宏蜂窝辅助的5G毫米波通信系统架构

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宏蜂窝辅助的5G毫米波通信系统架构

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目前，5G系统各项需求指标已经基本明确，其多元化的业务对系统性能的要求趋于多极化，仅采用一种无线传输技术很难满足所有业务的需求。因此，5G将是一种由多项无线传输技术融合而成的多元化通信系统。随着对多种潜在候选技术研究的逐渐深入，工作于毫米波频段的微蜂窝技术获得了越来越多的关注。本文从如何将毫米波微蜂窝与现有移动通信系统融合的角度出发，分析了宏蜂窝辅助的毫米波通信系统的应用场景，并对可能的系统架构进行了探讨，提出了网络架构按需分配的方案。

5G 毫米波通信 宏蜂窝辅助

1 引言

近年来，智能移动终端与各种新型应用得到了广泛普及，同时各种形态的移动终端被越来越多地应用于物联网中。这种发展使得移动通信系统逐渐超越了“连接人与人”的基本诉求，开始向“连接一切”迈进。人们的生活方式、工业的发展形态进而人类社会的很多方面都在这场变革中被迅速而深刻地改变着，移动通信系统中的终端数目与数据业务量均呈现出爆炸式增长，现有的移动通信系统很难满足未来需求的快速增长。面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）便应运而生。目前，5G愿景与关键能力需求已经基本明确。除加强对传统的移动宽带数据业务支持外，5G还将支持海量终端连接和新型低时延高可靠性通信，各种应用场景对5G提出不同方面的极端要求，例如机器类型场景要求能够支持100万/km2设备的同时连接。采用任意单一无线传输技术很难满足所有场景的需求，因此5G将是一种由多项无线传输技术融合而成的多元化通信系统。现有3/4G系统不会迅速退出商用，而是会被整合进5G系统中。

与即将面对的巨大的业务需求相对的是传统移动通信频谱资源已趋饱和，如何将移动通信系统部署在6GHz以上的毫米波（MillimeterWave，MMW）频段正成为业界广泛研究的课题。相比于传统移动通信频谱的昂贵授权费，MMW频段中包含若干免授权频段，使得MMW的使用成本可能会降低。MMW频谱资源极为丰富可以寻找到带宽为数百兆甚至数千兆的连续频谱，连续频谱部署在降低部署成本的同时提高了频谱使用率。

与传统的6GHz以下频谱资源相比，MMW频段更适合用于短距离通信，因为MMW频段的信道传播路径损耗较大，空气或者水分会对电波产生很强的吸收作用。然而，由于波长较短，MMW频段天然地具有集成射频元器件实现紧凑封装的优势，即可以把非常多的天线集中在非常小的区域内，这样便可以方便地使用高指向性的波束赋型（Beam-forming）技术，用以补偿MMW的传播损耗。MMW信号穿透性较差很容易因障碍物的遮挡造成信号大幅度衰减，从而带来间歇性通信中断的问题。由于MMW微蜂窝覆盖范围小且无线链路变化剧烈不稳定，通常会采用动态波束追踪（Beam-tracking）算法辅以特别设计的移动性管理策略来为移动用户提供服务。如果MMW被5G采纳，它必将会与3/4G系统共存相当长的一段时间。如何将MMW微蜂窝系统与现有移动通信网络融合使得二者扬长避短各自发挥优势将变得至关重要。

2 Macro-assistedMMW系统

考虑到新系统部署成本，MMW微蜂窝系统会在很多室内和室外场景中被逐步部署。起初它可能会为宏蜂窝提供热点覆盖或在特定的区域独立部署，接着在已有的移动通信系统上提供连续的覆盖，最终实现大规模的密集部署。宏蜂窝辅助的MMW（MacroassistedMMW）系统就是在持续演进的LTE/LTE-A网络上重叠覆盖MMW微蜂窝。考虑到MMW的电波特性，通过宏蜂窝的辅助，MMW可以为用户提供可靠性好、覆盖率高、使用经济且QoS多样化的移动业务。针对5G对用户连接密度的极端要求和MMW微蜂窝所能支持的用户移动速度，主要考虑了几个重要的应用部署场景，具体参见图1。

MMW基站既可以独立为用户提供接入和服务，也可以依赖宏基站的控制与用户进行数据传输。Macro-assistedMMW系统需要采取合适的系统架构达到其在用户体验速率、网络容量、移动性能等关键性能的设计目标。选择何种融合方式，需要基于一些对网络参数的基本假设，其中比较重要的就是回程线路（Backhaul）的容量和传输时延。理想的Backhaul一般都需要光纤，但新建光纤存在部署困局，投资回报困难，一些区域的光纤建设面临入场难、要价高的问题，尤其在密集网络部署的情况下，光纤无法全面覆盖，所以在实际系统中并非处处都可获得，这就限制了必须使用理想Backhaul才能实现的网络架构的可用范围。相反，利用无线回传具有成本低、易部署的优点，使用MMW正逐渐成为实现微蜂窝回传的重要解决手段。但利用MMW做回传很难达到理想Backhaul要求的微秒级的传输时延。例如，目前的E-Band可以很容易实现Gbit/s的数据速率，同时点对点的传输时延可以在几个毫秒甚至是毫秒级以下。

图1 Macro-assistedMMW几种重要的应用部署场景

基于对非理想Backhaul的假设，MMW蜂窝可以在协议层（L2/3）上与宏蜂窝进行融合，可以借鉴3GPP标准化的双连接（Dual Connectivity，DuCo）的方式实现。实现控制/数据解耦（C/USplit）是5G系统架构的趋势，DuCo为实现C/U解耦提供了很好的技术基础和市场铺垫；而且C/U解耦是非常通用的系统设计，同样可以用于Macro-assistedMMW系统。

3 Macro-assistedMMW系统架构

3.1 控制面的系统架构

基于C/U解耦的基本原则，宏蜂窝主要负责用户的接入管理、网络连接控制，以及包括广播信息、寻呼消息、NAS消息等重要控制消息的传输和移动性管理。其他的无线资源控制（RRC）的功能和流程，可以采用两种系统架构，即集中式RRC和分布式RRC，具体参见图2。注：相对高速是以MMW微蜂窝系统所能支持的用户移动速度为限。当用户的移动速度超过这个限制，将可能只与宏蜂窝通信以保证用户的移动性能和业务质量。

图2 集中式RRC和分布式RRC

集中式RRC目前已经被3GPP标准采用，不论是对网络还是用户都实现简单，并与现有系统有很好的兼容性。在未来密集部署的网络中所存在的海量终端连接，虽然MMW微蜂窝通过分布式RRC可以为宏蜂窝分担一部分控制功能，但这种优势相较于集中式RRC优势并不显著，都要求宏基站有非常强大的处理能力和丰富的无线资源。在集中式RRC中，MMW资源配置信息都要通过宏基站来传输，宏基站和MMW基站之间的信息交互、协作会引入额外的配置时延。对于LTE/LTEA系统，额外的配置时延不会对系统性能带来很大的影响。但MMW对无线环境的影响很敏感，存在遮挡问题，信道变化快，对于中高速移动的用户尤为明显，这就需要用户能及时有效地得到与当前MMW无线链路状况最为匹配的配置信息。而分布式RRC在缩短配置时延上比集中式RRC更具有优势。MMW从物理层上来看是全新的传输技术，与LTE/LTE-A相比，对用户处理能力的要求差别很大，且集中体现在基带和射频上。因此，宏基站和MMW基站并不需要像DuCo那样进行非常紧密的协作沟通。通过分布式RRC，MMW基站可以根据用户当前的信道状况和业务特点直接做资源配置。但会带来额外的处理复杂度，需要用户支持来自不同基站的并行的RRC流程。

根据以上分析，表1总结了集中式RRC和分布式RRC在Macro-assistedMMW系统中的优缺点。当用户处于静止或低速运动过程中，并且遮挡问题不严重，MMW信道变化相对缓慢，对资源配置的时延不敏感，就可以沿用集中式RRC的架构；当用户处于中速或高速运动中，或遮挡问题严重，信道变化相对剧烈，就会对资源配置的时延比较敏感，这时适合采用分布式RRC的架构。

3.2 数据面的系统架构

Macro-assistedMMW用户面系统架构主要考虑是否支持相同数据无线承载（DRB）在不同数据通道上的传输和MMW基站从何处获得用户的业务数据。Macro-AssistedMMW系统可以采用3种系统架构。

表1 集中式RRC和分布式RRC的比较

如图3所示，方式1中用户的业务数据会不经由宏基站而直接从SGW通过MMW基站传输给用户；方式2中，用户的业务数据会从SGW由宏基站转发给MMW基站。这两种方式可以实现C/U完全解耦。方式3中用户业务数据除了会由宏基站转发给MMW基站，还会参与到用户业务数据的传输中。

方式1不能解决MMW间歇性链路中断的问题，因为一旦发生MMW链路中断，就需要核心网参与到SGW与不同基站之间的数据通道的转换。这不仅会对核心网产生频繁的信令交互，还会引起数据传输的中断，所以这种架构无法为用户提供稳定的数据速率体验。

方式2和3对Backhaul的要求会很高，尤其是在超密集用户连接的场景中，由于宏基站负责为MMW基站转发用户数据，这对宏基站的处理能力和存储器的容量都将是巨大的挑战，并且宏基站到SGW的Back-haul很容易因用户数庞大而造成网络拥塞。但这两种架构的好处是，当MMW出现间歇性链路中断时，不需要执行SGW与不同基站之间的数据通道的转换，从而避免了对核心网产生的频繁的信令交互。在方式2中数据传输也是中断的；而方式3却可以在宏蜂窝上持续地为用户提供数据传输，帮助稳定用户的数据速率体验，不过这时用户还是会感受数据速率的突降，同时需要注意到这样的优势也只有当宏蜂窝处于轻度或中度负载时才会体现。

图3 Macro-assistedMMW数据面架构

表2 3种数据面架构的比较

方式3需要宏基站对MMW基站进行非常频繁的流量控制，在超密集用户连接的场景中，带来的复杂度和信令开销都是不可想像的，同时在Macro-assisted MMW系统中LTE和MMW能够达到的数据速率差异非常大，LTE这条链路将可能是影响整个UE用户体验速率的瓶颈。

根据以上分析，表2总结了这3种方式在Macro-assistedMMW系统中的优缺点。由于上述3种数据面的架构都没有办法很好地适应MMW在实际环境中存在的问题，就考虑是否可用其他的数据面架构来解决。可能的方式是在采用用户与多个MMW基站的多连接，这样用户业务数据会通过多个MMW基站的协作来为用户传输，所以当其中一个MMW链路出现中断的时候，可以快速地通过另外可用的MMW链路继续传输。只有当所有的MMW链路都出现问题的时候，才有可能需要核心网对其做SGW到宏基站的数据通道的转换。考虑到MMW微蜂窝系统是噪声受限系统而非干扰受限系统，MMW每个小区的小区边界没有非常明确，所以同一个用户可以同时检测到几个MMW小区，这也为实现与MMW基站的多连接提供了天然的有利条件。

图4 ORCA设定的3种网络架构

4 网络架构按需配置

在实际系统中，没有一种网络架构可以以最优的方式满足5G用户多样化的需求，动态变化的无线环境以及不同的应用场景，Macro-assistedMMW系统需要一种灵活的系统架构可以实现控制面和数据面的按需分配（On-demandRe-configurableControlPlaneandUser PlaneArchitecture，ORCA/ORUA），这样对应特定的场景都可以有与之对应的最优化的配置方式。ORCA/ ORUA都是保持系统的硬件架构不变，但是会在这样的硬件架构上面通过软件配置来实现不同架构。图4 以ORCA为例，进行了3种网络架构的设定。设定1是只通过MMW基站进行RRC的连接和控制，设定2是使用集中式的RRC，设定3是使用分布式的RRC。用户和网络都可以基于实时的需求去触发不同网络架构的软件配置。ORCA/ORUA还可以通过虚拟小区的技术结合SDN和NFV演进成为C-RAN的网络架构,这样SGW成为可以对MMW进行基带处理的集中式BBU，而MMW基站则退化为RRU。通用的架构设计需要考虑很多不同的场景，要想使网络的硬件部署能长期持久不频繁改变，就需要它能很好地适应业务密度、用户的移动速率、或者新的接入技术的引进而带来的应用场景的变化。这样就使得接入网架构软件配置成为非常自然的选择并与SDN的概念是一致的。

5 结束语

5G系统将是一个多种无线传输技术共存的多元化的通信系统。本文探讨了通过Macro-assisted的方式使毫米波与LTE/LTE-A进行融合来满足5G的各项需求。根据C/U解耦的基本原则，分别从控制面和数据面评估了多种Macro-assistedMMW的系统架构，但这些系统架构都不能完美地适应MMW本身的频率特性以及适应其在实现传输环境中存在的问题。考虑到5G用户多样化的需求，动态变化的无线环境以及不同的应用场景，需要Macro-assistedMMW的系统架构可以灵活自适应地进行按需配置，同时也能为网络设备商和终端厂商提供一种经济的向后兼容的解决方案。

1 IMT-2020(5G)推进组.5G愿景和需求白皮书.2014,5

2 IMT-2020(5G)推进组.5G概念白皮书.2015,2

3 EU METIS.Summary on Preliminary Trade-off Investigations andFirstSetofPotentialNetwork-levelSolutions.ICT-317669-METIS/D4.1

4 ITU-WP5D-929.Report on theTwenty-first Meeting ofWorkingParty5D.2015

5 NGMNAlliance.NGMN5GWhitePaper.2015

6 Peng Wang,Yonghui Li,Lingyang Song,and Branka Vucetic. Multi-gigabit Millimeter Wave Wireless Communications for 5G:From FixedAccess to Cellular Networks.IEEE CommunicationsMagazine.2015

7 3GPP Specification TS36.842,V12.0.0.Study on Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN;Higher Layer Aspects

5GMillimeterWaveCommunicationSystemArchitecturewith Macro-assisted

5Gmobilecellularsystemwillneedtosupportdrasticallydifferentperformancerequirementsinawiderangeofdiversified scenarios.Multiple radio access technologies are expected to be integrated within 5G system and the millimeter wave(MMW)technologyisenvisionedasoneofthekeycomponentsfor5Gsystemtoaccessfruitfulspectrumresourcesover higher(>6GHz)frequencybands.InordertointegratetheMMWsmallcellsintotheexistingcellularnetwork,thispaperanalyzes the scenarios for macro-assisted MMW system,investigates the design tradeoff among different architecture alternativesanddiscussesthepossibledirectionfor5Gmacro-assistedMMWaccesssystemdesign.

5G,MMW,Macro-assisted

2015-04-30）