述3個研究領域可以在新的層面統一進行研究。

（1）信道狀態信息（CSI）構成的大規模多維稀疏矩陣[15]，用一個比較規整的數據模型將上述鏈路級和系統級問題統一起來，里面會蘊含大量的系統級問題，比如功率控制、自適應調度等等，不再是單純的鏈路級求逆問題，而可以采用大量系統級算法，比如Genetic算法、Greedy算法、Heuristic算法等。

（2）SDN化的原則：特征數據集中化，比如CSI；用戶流數據本地化，比如分布式預編碼（Precoding）。

（3）如果稀疏矩陣的處理可以分解為迭代式的話，就完全可以在RRU中分布式處理，而不需要在BBU中集中處理。

（4）空口的異構設計中，大區覆蓋主要針對L2/L3等用戶控制數據的覆蓋，切換只發生在大區之間，在RRU覆蓋范圍內不觸及切換，只會引起RRU Precoding稀系數的平滑改變。

（5）上述網絡設計有較好的可擴展性，BBU只有用戶流的處理和對天線數據（CSI）的集中化處理；而天線的處理在RRU內部或通過RRU聚合消化掉。

4 結束語

類似10年前的Internet大發展，移動通信需求端正經歷一場變革，并將改變移動通信行業的生態環境。在此移動數據業務大爆炸時代，運營商所遭遇的困境在于：盡管移動數據業務總量經歷著快速增長，營收增長卻經歷不匹配的低速增長。其可能的原因有：下滑的每用戶平均收入（ARPU），移動用戶增長的飽和等。由于OPEX跟隨數據業務總量增長的速度，運營商的利潤也就因此而反方向下降[16]。

一些分析師按照運營經濟學的方式仔細分析現狀，并不約而同給出了非常相似的解決方案，其關鍵詞就是：網絡共享、外包、智能網管、移動虛擬運營商（MVNO）等。前3個主要是通過合作模式來壓縮成本，第4種手段主要通過合作模式來發現新的服務類型。無論是提高運營效率還是采用智能網絡管理，所有這些手段背后的思路都是通過在運營的不同層面（例如，建設、運營、網絡優化和業務推廣）采用合作模式來尋求成本削減。這種傾向可以進一步拓展為一種變革性運營模式，正如移動互聯網和智能手機行業所采用的那樣，合作與競爭并重。相比傳統模式（封閉與集中化），這將是一種健康的發展模式（開放與多元化）。進而，這種變遷的模式迫切需要一種變革性網絡架構，來支持和幫助移動通信行業向健康發展模式的遷移。這種網絡架構解決方案的核心就是虛擬化、平臺化和面向服務化，正如Internet領域發展出的云計算技術一樣?？傊?，電信行業需要具有競爭合作模式的變革性網絡架構，來解決需求端革命與運營利潤現狀之間的深刻矛盾，其基本思路就是采用IT界的方法論，采用具有虛擬化、平臺化以及面向服務化特質的解決方案。

從這個意義上，5G超蜂窩網絡架構及其技術路線會深刻的影響具體網絡技術，進而影響網絡的建設和運營模式等。從標準化角度，網絡架構參考模型為網絡技術確定標準文本的組織方式；從系統研發角度，網絡架構參考模型決定系統設計劃分原則，以及從標準向實現的遷移方式，比如，標準中ASN.1[17]的采用使得協議層編解碼器的自動化成為可能，IEEE 802.11所定義層間原語極大的影響了Wi-Fi領域存在的大量技術創新；從網絡建設角度，網絡架構參考模型[18]決定了某種具體網絡的工程建設模式（全局集中建設還是分擔式共建）；從網絡運營角度，網絡架構參考模型決定了成本與收益模式；從產業格局角度，網絡架構參考模型影響了行業的組織方式。

所以，5G超蜂窩網絡架構及其關鍵技術的研究，不僅能從技術層面滿足業務層面對5G移動通信系統的需求，更能從經濟和社會層面解決運營經濟學中所面臨的困境，進而促進移動通信行業的發展。endprint